ZnO纳米柱结构的制备与改性及其在太阳能电池中的应用

【摘要】：化石能源的过度消耗带来了严重的能源和环境问题,太阳能电池作为可再生清洁能源可将太阳能直接转化为电能,从而成为人们关注的焦点。在太阳能结构中,电子传输层具有非常重要的作用,收集光吸收层产生的光生电子并将电子传输到导电电极,对器件的光电转化效率有直接影响。近年来研究较多的电子传输层材料是多孔纳米Ti02颗粒,而ZnO具有高稳定性,优异的光电性能,良好的形貌可控性等优点而可以作为取代TiO2的材料。同时,ZnO的电子迁移率高且易于制备成一维纳米柱结构,可用作太阳能电池的电子传输层。因此,对ZnO纳米结构的研究成为人们优化太阳能电池结构的热点之一。本文对应用太阳能电池的ZnO纳米柱的制备工艺进行探讨,在优化工艺条件下制备得到形貌整齐、尺寸均匀的ZnO纳米柱阵列,在ZnO纳米柱阵列基础上,制备了ZnO：Al阵列和ZnO/ZnMgO纳米结构,分别作为电子传输层材料组装太阳能电池器件,并对ZnO纳米柱及优化结构和电池器件进行表征和分析。得到的主要结果如下：Ⅰ.ZnO纳米柱和纳米管阵列的制备及光电性能表征采用水浴法在ZnO种子层上生长ZnO纳米柱阵列,从种子液浓度、种子膜层数、生长液浓度、生长时间以及生长液是否添加PEI对ZnO纳米柱形貌的影响进行了研究,得出0.2 mol/L的种子液、种子膜层数为5层时得到的ZnO种子层在不添加PEI、生长液浓度为0.02 mol/L、生长3h时能够获得整齐的ZnO纳米柱阵列,纳米柱沿c轴取向生长,尺寸均匀,直径约150 nm。采用二次水浴生长的方式刻蚀得到ZnO纳米管,二次水浴温度为50℃、水浴时间为三小时时形成了中空的纳米管结构,管壁较薄约为20 nm。采用两步法制备结构为Ag/P3HT/CH3NH3PbI3/ZnO/FTO的钙钛矿太阳能电池器件。通过测试电池器件的伏安特性曲线来考察电池性能,得到ZnO最佳水浴生长条件为75 rmin,器件的最高光转化效率为4.72%,填充因子为0.43。Ⅱ.ZnO：Al纳米柱阵列的制备及光电性能表征在ZnO纳米柱阵列基础上,采用水浴法制备了不同掺杂比例的ZnO：Al纳米柱阵列并对其形貌、结构和元素组成进行表征。掺杂后,纳米柱阵列光透过率提高且表面方块电阻下降。将ZnO：Al纳米柱阵列作为电子传输层应用于PSCs器件中,在低掺杂浓度(1%)时得到最佳器件性能,光转化效率达到5.78%,填充因子提高到0.54。Ⅲ.ZnO/ZnMgO纳米结构的制备及光电性能表征利用溶胶凝胶法在ZnO纳米柱表面负载ZnMgO层,形成类“核壳结构”的ZnO/ZnMgO纳米结构。实验证明：ZnMgO层的光学禁带宽度要略大于ZnO纳米柱。将ZnO/ZnMgO纳米结构作为电子传输层应用于PSCs器件中,ZnO/Zn0.95Mg0.05O基电池器件的最高光转化效率达到7.65%,填充因子提高到0.58。 【关键词】：氧化锌 纳米柱 改性 太阳能电池 纳米材料
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ132.41;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-29
• 1.1 太阳能电池的发展历程11
• 1.2 太阳能电池的分类11-15
• 1.2.1 硅基太阳能电池11-12
• 1.2.2 无机薄膜太阳能电池及其研究进展12-13
• 1.2.3 有机太阳能电池13-15
• 1.2.3.1 染料敏化太阳能电池及其研究进展13-14
• 1.2.3.2 聚合物太阳能电池及其研究进展14
• 1.2.3.3 有机-无机杂化太阳能电池及其研究进展14-15
• 1.3 钙钛矿太阳能电池及研究现状15-24
• 1.3.1 钙钛矿太阳能电池的结构16-19
• 1.3.1.1 钙钛矿太阳能电池的光吸收层16-18
• 1.3.1.2 钙钛矿太阳能电池的空穴传输层18
• 1.3.1.3 钙钛矿太阳能电池的电子传输层18-19
• 1.3.2 钙钛矿太阳能电池的发展历史19-22
• 1.3.3 钙钛矿太阳能电池机理及性能参数22-24
• 1.3.3.1 钙钛矿太阳能电池的电荷转移机制22-24
• 1.3.3.2 钙钛矿太阳能电池的性能参数24
• 1.4 纳米材料及ZnO在太阳能电池中的应用24-27
• 1.4.1 纳米材料的概念与分类24-25
• 1.4.2 ZnO的晶体结构和基本性质25-26
• 1.4.2.1 ZnO的晶体结构25
• 1.4.2.2 ZnO的基本性质25-26
• 1.4.2.3 一维ZnO的制备方法26
• 1.4.3 纳米ZnO在太阳能电池中的应用26-27
• 1.5 课题选择的目的及意义27-29
• 1.5.1 研究目的27
• 1.5.2 研究内容27-29
• 第二章 一维ZnO纳米柱的水浴制备及其光电性能研究29-52
• 2.1 引言29
• 2.2 实验部分29-32
• 2.2.1 实验试剂及仪器29-30
• 2.2.2 实验步骤30-32
• 2.2.2.1 ZnO种子层的制备30-31
• 2.2.2.2 ZnO纳米柱阵列的制备31-32
• 2.3 ZnO纳米结构的表征方法32-33
• 2.4 ZnO纳米柱阵列形貌表征33-41
• 2.4.1 种子液浓度对ZnO纳米结构形貌的影响33-34
• 2.4.2 种子膜层数对ZnO纳米结构形貌的影响34-36
• 2.4.3 水浴生长溶液浓度对ZnO纳米结构形貌的影响36-38
• 2.4.4 水浴生长时间对ZnO纳米结构形貌的影响38-39
• 2.4.5 水浴生长溶液添加PEI对ZnO纳米结构形貌的影响39-41
• 2.5 二次水浴生长ZnO纳米管41-45
• 2.5.1 二次水浴生长纳米管步骤41
• 2.5.2 不同生长时间对ZnO纳米管原位二次生长形貌的影响41-43
• 2.5.3 ZnO纳米柱和纳米管的X射线图谱分析43-44
• 2.5.4 ZnO纳米管阵列的生长机理分析44-45
• 2.6 ZnO基钙钛矿太阳能电池的组装及性能测试45-50
• 2.6.1 ZnO基钙钛矿太阳能电池组装步骤45-46
• 2.6.2 不同生长时间的ZnO纳米柱对太阳能器件光转化性能的影响46-50
• 2.7 本章小结50-52
• 第三章 ZnO：Al纳米柱阵列的制备及其光电性能研究52-61
• 3.1 引言52
• 3.2 实验部分52-53
• 3.2.1 实验试剂与仪器52-53
• 3.2.2 实验步骤53
• 3.2.2.1 Al~(3+)掺杂ZnO纳米柱阵列的制备53
• 3.2.2.2 制备ZnO：Al基钙钛矿太阳能电池53
• 3.3 ZnO：Al纳米柱阵列表征方法53-54
• 3.4 ZnO：Al纳米柱阵列的结构表征54-56
• 3.4.1 ZnO：Al纳米柱阵列的形貌54-55
• 3.4.2 ZnO：Al纳米柱阵列的X射线衍射分析55-56
• 3.4.3 ZnO：Al纳米柱阵列的EDS分析56
• 3.5 ZnO：Al纳米柱阵列的光电性能56-60
• 3.5.1 ZnO：Al纳米柱阵列的紫外可见光谱分析56-57
• 3.5.2 ZnO：Al纳米柱阵列的方块电阻57-58
• 3.5.3 ZnO：Al纳米柱阵列的光转化性能58-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 ZnO/ZnMgO纳米复合结构的制备及其光电性能研究61-75
• 4.1 引言61-62
• 4.2 实验部分62-63
• 4.2.1 实验试剂与仪器62
• 4.2.2 实验步骤62-63
• 4.2.2.1 ZnO纳米柱阵列的制备62-63
• 4.2.2.2 ZnO/ZnMgO纳米复合结构的制备63
• 4.2.2.3 ZnO/ZnMgO基太阳能电池器件的制备63
• 4.3 ZnO/ZnMgO纳米复合结构表征方法63-64
• 4.4 ZnO/ZnMgO纳米结构表征64-69
• 4.4.1 ZnO/ZnMgO纳米结构的SEM形貌分析64-66
• 4.4.2 ZnO/ZnMgO纳米结构的TEM分析66
• 4.4.3 ZnO/ZnMgO纳米结构的成分分析66-68
• 4.4.4 ZnO/ZnMgO纳米结构的X射线衍射分析68-69
• 4.5 ZnO/ZnMgO纳米结构的光电性能69-74
• 4.5.1 ZnO/ZnMgO纳米结构的低温光致发光光谱分析69-70
• 4.5.2 ZnMgO层的光学禁带宽度(Eg)分析70-71
• 4.5.3 ZnO/ZnMgO纳米结构的光电转换性能71-74
• 4.6 本章小结74-75
• 全文总结75-77
• 尚需进一步研究的工作77-78
• 参考文献78-83
• 致谢83-84
• 攻读学位期间发表论文及参与研究项目84-86

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

Al掺杂ZnO纳米棒的性能研究及其在太阳能电池中的应用    丁国静;秦文静;杨利营;黄康;印寿根;

调制激光激发PN结少数载流子分布及频域响应特性研究    秦雷;刘俊岩;龚金龙;王扬;

低温处理的TiO_2纳米颗粒薄膜作为缓冲层的有机光伏电池    李明阳;韩雪松;许新蕊;马春宇;杨利营;秦文静;印寿根;张凤玲;

基于Gower相似系数的太阳能电池可靠性筛选方法    周求湛;刘祥;高健;

基于PIN结构的Rubrene/C_(70)太阳能电池的性能研究    吴步军;刘彭义;谢伟广;詹真;余笑梅;

多孔ZnO纳米花电子传输层对有机太阳能电池性能的优化    刘冬月;秦文静;董妮;张强;杨利营;印寿根;

酞菁染料ZnPc和Q-PbS复合敏化纳米晶ZnO薄膜电极的研究    何祖明;夏咏梅;唐斌;王青;

叠层有机太阳能电池    李明阳

ZnO基发光器件的制备及其性能的研究    龚玉

基于PIN结构的Rubrene/C_(70)有机太阳能电池的性能研究    吴步军

ZnO、CdS(Se)纳米结构对倒置聚合物太阳能电池性能的影响    刘冬月

低压高温退火对Ag掺杂ZnO薄膜性质的影响    彭福川;吕佩伟;林林;林丽梅;瞿燕;赖发春;

柔性PEN衬底ZnO:Ga薄膜的性能研究    谢轲;蔡宏琨;陶科;胡居涛;靳果;张德贤;

An air-stable inverted photovoltaic device using ZnO as the electron selective layer and MoO_3 as the blocking layer    宋朋飞;秦文静;丁国静;闫齐齐;杨利营;印寿根;

ZnO纳米晶体的同轴送氧激光制备及其特性    鲁金忠;张永康;周骏;孔德军;任旭东;葛涛;

室温Zn粉直接制备ZnO纳米颗粒薄膜及其机理研究    刘超;王树林;蹇敦亮;朱钰方;赵立峰;杨全富;

ZnO纳米棒光学性质的调制及其稳定性    陈廷芳;周博艺;代丽君;王引书;

ZnO纳米四脚状阵列电极染料敏化太阳能电池    冯跃军;庞起;何军;梁春杰;周立亚;

ZnO纳米棒水热法制备及其发光性能    靳福江;李珍;李飞;

ZnO纳米钉的制备和光学性质研究    邓蕊;张锷;张喜田;

ZnO纳米棒的低温湿化学制备    刘秀兰,李佳,赵晓鹏

晶核层对ZnO纳米棒阵列结构和性能的影响(英文)    杨丽丽;赵庆祥;马格纳斯·维兰德;

高分子自组装ZnO纳米带合成过程的研究    邹强;张之圣;李海燕;李玲霞;胡明;秦玉香;刘志刚;

ZnO纳米结构的电化学法可控生长及其机理    李金钗;朱昱;卢红兵;田玉;

ZnO纳米球制备染料敏化太阳能电池电极的研究    武丽慧;张永哲;韩立中;康翠萍;谢二庆;

维度变化导致ZnO纳米带出现金属性    王秀军;陈冠华;

低温湿化学法制备ZnO纳米棒阵列膜    王玉新;李新勇;

ZnO纳米晶的拉曼光谱    吴尝;朱克荣;周广东;

种子层对染料敏化ZnO纳米棒光伏电池性能的影响    王明军;方国家;艾磊;刘逆霜;高慧敏;赵兴中;

丝网印刷ZnO纳米锥场发射特性研究    于灵敏;朱长纯;

ZnO纳米碟的发光与Raman光谱图像    徐春祥;朱光平;J.Kasim;李欣;陈瑞添;杨仪;申泽骧;孙小卫;

单一前驱体溶剂热法制备花样ZnO纳米结构    孔林;王亮;杨家祥;许献云;周虹屏;吴杰颖;田玉鹏;

ZnO纳米棒阵列/CdS纳米晶复合结构的制备及其光电性质    韩啸;程轲;张电波;师清;戴树玺;杜祖亮;

特殊ZnO纳米结构的自组装合成与表征    黄在银;谭学才;袁爱群;吴健;周泽广;

基于ZnO纳米棒的核/壳纳米异质阵列的制备和光学特性    杨琴

ZnO纳米粒子的制备及其表面光电特性的研究    林艳红

SiO_2包埋的ZnO纳米粒子的制备及其结构和光学特性研究    刘玉学

掺杂ZnO（ZYO，ZMEO）和ZnO纳米复合材料（MgO/ZnO，Ag/ZNTs）的光学性能研究    高铭

ZnO纳米结构的制备、表征及其光学性质研究    范东华

ZnO纳米结构形态调控与表面光电性能研究    杨峰

ZnO纳米晶的修饰、自组装及光学性质研究    董林

零维Ge和一维ZnO纳米结构与器件    万青

ZnO纳米薄膜和纳米棒的制备及其掺杂改性研究    Musbah Hamed Babikier Elmahi

溶液燃烧法制备ZnO纳米结构及光催化性能研究    程烯

以ZnO纳米棒阵列薄膜为光阳极的染料敏化太阳能电池研究    吴彩平

ZnO纳米柱结构的制备与改性及其在太阳能电池中的应用    奚洪亮

垂直ZnO纳米棒阵列的水溶液法可控生长及N掺杂ZnO薄膜的电学机制研究    李庆伟

ZnO纳米棒阵列制备及染料敏化太阳能电池研究    张晓楠

一维有序ZnO纳米棒阵列薄膜的制备及应用    刘然

一维ZnO纳米结构的光电特性及表面改性研究    王恬

ZnO纳米结构的制备及其发光特性研究    孙伟

ZnO纳米片网络结构和Ge纳米棒阵列的制备及其气敏和场发射性能研究    赵青

可控合成Mg掺杂ZnO纳米晶的化学动力学研究    张娜