氧化锌纳米晶作为聚合物光伏器件电极修饰层的研究

【摘要】：有机光伏由于其价廉、质轻、适合大面积柔性生产等优点引起了人们的极大兴趣。为了实现工业化柔性、高效率、高的稳定性是目前研究的方向，制备以氧化锌（ZnO）纳米晶作为电子传输层的倒置器件，是可以实现上述要求的。但是，由于ZnO自身材料的缺点，如氧空位，较低的电导率等，直接影响了器件的性能，因此成为人们研究的热点。本文分别研究以聚氧化乙烯（PEO）修饰的氧化锌纳米晶、铯掺杂和硫掺杂的氧化锌纳米晶作为倒置有机光伏电池的阴极修饰层。通过不同质量比的PEO:ZnO、铯掺杂浓度、硫化时间来改变氧化锌的光电特性，进而使器件性能得到提高。具体工作如下： 利用PEO主链中的氧能与氧化锌共用电子对形成配合物，来降低氧化锌表面缺陷的原理，制备出PEO:ZnO质量比分别为0、0.01%、0.05%、0.1%、1%的PEO:ZnO溶液。发现修饰后的光伏器件短路电流和填充因子都得到了提高。当加入量为0.05%时，器件的光电转化效率（PCE）从1.38%增加到2.06%。性能的提高是由于PEO修饰ZnO后，表面缺陷降低、体电阻降低、电子传输层与活性层间的接触增加。这就为实现大面积的滚筒式印刷技术，提供可能。 通过溶胶-凝胶法制备铯掺杂浓度分别为0、1%、3%、6%、9%的氧化锌薄膜，将其用于有机光伏电池器件的电子传输层。当铯掺杂量为6%时，器件的PCE达到了1.59%，与未掺杂的器件相比提高58%，电流密度由3.9mA cm-2增加到6.91mA cm-2。铯离子掺杂后，活性层与电子传输层间的能带对齐、电导率增加。同时，我们以水取代乙二醇甲醚后制备出来的器件与上述最优化的器件性能相似。这能更好的满足未来大规模量产的需要。 利用S和O之间电负性的差异，当S取代O后能在ZnO和ZnS界面处发生化学键的重新组合生成ZnOS-ZnS。通过水热法制备出高电导率的、能级与活性层更匹配的ZnOS薄膜。将其应用于有机光伏器件中，器件效率由1.3%提高到了2.47%（提高90%）。相比其它通过掺杂来提高氧化锌光电特性的方法，该方法不会产生较高的表面能，制备条件简单，更适合于有机光伏器件的生产。 【关键词】：氧化锌纳米晶 修饰 添加剂 掺杂
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 引言9-23
• 1.1 绪论9-10
• 1.2 太阳能电池的分类10-11
• 1.2.1 无机太阳能电池10
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池10
• 1.2.3 有机/无机太阳能电池10-11
• 1.2.4 有机太阳能电池11
• 1.3 有机太阳能电池的基本介绍11-16
• 1.3.1 有机太阳能电池的分类11-14
• 1.3.2 有机太阳能电池的工作原理14-16
• 1.4 有机太阳能电池的发展方向16-20
• 1.4.1 有机太阳能电池的性能参数16-17
• 1.4.2 有机光伏的研究现状及存在的问题17-20
• 1.5 氧化锌纳米晶在有机光伏中的应用及课题的引出20-23
• 1.5.1 氧化锌纳米晶在有机光伏器件中的应用20-22
• 1.5.2 本论文的主要研究内容22-23
• 第二章 实验设备与实验药品23-26
• 2.1 实验设备23-24
• 2.2 实验药品24-26
• 第三章 聚氧化乙烯修饰氧化锌纳米晶的制备及在有机光伏中的应用26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 实验部分26-28
• 3.2.1 材料的制备26-27
• 3.2.2 氧化锌纳米晶的表征27-28
• 3.3 不同质量比 PEO:ZnO 对器件性能的影响28-32
• 3.3.1 器件的制备28-30
• 3.3.2 器件的测试30-32
• 3.4 分析与讨论32-35
• 3.4.1 PL 分析32
• 3.4.2 表面形貌对器件性能的影响32-33
• 3.4.3 接触角对器件性能的分析33-34
• 3.4.4 功函对器件性能的影响34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第四章 铯掺杂氧化锌纳米晶的制备及在有机光伏中的应用36-43
• 4.1 引言36
• 4.2 实验部分36-38
• 4.2.1 铯掺杂氧化锌纳米晶的制备36-37
• 4.2.2 器件的制备37-38
• 4.2.3 器件的测试38
• 4.3 分析与讨论38-42
• 4.3.1 晶体结构分析38-39
• 4.3.2 光学带隙的对器件性能的影响39-40
• 4.3.3 导电性能对器件性能的影响40
• 4.3.4 功函对器件性能的影响40-41
• 4.3.5 溶剂对器件性能的影响41-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第五章 硫掺杂氧化锌纳米晶的制备及在有机光伏中的应用43-49
• 5.1 引言43
• 5.2 实验部分43-46
• 5.2.1 硫掺杂氧化锌纳米晶的制备43-44
• 5.2.2 器件的制备44
• 5.2.3 器件测试44-46
• 5.3 分析与讨论46-47
• 5.3.1 电导率对器件性能的影响46-47
• 5.3.2 电学性能分析47
• 5.4 本章小结47-49
• 第六章 全文总结与展望49-51
• 6.1 全文总结49
• 6.2 展望49-51
• 参考文献51-57
• 发表论文和科研情况说明57-58
• 致谢58-59

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