论文部分内容阅读
以有机共轭聚合物或有机-无机杂化钙钛矿为光吸收材料及无机纳米结构为电子受体和传输材料组成的杂化太阳电池，将有机与无机材料的性能和优点结合在一起，是一类新型薄膜太阳电池。氧化锌(ZnO)纳米结构，合成简便、性质优良、环境友好，是此类电池的良好电子受体和传输材料。本文主要以ZnO纳米阵列(ZnO-NA)为基本受体和传输材料，开展了ZnO-NA基杂化太阳电池中结构与性能相关性的理论和实验研究，主要研究内容和结论如下: (1)以ZnO-NA为模板，制备了ZnO/CdS-核壳结构纳米阵列(ZC-NA)电子受体和传输材料，并以有机共轭聚合物MEH-PPV为电子给体，制备了MEH-PPV/ZC-NA杂化聚合物太阳电池(HPSC)，建立了核壳结构阵列电池的电荷输运动力学的理论模型。模型主要描述了壳层对电池电荷的产生及传输动力学的影响，并首次建立了纳米阵列中聚合物无效相区的数理表达式。模型的理论预测由MEH-PPV/ZC-NA电池实验数据得到很好地验证。结果表明，CdS壳层(f1）和MEH-PPV(f2）的光吸收贡献由核壳纳米阵列结构及聚合物本征性质决定，最佳CdS厚度Lopt取决于ZnO核纳米棒的间距及聚合物的激子扩散长度;电池中光电流的产生是f1和f2竞争的结果，其中f2占主导地位，同时，光电流的产生还与聚合物/CdS界面处的激子分离速率S有关;ZnO表面缺陷俘获与去俘获电子的一级速率常数k1和k2随CdS壳层厚度的增大显著减小，当厚度达到Lopt时，不再变化;ZnO纳米棒中有效电子扩散系数De随CdS壳层厚度的增大而增大，并在Lopt时导带中的光生电子密度和De达到最大。本工作为核壳结构阵列太阳电池的结构与性能优化提供了理论指导。 (2)建立了一种高效HPSC的制备技术和原理，包括可控性合成三元ZnO/CdS/Sb2S3-核壳壳纳米阵列(ZCS-NA)及对聚合物MEH-PPV的纳米级锂盐掺杂。三元纳米棒阵列的使用使电池具有较高的开路电压Voc与短路电流Jsc，而纳米级掺杂则有利于提高电池的填充因子FF。多元组分性能的集成使MEH-PPV/ZCS-NA电池在AM1.5模拟太阳光(100 mW/cm2)下效率达到5.01％，是目前此类纳米阵列电池中的最高效率。结果表明，多元电池中Voc由ZnO核及聚合物的能级决定，并且充足的光激发对Jsc至关重要;提出了多元阵列结构相关的有效聚合物相区中光强衰减的模型。本工作为制备高效HPSC电池提供了一种新的多组分性能协同互补和集成的方法。 (3)以ZC-NA核壳阵列为电子传输材料和CH3NH3PbBr3钙钛矿为光吸收材料，制备了新型结构的杂化钙钛矿太阳电池，器件效率在AM1.5模拟太阳光(100mW/cm2)下达到4.31％。结果表明，电池的Voc由ZnO的导带能级和CH3NH3PbBr3的最高已占轨道能级决定，但与ZnO中电子和CH3NH3PbBr3中空穴的准费米能级息息相关;对钙钛矿光吸收材料的热处理，有利于电荷传输并有效抑制电荷复合，是提高器件效率的有效方式之一。在CH3NH3PbBr3/纳米阵列电池中，界面特性至关重要，CdS壳层可提供补充光吸收、钝化ZnO表面缺陷、抑制电荷复合及抑制CH3NH3PbBr3的热分解等。本工作为钙钛矿太阳电池提供了新的认识，并为高效钙钛矿电池的制备建立了新的方法。