基于氧化亚铜的有机/无机杂化光伏器件研究

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氧化亚铜(Cu2O)是一种直接带隙的P型半导体材料,带隙宽度为2.1 eV,能够很好的与可见波长范围相对应,且具有很高的吸光系数和载流子迁移率。Cu2O的低成本、原料来源广、无毒及长期稳定等优点,使其在光电转换、光催化及生物传感等领域有越来越广泛的应用。近几年,有机/无机复合钙钛矿材料因其光谱吸收范围宽、吸光系数高、载流子迁移率高、载流子扩散长度和寿命长等优点在太阳能电池领域备受关注。本文采用电化学沉积法制备Cu2O,并通过对沉积时间、pH的控制实现不同形貌Cu2O的生长。基于电化学沉积法生长的Cu2O,我们制备了钙钛矿太阳能电池和紫外-可见光电探测器两种类型的光伏器件,并对钙钛矿材料的制备及器件性能等进行讨论。主要的研究内容及结论如下:  (1)在不同基底上制备了有机/无机复合钙钛矿材料CH3NH3PbI3,并讨论了不同溶液沉积法对钙钛矿形貌的影响;另外,针对钙钛矿沉积所选用的ZnO基底及Cu2O基底,通过对籽晶层、电沉积时间、pH值等参数的调节,初步实现了ZnO纳米棒及Cu2O的可控生长。  (2)将电化学沉积法制备的氧化亚铜晶粒用于钙钛矿太阳能电池中,制备了结构为ITO/Cu2O/CH3NH3PbI3/C60/Bphen/Ag的倒置型无空穴传输层钙钛矿太阳能电池,其中,氧化亚铜仅是作为钙钛矿生长的晶核位点以提高钙钛矿薄膜的质量,并不参与空穴的传输。电沉积时间为20s的氧化亚铜制备的器件的性能最佳,最优器件的光电转换效率为9.64%,是目前报导的高效倒置型无空穴传输层钙钛矿太阳能电池之一。  (3)利用电化学沉积法制备的氧化亚铜存在缺陷的性质,制备了ITO/Cu2O/C60/Bphen/Al有机/无机复合光电倍增型紫外-可见光电探测器。通过对Cu2O/C60复合器件和MoO3/C60对照器件的性能探讨,发现氧化亚铜晶粒本身存在的铜空位可以作为光生空穴捕获陷阱,从而使器件产生光电流增益,而富勒烯C60仅是作为光吸收层,吸收光子产生电子和空穴。Cu2O/C60复合探测器在-3V偏压下,365nm处的外量子效率达到1.1×104%,此效率是目前报导的有机/无机复合光电探测器在同样的波长和偏压下,得到的最高外量子效率之一。
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