论文部分内容阅读
聚合物太阳电池具有成本低、重量轻、制备工艺简单、可制备成柔性器件、可设计性强等突出优点,相关的材料和器件的研究受到国内外科研界和产业界的广泛关注。本论文采用廉价、简单的溶液旋涂成膜方法制备了体异质结聚合物太阳电池,并在器件的制备工艺参数优化、界面层材料的制备及其对电池性能的影响、金属表面等离激元增强太阳电池等方面做了较为系统的研究,主要研究成果如下:
1.研究了制备工艺参数对P3HT:PCBM聚合物太阳电池光伏性能的影响,通过优化制备器件的工艺参数,获得了高达3.44％的转换效率。实验结果表明,在P3HT/PCBM质量比为1:0.8、器件退火温度为130℃、光敏层厚度为85 nm时器件具有最高的转换效率。探索和研究了电子束蒸发技术在聚合物太阳电池金属电极制备中的应用。采用改进的两步法蒸发技术,可使器件的性能得到较大的改善。当第二步的沉积温度为80℃时,器件的光伏性能最好。
2.采用溶液法合成了ZnO纳米晶,并将其应用在聚合物太阳电池阴极界面层,同时优化了ZnO界面层的工艺参数。制备ZnO界面层的最优工艺条件为:正丁醇为溶剂、薄膜厚度为20 nm、旋涂ZnO之前对光敏层进行热退火处理。若在旋涂ZnO之前对光敏层进行热退火,则可实现提高电流和保持开路电压不变,从而提高电池的效率。采用ZnO界面层后,电池在空气中的稳定性大大提高,3天后电池的效率仅下降了6.5%,10天后器件的效率也只下降了33%。研究了NiO(NiOx)阳极界面层材料的制备及其对器件性能的影响。磁控溅射制备的NiO可获得与PEDOT:PSS相同的开路电压,但光电流和填充因子较小,使电池的效率降低;氧等离子体处理得到的NiOx可获得相当的开路电压和填充因子,电池的效率优于PEDOT:PSS的电池;而溶胶.凝胶法制备的NiOx则可获得相当的光电流和填充因子,但开路电压较小(仅有0.4 V左右),效果明显低于PEDOT:PSS。综合而言,采用等离子体处理制备的NiOx可获得最好的效果。
3.将等离子体处理制备的NiOx用于MDMO-PPV:nc-ZnO体异质结杂化太阳电池时,电池效率显著地增加,电池的开路电压随R的增加而下降比PEDOT:PSS缓慢。在ZnO/PPV的质量比为4时,获得高达0.828 V的开路电压,效率达0.88%,同比与PEDOT:PSS的器件效率提高了42%。电池效率的提升主要归因于NiOx具有比PEDOT:PSS更高效的电子/激子阻挡能力,同时NiOx的能级结构优于PEDOT:PSS的能级结构,NiOx具有低的VBM,与MDMO-PPV能形成良好的欧姆接触,降低了空穴传输的能量损失。
4.利用反胶束法和柠檬酸钠还原法制备了金纳米颗粒并应用到聚合物太阳电池中。胶束法制备的Au纳米颗粒的性质与旋涂的速率密切相关,在高转速下可获得分散性很好且尺寸均匀的Au纳米颗粒阵列。在ITO衬底上引入Au纳米颗粒阵列后,观察到明显的光吸收增强效果。利用柠檬酸钠还原法可不同直径的Au纳米颗粒,将其掺入到PEDOT:PSS层后实现了金属表面等离激元增强效果。电池的效率明显地提高,且增强效果与Au纳米颗粒的尺寸有密切联系。当Au纳米颗粒的尺寸为90 nm时,获得了本论文研究中的最高效率值3.59%,效率比不掺Au的电池提高了8%。当Au纳米颗粒掺入到ZnO层时,电池的效率有所下降,主要跟Au纳米颗粒引起的界面复合及ZnO/Al功函数的提高有关。