n-PCBM/p-Si杂化太阳电池的性能研究

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随着人类对能源的需求与日俱增,开发可再生清洁能源变得十分必要。因此,将太阳能转换为电能的太阳电池器件越来越受到人们的关注,开发低成本、高转换效率的太阳电池始终是新能源器件领域的前沿课题。在各类太阳电池中,有机-无机杂化太阳电池由于利用了无机半导体材料稳定性好、载流子迁移率高和工艺成熟等优势,也结合了有机半导体材料的成本低、可塑性强和溶液法制备工艺简单等优点,是一类极具发展潜力的低成本太阳电池,研究新型有机-无机杂化太阳电池具有重要的意义。在本论文研究中,我们以p型单晶硅为基底,以PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester,[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)为n型层,探索制备了n-PCBM/p-Si有机-无机杂化太阳电池。通过优化电池结构和制备工艺,提高了电池的性能。主要研究内容和所获得的研究结果如下:(1)探索出制备n-PCBM/p-Si杂化太阳电池的工艺路线,从实验上证明了Ag/n-PCBM/p-Si/Au杂化结构的可行性。研究了电池的器件性能,获得了短路电流密度(Jsc)为5.57 mA/cm2,开路电压(Voc)为0.40 V,填充因子(FF)为66.63%的杂化太阳电池。通过在顶部溅射ITO薄层作为透明导电电极,改善了电池窗口层的光吸收,电池的短路电流密度提高到了18.72 mA/cm2。(2)研究了空穴传输层MoOx(氧化钼,x≤3)的厚度、退火处理时间和退火处理温度等对n-PCBM/p-Si杂化太阳电池性能的影响。结果表明,当MoOx薄膜的厚度为10 nm,退火温度为200℃和退火时间为10 min时,太阳电池的器件性能达到最佳,Jsc为12.99 mA/cm2,Voc为0.42 V,光电转换效率(PCE)为3.06%。(3)研究了在顶部引入金属铜薄层对n-PCBM/p-Si杂化太阳电池性能的影响,发现金属铜薄层的引入改善了电池窗口层的光电特性,将杂化太阳电池的面积由0.3×0.3 cm2增加到1.3×1.3 cm2,依然获得了良好的光电转换特性。当铜薄层的厚度为8 nm时,电池窗口层达到最优化的方块电阻和透过率,Jsc为19.41mA/cm2
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