【摘 要】
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太阳能电池领域,硅材料占据了主体地位,但高昂的成本限制了传统硅电池产业化的步伐,如何能够有效地降低其研究和生产的成本则是太阳电池能否被大规模、广泛应用的关键所在。因此,可以用简单的低温溶液法处理的硅基有机/无机杂化太阳电池吸引了广泛的研究。硅基有机/无机杂化太阳电池可以结合这两类材料的特性,既可以利用无机材料的高稳定性、高载流子迁移率和成熟的制备工艺,也可以兼容有机材料分子结构的可塑性、调节光谱吸
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太阳能电池领域,硅材料占据了主体地位,但高昂的成本限制了传统硅电池产业化的步伐,如何能够有效地降低其研究和生产的成本则是太阳电池能否被大规模、广泛应用的关键所在。因此,可以用简单的低温溶液法处理的硅基有机/无机杂化太阳电池吸引了广泛的研究。硅基有机/无机杂化太阳电池可以结合这两类材料的特性,既可以利用无机材料的高稳定性、高载流子迁移率和成熟的制备工艺,也可以兼容有机材料分子结构的可塑性、调节光谱吸收和光学带隙,还可以通过简便的溶液加工的方法(例如旋涂沉积、喷墨印刷、浸蘸沉积等)很容易地将有机层沉积到硅材料的表面形成有机/无机异质结,避免高温过程对结区的不利影响,有望实现低成本制备高效率太阳电池。由于硅表面对阳光的反射很大,且一般的有机物减反射效果有限,目前大部分研究者的目光都集中在对硅表面的处理上,而对于提高有机物的减反射率的研究则鲜有报道。基于此,本文合成了新型的N型共轭聚合物,通过加入纳米氧化锌(ZnO)解决有机物低导电率和折射率的问题,不仅能够和硅之间形成PN结,还可以形成可渐变折射率的叠层减反射膜,提高器件对光的利用率。具体内容如下:(1)通过Suzuki缩聚法合成了N型可交联性共轭聚合物(命名为“cPFNSO”)。该聚合物以聚芴为主链,并引入能够降低LUMO能级的S,S-二氧-二苯并噻吩(SO)单元,侧链中引入可交联基团(氧杂环丁烷基团)以及对阴极具有修饰作用的胺基。探究了调节SO单元的比例对聚合物光电性能的影响。结果表明,SO单元能够提高聚合物的分解温度,降低LUMO能级和光学能隙Eg,利于电子的抽取与传输,且不影响薄膜在可见光区域的透过率。该聚合物能热交联,经热交联后具有抗溶剂性,具有通过溶液加工法制备叠层薄膜的潜力。(2)根据密度泛函理论,对聚合物cPFNSO的光电性能进行了模拟计算。结果表明:氧杂环丁烷基侧链对芴类材料的能级、吸收光谱几乎没有影响;胺基侧链是供电子单元,SO单元是缺电子单元,两者共同接入芴的主链可以加强分子间的电荷转移,并且降低LUMO能级,使得Eg降低,有利于电子的传输;吸收光谱随SO单元的引入而进一步红移。(3)通过两次金属辅助湿法化学刻蚀法,在金刚线切割多晶硅片表面制备均匀的、低反射率的纳米类金字塔织构,研究表明:预处理液B中H2O2的浓度为1%,Ag NO3溶液浓度为0.03 mol/L,碱液修正刻蚀时间为2分钟时,硅表面的反射率最低。将导电共轭聚合物cPFNSO与掺铝ZnO纳米材料混合,形成一种高电子传输性、宽光谱高透光性、折射率可控和减反射功能协同的N型薄膜结构。将其与具有纳米类金字塔织构的金刚线切割多晶硅形成PN结,制备具有渐变折射率叠层减反射膜的有机/无机杂化太阳电池,电池的最高光电转换转化率为16.4%。
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