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纳米ZnO基有机/无机复合光伏器件研究

作　者: 王丽丹
导　师: 申德振；赵东旭
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 凝聚态物理
关键词: 纳米结构氧化锌有机/无机复合紫外探测器高选择性太阳能电池量子点敏化能量转换效率
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

ZnO是一种宽禁带直接带隙的半导体材料,在紫外发光与激光、探测器和太阳能电池等很多方面都具有非常广泛的应用。并且与其它材料相比,ZnO具有多种一维纳米结构,这些纳米结构具有较大的比表面积,并且是单晶结构,从而成为制备新型纳米光电器件的构筑单元。本论文就是利用ZnO一维纳米结构的这些特点,设计并制备了有机/无机复合结构光伏器件。并通过在界面处引入CdS和PbS量子点,有效的提高了太阳能电池的效率。论文工作中取得的主要结果如下:1.采用电化学沉积的方法生长了ZnO纳米棒阵列,并通过对籽晶层、反应时间和反应溶液的浓度等参数的调节,初步实现了ZnO纳米棒密度、尺寸和长径比的可控生长。2.采用电化学沉积方法制备的ZnO纳米棒和聚乙烯咔唑(PVK)成功的制备了具有类p-n结结构的ZnO/PVK复合紫外探测器,并利用ITO,ZnO和PVK特定的吸收位置获得了具有高选择性的紫外响应。这种探测器的响应峰值位于365 nm,响应度可达110 mA/W,响应峰半高宽仅为26 nm。3.在带有ZnO籽晶层的ITO玻璃上,用电化学沉积的方法生长ZnO纳米棒,与聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV)成功制备了类p-n结结构的有机/无机复合的太阳能电池器件。通过采用化学浴方法在有机无机界面处引入不同的CdS量子点,显著提高了太阳能电池器件的效率。其中六次生长的CdS量子点的电池效率可达到0.65%,是未经敏化电池效率的6.5倍。并发现随着CdS量的增加,电池的效率是先增加后减小,在利用生长六次的CdS量子点进行敏化的电池效率达到了最大值。4.通过引入带隙更窄、吸收范围更宽的PbS量子点作为敏化层,利用ZnO纳米棒和MEH-PPV制备了有机/无机复合的太阳能电池器件。其中利用生长四次的PbS量子点进行敏化的电池效率可达到0.42%,是未经敏化电池效率的四倍多。并发现由于PbS量子点之间的导电性不好,很大程度限制了光生载流子的传输,器件的短路电流的较低,导致PbS量子点敏化的太阳能电池的转换效率并不高。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-29
  1.1 能源危机  11-12
  1.2 太阳能电池  12-15
    1.2.1 硅基太阳能电池  12-13
    1.2.2 薄膜型无机化合物太阳能电池  13-14
    1.2.3 有机太阳能电池  14-15
    1.2.4 染料敏化太阳能电池  15
  1.3 紫外探测器  15-17
  1.4 纳米氧化锌材料的基本性质、生长方法及应用  17-23
    1.4.1 纳米ZnO 材料的基本性质  17-19
    1.4.2 纳米ZnO 材料的生长方法  19-21
    1.4.3 纳米ZnO 材料的应用  21-23
      1.4.3.1 紫外探测器件  21
      1.4.3.2 光电器件的单片集成  21
      1.4.3.3 与氮化镓互作缓冲层  21-22
      1.4.3.4 太阳能电池  22-23
  1.5 硫化镉和硫化铅量子点在太阳能电池中的作用及合成方法  23-25
  1.6 有机无机复合光伏器件  25-26
  1.7 课题的提出  26-29
第2章纳米结构的性能表征和太阳能电池及探测器的性能表征  29-51
  2.1 纳米结构常用的性能表征方法  29-38
    2.1.1 X 射线衍射 (XRD)  29-31
    2.1.2 扫描电子显微镜(SEM)  31-33
    2.1.3 透射电子显微镜(TEM)  33-36
    2.1.4 微区光致发光测试( PL 谱测试)  36-37
    2.1.5 吸收和透射光谱  37-38
  2.2 太阳能电池的基本原理与主要性能参数  38-46
    2.2.1 光伏效应  38-40
    2.2.2 Air Mass (AM) 概念  40-42
    2.2.3 太阳能电池的基本原理与主要参数  42-46
  2.3 紫外探测器的主要参数  46-51
    2.3.1 量子效率η  47
    2.3.2 响应度R  47-48
    2.3.3 光谱响应  48-51
第3章氧化锌纳米结构的可控生长  51-63
  3.1 氧化锌籽晶薄膜对电化学沉积氧化锌纳米棒的影响  51-57
    3.1.1 在ITO 玻璃上利用电化学沉积方法直接生长的ZnO 纳米棒  51-55
    3.1.2 采用ZnO 籽晶层化学沉积生长的ZnO 纳米棒  55-57
  3.2 不同反应时间和不同溶液浓度对电化学沉积氧化锌纳米棒的影响  57-62
  3.3 本章小结  62-63
第4章具有高选择性的纳米氧化锌基复合紫外探测器  63-73
  4.1 样品的制备  63-65
    4.1.1 ZnO 纳米棒的制备  63-64
    4.1.2 有机层的旋涂  64-65
    4.1.3 金属电极的蒸镀  65
  4.2 纳米氧化锌基紫外探测器性能测试  65-72
    4.2.1 ZnO/PVK 复合结构的PL 谱测试与PL 发光寿命测试  65-68
    4.2.2 ZnO/PVK 复合紫外探测器的I-V 曲线测试  68
    4.2.3 ZnO/PVK 复合紫外探测器的响应曲线测试  68-72
  4.3 本章小结  72-73
第5章硫化镉量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池  73-89
  5.1 样品的制备  73-82
    5.1.1 ZnO 纳米棒的制备  73-74
    5.1.2 CdS 量子点的生长  74-81
    5.1.3 有机层的旋涂  81-82
    5.1.4 金属电极的蒸镀  82
  5.2 硫化镉量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池的性能表征  82-88
    5.2.1 太阳能电池器件的I-V 曲线测试  83-86
    5.2.2 太阳能电池器件的IPCE 谱  86-88
  5.3 本章小结  88-89
第6章硫化铅量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池  89-101
  6.1 样品的制备  89-96
    6.1.1 ZnO 纳米棒的制备  89-90
    6.1.2 PbS 量子点的生长  90-96
    6.1.3 有机层的旋涂  96
    6.1.4 金属电极的蒸镀  96
  6.2 硫化铅量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池的性能表征  96-100
  6.3 本章小结  100-101
第7章结论  101-103
参考文献  103-111
在学期间学术成果情况  111-112
指导教师及作者简介  112-113
致谢  113

纳米ZnO基有机/无机复合光伏器件研究

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