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新型结构异质结太阳能电池的研究

作　者: 沈亮
导　师: 陈维友
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 异质结激子开路电压短路电流填充因子能量转化效率
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

我们利用溶胶-凝胶法,通过烧结制备了纳米晶二氧化钛薄膜。使用聚3己基噻吩(P3HT)和水溶性聚噻吩(PEDOT)作为电子给体,二氧化钛(TiO2)作为电子受体,制作了异质结薄膜太阳能电池器件。我们探讨了激子形成机制,电子-空穴分离过程,电极收集电荷机理,材料的能级匹配。并对光电性能进行了比较,优化了器件厚度。为了提高器件的性能,使用二甲苯,氯仿,氯苯三种不同的溶剂溶解P3HT。我们使用AFM对P3HT的表面形貌进行了表征,发现二甲苯和氯仿溶解的P3HT的表面粗糙度很大,没有形成平整的薄膜。我们使用了聚乙二醇(PEG)掺杂TiO2溶胶,烧结后利用扫面电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察形貌,发现薄膜表面形成了很多纳米孔。这样大大提高了与导电聚合物的接触面积,有更多的激子产生在界面出分离,提高了器件的短路电流密度和能量转换效率。为了提高器件的性能,我们制作了三明治结构的器件,具体为ITO/TiO2/CuPc/P3HT/Au。酞菁铜(CuPc)是一种小分子P型有机材料。在400-500nm及600-700nm波段有两个吸收峰,而P3HT在500-600nm有一个强吸收峰。这样,整个器件的吸收谱拓展到整个可见光范围,大大提高了对光的利用率。CuPc的能级与TiO2和P3HT匹配,既是光敏化层又充当电子给体。当CuPc的厚度为20nm时,器件的性能达到最佳。在AM1.5G标准太阳光照下,开路电压Voc=0.6V,短路电流Isc=2.22mA/cm2,填充因子FF=0.45,能量转化效率PCE=0.66%。为了提高器件的性能,我们利用TiO2作为电子传输层,使用C60的衍生物PCBM与P3HT共混形成体异质结,选用CuPc作为空穴传输层,制作了反型的体异质结太阳能电池。光照下有源层产生电子-空穴对在界面处分离,作为N型半导体的纳米TiO2薄膜传导分离的电子至阴极,作为P型半导体的CuPc传导分离的空穴至阳极,减少了激子复合。CuPc作为一种小分子材料,迁移率高,提高光生电流;作为一种金属络合物,可以平整有源层表面的粗糙度,改善有源层与金属电极的接触,减小电池的串联电阻。当CuPc的厚度为10nm时,器件的性能达到最佳。开路电压Voc=0.54V,短路电流Isc=5.86mA/cm2,填充因子FF=0.53,能量转化效率PCE=1.65%。

全文目录

内容提要  4-11
第一章绪论  11-48
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 太阳能  13-16
    1.2.1 太阳能的实质  13-14
    1.2.2 日照量  14-15
    1.2.3 太阳辐射光谱  15-16
  1.3 太阳能电池发展历程  16
  1.4 太阳能电池的分类  16-21
    1.4.1 按电池结构分类  16-17
    1.4.2 按照光电转换机理分类  17
    1.4.3 按照组成的材料分类  17-21
  1.5 太阳能电池的工作原理  21-24
    1.5.1 P-N结  21-22
    1.5.2 无机太阳能电池的工作原理  22-24
  1.6 无机太阳能电池的理论及其参数  24-31
    1.6.1 理想太阳电池  25-27
    1.6.2 太阳电池的短路电流  27-28
    1.6.3 太阳电池的开路电压  28
    1.6.4 太阳电池的填充因子  28-29
    1.6.5 太阳能电池的效率  29
    1.6.6 太阳能电池的光谱特性  29-30
    1.6.7 太阳能电池的串联电阻  30
    1.6.8 太阳能电池的并联电阻  30-31
    1.6.9 材料禁带宽度E_g与效率关系  31
  1.7 有机聚合物太阳能电池基本原理  31-34
    1.7.1 光生载流子的产生  32
    1.7.2 光生载流子的传输、复合与收集  32-33
    1.7.3 有机太阳能电池中的激子  33-34
  1.8 有机聚合物太阳能电池的优点  34
  1.9 有机太阳能电池的结构  34-36
  1.10 有机材料太阳能电池的国内外研究现状  36-42
    1.10.1 双层异质结结构太阳能电池的国内外研究现状  36-38
    1.10.2 混合异质结结构太阳能电池的国内外研究现状  38-42
  1.11 本论文的主要工作  42-44
  参考文献  44-48
第二章有机聚合物材料和纳米二氧化钛的研究  48-75
  2.1 聚合物材料简介  48-49
    2.1.1 聚合物材料的分类  48
    2.1.2 聚合物材料的物理性能  48-49
    2.1.3 聚合物材料的化学性能  49
  2.2 导电聚合物材料  49-54
    2.2.1 导电聚合物材料的分类  49-50
    2.2.2 导电机理  50-51
    2.2.3 π共轭导电聚合物材料  51-52
    2.2.4 导电聚合物材料的应用  52-54
  2.3 有机半导体材料的光电性质  54-61
    2.3.1 分子价电子和分子轨道的特性  54-57
    2.3.2 电子能级和电子跃迁  57-58
    2.3.3 激发态能量转移理论  58-61
  2.4 二氧化钛薄膜的制备  61-65
    2.4.1 纳米二氧化钛的基本特性  61-62
    2.4.2 利用溶胶－凝胶法制备TiO_2的反应机理  62-64
    2.4.3 化学试剂  64
    2.4.4 TiO_2溶胶凝胶的制备过程  64-65
    2.4.5 涂膜过程  65
    2.4.6 热处理过程  65
  2.5 TiO_2固体薄膜的表征  65-72
    2.5.1 样品的表征方法  65-69
    2.5.2 TiO_2固体薄膜的XRD表征与分析  69-70
    2.5.3 TiO_2固体薄膜的AFM表征与分析  70
    2.5.4 TiO_2固体薄膜的SEM表征与分析  70-71
    2.5.5 TiO_2固体薄膜的吸收谱测量及分析  71-72
  2.6 本章小结  72-73
  参考文献  73-75
第三章双层结构异质结太阳能电池的研究  75-93
  3.1 电子给体材料P3HT, PEDOT的性质  75-76
    3.1.1 P3HT的简介  75
    3.1.2 PEDOT的简介  75-76
  3.2 ITO/TiO_2/P3HT/Au器件的结构设计与能级分析  76-77
    3.2.1 器件结构  76
    3.2.2 能级分析  76-77
  3.3 ITO/TiO_2/P3HT/Au结构太阳能电池的制作  77-80
    3.3.1 ITO导电玻璃的处理  77-78
    3.3.2 ITO 纳米晶二氧化钛薄膜的制备  78
    3.3.3 P3HT聚合物薄膜的制备  78-79
    3.3.4 金电极的制备  79-80
  3.4 器件的参数测量  80-82
    3.4.1 暗电流曲线  80-81
    3.4.2 光电流曲线  81-82
    3.4.3 器件的吸收光谱  82
  3.5 机理分析  82-84
  3.6 P3HT在不同溶剂下对器件性能的影响  84-86
  3.7 ITO/TiO_2/PEDOT/Au器件的结构设计与能级分析  86-87
    3.7.1 结构设计  86-87
    3.7.2 能级分析  87
  3.8 制作流程  87-88
  3.9 器件的参数测量  88-89
    3.9.1 暗电流曲线  88-89
    3.9.2 光电流曲线  89
  3.10 TiO_2表面形貌对电池性能的影响  89-91
  3.11 本章小结  91-92
  参考文献  92-93
第四章 CuPc光敏化的双层结构太阳能电池的研究  93-107
  4.1 CuPc的介绍  93-97
    4.1.1 CuPc的性质  93-95
    4.1.2 CuPc在太阳能电池中的应用  95-97
  4.2 器件制作的结构设计及能级分析  97-98
    4.2.1 器件结构  97
    4.2.2 器件能级分析  97-98
  4.3 器件的制作  98-99
  4.4 器件的参数测量  99-101
    4.4.1 暗电流曲线  99-100
    4.4.2 光电流曲线  100-101
    4.4.3 器件的吸收光谱  101
  4.5 CuPc厚度对器件性能的影响  101-103
  4.6 机理分析  103-104
    4.6.1 使用CuPc的原因  103
    4.6.2 光电转换过程  103-104
  4.7 本章小结  104-105
  参考文献  105-107
第五章反型结构本体异质结太阳能电池的研究  107-125
  5.1 PCBM的介绍  107-108
  5.2 反型结构的体异质结太阳能电池  108-110
    5.2.1 反型结构的由来  108
    5.2.2 反型结构的发展状况  108-110
  5.3 器件结构设计与能级分析  110-111
    5.3.1 器件结构  110
    5.3.2 能级分析  110-111
  5.4 ITO/nc-TiO_2/P3HT:PCBM/Au结构器件的制作  111-113
    5.4.1 ITO层与TiO_2层的制作  111
    5.4.2 有源层的制备  111-112
    5.4.3 Au电极的制备  112-113
  5.5 器件的参数测量  113-115
    5.5.1 暗电流曲线  113-114
    5.5.2 光电流曲线  114
    5.5.3 TiO_2/P3HT:PCBM的吸收光谱  114-115
  5.6 机理分析  115-116
  5.7 使用CuPc作缓冲层的器件结构和能级分析  116-117
    5.7.1 器件结构  116
    5.7.2 能级分析  116-117
  5.8 ITO/nc-TiO_2/P3HT:PCBM/CuPc/Au结构器件的制作  117-118
  5.9 器件的参数测量  118-120
    5.9.1 暗电流曲线  118-119
    5.9.2 光电流曲线  119
    5.9.3 吸收光谱  119-120
  5.10 机理分析  120
  5.11 CuPc的厚度对器件性能的影响  120-122
    5.11.1 光电流曲线  121
    5.11.2 机理分析  121-122
  5.12 本章小结  122-123
  参考文献  123-125
第六章全文总结和展望  125-127
致谢  127-128
攻读博士期间发表的论文  128-130
中文摘要  130-132
Abstract  132-134

新型结构异质结太阳能电池的研究

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