基于有机-无机杂化的双层异质结、体异质结及有序纳米阵列异质结光伏器件的研究

摘要

针对目前人类社会日益增长的能源需求，以太阳能为代表的新能源领域的研究受到越来越多的关注和支持。无机半导体材料光伏器件由于其较高的光电转换效率成为目前市场的主体;有机聚合物光伏器件由于其生产成本低，制作工艺简单受到比较大的关注。有机无机杂化光伏器件可以结合有机材料和无机材料各自的优点，因此成为研究的热门。本论文主要围绕有机无机杂化光伏器件的制备及其机理进行研究，从有机无机杂化双层异质结、有机无机杂化混合本体异质结、有机无机杂化有序本体异质结几种不同的异质结结构器件出发，探讨了有机无机杂化光伏器件的制备及机理的一些关键问题。
　　(1)采用非晶硅杂化聚合物聚（3-己基噻吩-2，5-二基）(简称P3HT)双层结构作为有机无机杂化双层异质结的研究对象进行光伏性能的研究。1）采用射频辅助等离子化学气相沉积技术制备了本征非晶硅、P型非晶硅、N型非晶硅三种材料，并测定了吸收光谱、折射率、及光学禁带宽度等参数;2）将其制备在聚合物P3HT薄膜的表面，形成聚合物/非晶硅杂化结构;并通过光学显微镜分析以及红外光谱结构鉴定了其成膜质量;3）以聚合物/非晶硅杂化结构构建了双层异质结杂化光伏器件并对其展开实验研究。分别从无机有机不同物理机制对影响该类器件的开路电压、激子解离、短路电流等方面的机理进行了分析。
　　(2)将炭黑纳米颗粒与聚合物P3HT进行杂化研究有机无机杂化混合本体异质结光伏器件性能。1）对两种不同的炭黑纳米材料的微观形貌、结晶结构进行了表征，并尝试采用表面活性剂来增加炭黑纳米颗粒的溶解分散性，从而制备杂化光伏器件;2）采用azomethineylide反应对炭黑纳米颗粒进行了化学改性，成功地将长链烷基嫁接到纳米颗粒的表面，在没有改变其基本特性的前提下实现了纳米材料的增溶;3）将化学改性的炭黑纳米颗粒掺杂到聚合物:富勒烯本体异质结光伏器件中，使得活性层的空穴迁移率提高一个数量级，从而提高了器件的光电转化效率。由此说明无机纳米颗粒对光伏器件性能的改善是有积极作用的。
　　(3)研究了有序氧化钛纳米管阵列的制备方法，并与聚合物P3HT、盘状分子2，9，16，23-四叔丁基29H，31H-酞菁铜（简称tb-CuPc）、3，4，9，10-四取代苝甲酸四甲酯（简称tm-Peryleneate）进行杂化制备新型的有序结构杂化材料。1）采用两电极阳极氧化法系统地研究了氧化钛纳米管生长过程中各种因素的影响;2）选择合适尺寸的氧化钛纳米管，采用真空负压的方法将聚合物P3HT材料灌注到氧化钛纳米管中，以制备有序异质结杂化材料并制备了光伏器件，使得光电转化效率提高了32％;3）分别研究并制备了盘状有机分子四叔丁基酞菁铜(tb-CuPc)或四取代苝甲酸四甲酯(tm-Peryleneate)与氧化钛纳米管阵列杂化的新型材料并研究了微观形貌。发现有序氧化钛纳米管阵列的诱导，可以有效地改变盘状分子的取向状态，使之从在基片上的edge-on(planar)分子取向改变为face-on(homeotropic)取向。这是一种有效改变盘状分子取向的新方法。

目录

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致谢

摘要

第一章 杂化结构太阳能电池概述及研究进展

1．1 引言

1．2 有机无机杂化光伏器件概述

1．2．1 光伏器件基本结构

1．2．2 光伏器件基本工作原理

1．2．3 光伏器件性能表征

1．3 有机无机杂化器件材料

1．3．1 有机聚合物材料

1．3．2 无机纳米材料

1．4 有机无机杂化光伏器件的发展及存在的问题

1．4．1 双层结构光伏器件

1．4．2 混合结构光伏器件

1．4．3 有序结构光伏器件

1．5 本文选题的意义及主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验材料及来源

2．2 杂化材料及薄膜表征

2．2．1 红外吸收光谱

2．2．2 紫外可见吸收光谱

2．2．3 扫描电子显微镜

2．2．4 透射电子显微镜

2．2．5 X射线衍射

2．2．6 光学显微镜

2．2．7 膜厚测量

2．2．8 差示扫描量热法

2．2．9 椭偏仪

2．2．10 循环伏安法

2．3 器件制备方法

2．3．1 等离子体增强化学气相沉积

2．3．2 真空热蒸发

2．3．3 射频磁控溅射

2．3．4 旋转涂覆法

2．4 器件测试设备

2．4．1 半导体特性分析

2．4．2 太阳光模拟器

2．4．3 太阳能电池光谱响应测量系统

第三章 非晶硅／聚合物杂化双层异质结光伏器件研究

3．1 引言

3．2 聚合物材料聚(3-己基噻吩)基本性质及表征

3．2．1 聚(3-己基噻吩)光吸收性能

3．2．2 聚(3-己基噻吩)热动力学过程测定

3．3 非晶硅薄膜的制备与表征

3．3．1 等离子化学气相沉积制备非晶硅

3．3．2 非晶硅膜层光谱表征

3．4 非晶硅与有机聚合物材料杂化膜层结构的制备及其稳定性

3．4．1 杂化膜层红外光谱鉴定

3．4．2 杂化膜层显微镜微观形貌

3．5 非晶硅和聚(3-己基噻吩)杂化光伏器件

3．5．1 非晶硅聚合物杂化光伏器件结构

3．5．2 非晶硅聚合物杂化光伏器件I-V响应

3．5．3 非晶硅聚合物杂化光伏器件光电流响应

3．5．4 非晶硅聚合物杂化光伏器件物理机制

3．6 本章小结

第四章 炭黑纳米颗粒／聚合物杂化混合异质结光伏器件研究

4．1 引言

4．2 炭黑纳米颗粒材料表征

4．2．1 炭黑纳米颗粒微观形貌表征

4．2．2 炭黑纳米颗粒晶体结构表征

4．3 表面活性剂增溶炭黑纳米颗粒及其杂化光伏器件晌应初探

4．3．1 炭黑纳米颗粒在不同溶剂中的溶解性探索

4．3．2 炭黑纳米颗粒的表面活性剂增溶

4．3．3 表面活性剂增溶alfa炭黑的光伏响应初探

4．3．4 表面活性剂增溶C11炭黑光伏器件初探

4．4 炭黑纳米颗粒接枝改性及其光伏器件的制备

4．4．1 炭黑纳米颗粒的接枝改性

4．4．2 改性炭黑纳米颗粒微观形貌及结晶形态

4．4．3 改性炭黑纳米颗粒杂化材料的光伏响应初探

4．5 本章小结

第五章 杂化有序本体异质结光伏器件研究

5．1 引言

5．2 有序TiO2纳米管阵列的制备

5．2．1 金属钛膜的制备及表征

5．2．2 电化学法制备氧化钛纳米管

5．2．3 不同反应条件对氧化钛纳米管生长的影响

5．2．4 小结

5．3 聚(3-己基噻吩)与氧化钛纳米管的杂化

5．3．1 聚(3-己基噻吩)与氧化钛纳米管杂化材料制备及检测

5．3．2 聚(3-己基噻吩)与氧化钛纳米管杂化有序本体异质结光伏器件

5．3．3 小结

5．4 四叔丁基酞菁铜与氧化钛纳米管的杂化

5．4．1 四叔丁基酞菁铜基本性质

5．4．2 四叔丁基酞菁铜与普通钛膜杂化微观形貌

5．4．3 四叔丁基酞菁铜与氧化钛纳米管阵列杂化的微观形貌

5．4．4 小结

5．5 四取代苝甲酸四甲酯与氧化钛纳米管的杂化

5．5．1 四取代苝甲酸四甲酯基本性质

5．5．2 四取代苝甲酸四甲酯与普通钛膜杂化微观形貌

5．5．3 四取代苝甲酸四甲酯与氧化钛纳米管阵列杂化微观形貌

5．5．4 小结

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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