基于氧化锌的倒置结构太阳能电池的性能研究

作     者：宋朋飞 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：印寿根;秦文静

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：有机太阳能电池 倒置结构 氧化锌 纳米棒阵列 寿命 

摘      要：有机太阳能电池(OSCs)由于其在产品制造中具有的轻薄、柔性、易于在低温和非真空环境中大面积制备等特点,展示了其在商业应用中的广阔前景。近年来,倒置结构的太阳能电池成为研究热点。这种结构的电池通常把ITO作为阴极,利用高功函数的金属作为阳极,利用半导体氧化物材料作为电子收集层,大大提高了有机太阳能电池在空气的稳定性。我们研究了基于氧化锌(ZnO)纳米结构的倒置太阳能电池的性能,通过旋涂法制备氧化锌纳米结构,成功制备了电池器件,并对结果进行了分析。 1.我们通过溶胶凝胶法在空气中制备了ZnO纳米颗粒结构薄膜,采用XRD、SEM等检测手段分析了ZnO纳米材料的晶体结构和形貌,利用紫外吸收可见光谱及荧光光谱分析了ZnO纳米材料的光学特性。利用纳米颗粒薄膜作为电子传输层,制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM /Ag的太阳能电池器件,器件的最佳效率为0.348%。通过对比不同电极(Al电极或PH500电极)的器件性能,认为ZnO纳米晶表面大量的缺陷和纳米晶之间的界面是造成电子传输障碍的主要因素,因此制约了电池的效率。指出了提高ZnO有机太阳能电池性能的两条路径,第一,通过生长ZnO纳米棒阵列,提高器件的电子传输路径;第二,通过增加电子阻挡层提高空穴传输与电子传输速率的匹配度。 2.我们通过水热法制备了ZnO纳米棒,研究了制备工艺对形貌的控制。通过种子层的密度来控制纳米棒的密度,通过反应时间来控制纳米棒的长度,我们初步得到了长度在100到200纳米之间,间隙为50纳米左右的ZnO垂直整列。利用ZnO纳米棒作为电子传输层,制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM /Ag倒置结构有机太阳能电池。通过改变实验参数和器件结构,最终得到的最佳效率为0.137%。分析了制约器件效率的因素,并提出了提高性能的可行思路。 3.我们利用ZnO纳米颗粒层为电子传输层,利用MoO作为电子阻挡层,制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO/Ag的有机太阳能电池器件。我们通过改变热退火温度和控制MoO的厚度,在MoO层的厚度为2nm时得到了最佳的器件效率。其能量转化效率为达到1.27%,比无MoO层的器件性能提高了近3倍。由于倒置结构的优势,该器件的寿命得到明显提高,比传统正置器件寿命提高了6倍。为下一步继续提高器件效率和得到具有优良空气稳定性的太阳能电池器件打下扎实基础。