基于聚合物及聚合物-非晶硅雜化薄膜太陽能電池的研究.pdf

1、聚合物太陽能電池以其環(huán)境友好、低成本、可以大規(guī)模制備以及可以在柔性器件上應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)受到人們巨大的關(guān)注。雖然聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率逐年提高，但是仍然有一系列的研究瓶頸需要克服，本論文圍繞新型聚合物太陽能電池的核心技術(shù)展開了一系列研究，主要包括如下幾部分內(nèi)容:
　　首先，本論文采用差示掃描量熱技術(shù)結(jié)合X射線衍射技術(shù)輔助分析，研究了聚3-己基噻吩(P3HT)的結(jié)晶生長及相分離的形成過程。研究發(fā)現(xiàn)該聚合物材料體系存在著與結(jié)晶溫度相

2、關(guān)、且具有相同晶體結(jié)構(gòu)但有序度不同的低溫與高溫相。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該聚合物在不同等溫結(jié)晶條件下，其高溫相與低溫相的比例，可以通過等溫結(jié)晶手段操控。X射線衍射分析進(jìn)一步提供了與溫度和時(shí)間相關(guān)的相分離證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)C60衍生物(PC61BM)摻雜的P3HT∶PC61BM材料的結(jié)晶行為變化也進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)摻雜后的體系同樣存在與結(jié)晶溫度和時(shí)間相關(guān)的低溫相與高溫相，且具有相同晶形。深入地了解聚合物的結(jié)晶行為，對(duì)有機(jī)聚合物太陽能電池材料的操

3、控具有重要指導(dǎo)意義。
　　第二，聚合物-非晶硅雜化薄膜太陽能電池結(jié)合了二者的低成本制備、可柔性化、非晶硅較高的載流子遷移率及穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。這在當(dāng)前太陽能電池研發(fā)中是一項(xiàng)新穎但具有挑戰(zhàn)性的的研究。
　　本論文研究首次在柔性襯底上制備了P3HT與非晶硅雜化薄膜，通過采用P3HT與本征型非晶硅薄膜(i-Si)、n型摻雜非晶硅薄膜(n-Si)、p型摻雜非晶硅薄膜(p-Si)分別雜化，制備了一系列雜化結(jié)構(gòu)太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)聚合物對(duì)光

4、電流的貢獻(xiàn)與雜化器件活性層順序有關(guān);然而，在以P3HT∶PC61BM代替P3HT為聚合物層并與非晶硅薄膜雜化的器件中，發(fā)現(xiàn)聚合物成為對(duì)雜化器件的光電流起主要貢獻(xiàn)的材料，且與活性層順序無關(guān)。
　　第三，本論文突破性地采用具有較高遷移率的聚合物聚（3，4-亞乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）(PEDOT∶PSS)作為聚合物層與非晶硅薄膜雜化，試圖克服載流子遷移率不匹配的問題。研究發(fā)現(xiàn)以PEDOT∶PSS/i-Si/n-Si作為活性層的雜

5、化器件的效果最佳，其短路電流密度提高至14.08 mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率提高至4.78％，為報(bào)道的同類聚合物-非晶硅雜化薄膜太陽能電池的最高值。該研究證明了平衡聚合物和非晶硅材料的載流子遷移率可以有效地提高聚合物/非晶硅雜化薄膜太陽能電池的光伏響應(yīng)。
　　第四，研究了在聚合物太陽能電池中的電荷傳輸層，即溶液制備、低溫條件熱處理的金屬氧化物薄膜氧化銦In2O3、氧化鋅ZnO和摻雜氧化鋅ZnO∶Al、ZnO∶Ag，并且首次研究了疊

6、層薄膜In2O3-ZnO、In2O3-ZnO∶Al和In2O3-ZnO∶Ag作為電子傳輸層的性能。采用吸收光譜、表面形貌及能譜等分析手段，研究了薄膜的帶隙和功函數(shù);進(jìn)一步構(gòu)建了底柵頂接觸晶體管，分析了疊層薄膜In2O3-ZnO、In2O3-ZnO∶Al和In2O3-ZnO∶Ag的載流子傳輸性能。將該系列金屬氧化物膜層應(yīng)用于倒置聚合物薄膜太陽能電池，所制備的電池獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　第五，本論文研究了以碘化亞銅(CuI(I