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新型结构异质结太阳能电池的研究

沈亮  
【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%。


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