基于酞菁铜的太阳能电池的研究

论文摘要

随着经济的快速发展,能源问题已经成为世界各国经济发展遇到的首要问题。占地球总能量99%以上的太阳能,由于具有安全、无污染；取之不尽、用之不竭的优点而受到科学家们的青睐。近年来,太阳能电池作为太阳能资源利用的重要途径之一,已经引起了学术界的极大关注,并且取得了很大的发展。一直以来,太阳能电池的研究工作主要集中在提高电池的光电转换效率和降低成本方面。有机小分子材料酞菁铜作为一种典型的P型材料,对600～700 nm的可见光具有较强的吸收,且其载流子的迁移率较高,因此常常被用作有机太阳能电池中的给体材料。目前,基于CuPc的有机太阳能电池的实验室效率最高可达5.58%,但依旧无法与无机硅太阳能电池相比。通过改进器件结构、加深对器件传输机制以及界面的理解,都将有助于电池效率的提高。本论文是针对具体基于酞菁铜的太阳能电池的研究,主要在以下三个方面进行了有益地探索：1.采用CuPc掺杂的MEH-PPV作为电子给体,PCBM作为电子受体,制备了三种不同CuPc掺杂比例的体异质结太阳能电池,研究了CuPc掺杂对MEH-PPV:PCBM混合薄膜光电特性的影响。结果表明,CuPc掺杂使MEH-PPV:PCBM混合薄膜的紫外—可见吸收光谱在可见光区域得到了一定的拓展,从而使电池活性层对入射光子的吸收能力得到了进一步地增强。混合薄膜的荧光光谱分析也显示了光生激子的拆分得到了有效地提高。进一步对电池的电流—电压特性进行了测试,验证了CuPc可以作为电子给体对MEH-PPV进行掺杂来改善电池的性能,并分析得出最佳光电性能时的质量比。2.采用有机小分子材料CuPc作为电子给体,与绒面n型Si一起组建有机/无机复合太阳能电池,并且讨论了硅表面织构处理对太阳能电池光伏性能提高的重要作用。此外,还应用电化学阻抗谱技术研究了该电池的阻抗特性,建立了一个可以完整地描述电池结构的等效电路,并且与阻抗的理论模型相结合,对电池的阻抗谱图进行了分析,从而确定了电池中载流子的传输机制为e指数陷阱分布的空间电荷限制电流。3.采用化学湿法沉积,在导电ITO基底上制备了ZnO纳米棒阵列薄膜,利用Kelvin探针测试系统定量测量了ZnO纳米棒阵列的表面光伏响应与弛豫过程,并通过对其弛豫过程的分析获得了ZnO纳米棒阵列薄膜能级结构的特性。此外,还利用Kelvin探针技术测试了CuPc薄膜的光电行为以及它对ZnO纳米棒阵列薄膜光电行为的影响。并结合基于锁相放大器的光伏测试技术,讨论了外来还原性分子乙醇对CuPc/ZnO纳米棒阵列复合体系光电响应的影响,得到了一些有价值的结果和经验,为今后制备CuPc/ZnO纳米棒阵列复合太阳能电池提供了直接的借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 太阳能
• 1.1.1 太阳常数
• 1.1.2 大气质量
• 1.1.3 太阳光谱
• 1.2 太阳能电池
• 1.2.1 太阳能电池的工作原理
• 1.2.2 太阳能电池的分类
• 1.2.3 太阳能电池的一些重要特性
• 1.3 酞菁
• 1.3.1 酞菁化合物简介
• 1.3.2 酞菁在太阳能电池中的应用
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 实验设备与测试技术
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 真空蒸发设备
• 2.1.2 磁控溅射
• 2.1.3 旋涂设备
• 2.1.4 其它主要设备
• 2.2 测试技术
• 2.2.1 X射线衍射
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 吸收光谱
• 2.2.4 光致发光光谱
• 2.2.5 Kelvin探针
• 2.2.6 阻抗分析
• 2.2.7 电流-电压测试
• 2.2.8 其它主要测试手段
• 2.3 本章小结
• 3 CuPc掺杂对MEH-PPV:PCBM共混太阳能电池性能的提高
• 3.1 电池的制备
• 3.1.1 实验材料与试剂
• 3.1.2 电池的制备
• 3.1.3 表征所用到的仪器设备
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 电池活性层材料的吸收测试
• 3.2.2 电池活性层材料的PL谱分析
• 3.2.3 光电流作用谱测试与分析
• 3.2.4 电流电压特性的测试与分析
• 3.3 本章小结
• 4 CuPc/n-Si复合太阳能电池的研究
• 4.1 Si表面织构的制备及其表征
• 4.1.1 实验材料与试剂
• 4.1.2 Si表面陷光结构的制备
• 4.1.3 表征所用到的仪器设备
• 4.1.4 测试结果与讨论
• 4.2 CuPc/n-Si复合太阳能电池的制备和表征
• 4.2.1 实验材料与试剂
• 4.2.2 电池的制备
• 4.2.3 电池表征所用到的仪器设备
• 4.2.4 电池的表征结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 5 CuPc和ZnO纳米棒阵列体系的光电行为研究
• 5.1 ZnO纳米棒阵列光电行为的研究
• 5.1.1 实验材料与试剂
• 5.1.2 ZnO纳米棒阵列薄膜的制备
• 5.1.3 表征所用到的仪器设备
• 5.1.4 ZnO纳米棒阵列表征的结果
• 5.2 酞菁铜的表面光伏响应
• 5.2.1 实验材料与试剂
• 5.2.2 酞菁铜薄膜的制备
• 5.2.3 表征所用到的仪器设备
• 5.2.4 测试结果与讨论
• 5.3 CuPc对ZnO纳米棒阵列表面光伏的影响
• 5.4 乙醇对CuPc/ZnO体系光电性质的影响
• 5.4.1 乙醇对ZnO纳米棒阵列光电特性的影响
• 5.4.2 乙醇对CuPc和ZnO纳米棒阵列体系光电特性的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 本论文创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介