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有机共轭聚合物具有带隙结构多样且可调、高光敏性、高光子吸收效率、高柔性、加工成本低等优点;无机半导体材料具有高载流子迁移率、高力学稳定性、高热学稳定性、纳米材料形貌多样等优点。有机/无机复合半导体可以打破聚合物和无机半导体各自的界限,实现功能互补与优势协同。因此,这种新型复合材料在光伏器件方面展现出了广阔的应用前景,并且有机/无机复合光伏器件的成本有望降至可以大范围应用的水平。本文以制备低成本、高效率的有机/无机复合以及聚合物太阳能电池为研究目标,自主合成了多种新型无机纳米材料,并将其应用于有机/无机复合体异质结太阳能电池的研究,主要结果如下:
(1)首次合成了MDMO-PPV包覆PbS量子点及纳米棒,研究了MDMO-PPV在PbS纳米材料合成过程中所起的重要作用以及PbS量子点向纳米棒转变的生长机理。
(2)利用湿法化学的方法,分两步首次合成了SnS/SnO网状纳米结构体,利用XRD和HRTEM等技术手段对该纳米材料进行了较为详尽的表征。
(3)合成了多种可以应用于体异质结太阳能电池的纳米材料,如TiO2纳米管、Bi2S3纳米棒和SnS量子点。
(4)利用上述纳米材料,制备了有机/无机复合体异质结太阳能电池;详细研究了纳米材料的微观形貌、纳米材料的表面态以及纳米材料的吸收效率等因素对于太阳能电池性能的影响;从光电转换的各个过程,阐释了有机/无机复合体异质结太阳能电池的光电转换机理。研究表明,将纳米材料的维度从量子点扩展到网状纳米结构,可以提高载流子的传输效率,进而提高光伏器件的光电转换效率。利用染料N719修饰纳米材料表面,可以在提高激子的产生效率同时,提高激子的分裂效率。利用导电性能好的ACA修饰纳米材料表面,可以提高激子的分裂效率和载流子的传输效率。这些对于提高太阳能电池的性能大有裨益。
(5)制备了P3HT:PCBM体异质结太阳能电池,研究了退火工艺、双溶剂旋涂工艺以及光学缓冲层对太阳能电池性能的影响。研究表明,采用蒸铝后退火工艺、十二硫醇氯苯双溶剂旋涂工艺,可以提高聚合物的结晶度和吸收效率,进而提高光伏器件的光电转换效率。在有源层和铝电极之间插入ZnO缓冲层,可以提高有源层的吸收效率、阻挡空穴和传输电子,从而在上述基础上进一步提高器件的光电转换效率。