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硫族半导体材料在光伏器件上的应用

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第一章 绪论

1.1 能源短缺与太阳能开发

1.2 硫族化合物光电材料在光伏方面的应用及其特点

1.3 太阳能电池的常用表征方法

1.4 我所研究的内容及其意义以及本论文的篇章布局

参考文献

第二章 材料合成

2.1 PbS量子点的合成及其表征

2.2 CdSe QDs与CdSe NTs的合成与表征

2.3 本章小结

参考文献

第三章 PbS薄膜光电器件

3.1 PbS器件研究简要

3.2 PbS薄膜光电器件的制备

3.3 PbS器件空穴提取薄膜材料对电池性能的影响

3.4 电子提取膜层对器件质量的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 CdSe与P3HT共混的有机无机复合薄膜光电器件

4.1 有机无机复合光电器件简介

4.2 器件构造所需材料的合成与制备——P3HT 纳米线和CdSe纳米四脚体的合成

4.3 CdSe四脚体和P3HT混合制作器件流程

4.4 CdSe与P3HT共混的有机无机复合薄膜光电器件的性能分析

4.5 本章小结

参考文献

第五章CdSe QDs薄膜作为电子提取膜层用于钙钛矿电池的研究

5.1 CH3NH3PbI3太阳电池的发展现状、前景与存在问题

5.2 CH3NH3PbI3电池原材料的合成

5.3 CdSe QDs作为电子提取膜层制作CH3NH3PbI3太阳电池

5.4 CdSe QDs作为电子提取膜层的CH3NH3PbI3电池分析

5.5 本章小结

参考文献

总结与展望

1、总结

2、展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与参与活动

一、发表文章

二、参会

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摘要

我们的工作先后经过了材料合成、器件设计、器件初步测试以及各层的深一步优化等研究步骤。最终我们成功的得到高性能光电器件,并对器件的特质做出了理论分析。材料本身的特质和不同膜层能带等电学特性匹配情况左右着最终电池的性能。这些观点的得出是建立在分析前后不同实验中的器件以及同批不同结构器件所得出的经验与实验结论上的。比如通过分析包含不同活性层的实验,采用不同缓冲层的实验。各种各样的材料将生成千差万别的界面,这就是说材料本身的光电特质和微观构成将直接影响器件的性能。也就是说膜层的微观构型左右着器件性能,因此选择活性层和选择缓冲层是提高器件质量的重要方法。PbS和CdSe同有机物聚合物以及硅材质相比可以采用溶液处理法生产,这是后者不具有的长处。光电池通过采用窄带隙材料PbS或CdSe可以捕获包括部分近红外的大部分太阳光能。PbS和CdSe具有较高介电常数,因而拥有大的激子扩散半径。但是PbS因其较小的的带隙被理论所偏见,CdSe也有相似情况。还好研究证实通过改变微粒尺度,增加量子禁闭,他们的带隙大小可以进行有效调整。制备器件所要求的PbS和CdSe纳米粒子通过该文章中的方法很成功的合成出来。
  反式结构PbS QDs电池用层层沉积技术制得。巯基小分子可以一定程度的替换掉油酸等多碳链状分子获得大的电子耦合。实验采用巯基丙酸来建造PbS QDs太阳能器件。已有实验表明它的使用确实可以提高量子点器件的光电性能。加热能方便的移除低沸点残留物比如甲醇,使得发生了随机位移的原子回到晶格原位。这样得到了可喜的器件稳定时间。高效PbS QDs(quantum dot)太阳电池,往往需要一种高温下制作的无机材料做缓冲层,而这与工业生产优选的卷对卷生产工艺不兼容。选择合适的缓冲层材料并用高效的方法构造器件显得尤其重要。在这里,我们构造了反式结构PbS QDs太阳电池,并选用PEDOT:PSS(poly(thiophene)(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate))作为空穴提取薄膜。在多次重复实验后,平均效率达到了4.1%。我们证明了通过使用不同的缓冲层可以明显提高PbS器件的性能。引入的PEDOT和NiO缓冲层与PbS量子点层形成了很好的能带匹配及阻抗匹配。这种界面和阻抗的共同优化对提高器件性能有积极影响,我们用这种方法得到了Voc=0.48V, Jsc=20.1mA/cm2, FF=43.2%,PCE=4.1%的代表性器件。电化学以及光电表征表明与高温退火处理的NiO和V2O5缓冲层相比,低温处理的PEDOT:PSS缓冲层具有能高效注入及收集由PbS QDs活性层产生的载流子的优良兼容性。我们的工作为经济容易的构造量子点器件提供了一种前景广阔的策略。
  建造高效的体异质结太阳电池对有机/无机太阳电池尤为重要。在此工作中,我们合成了P3HT纳米线和CdSe纳米四脚体,两种优良高效的电荷传输材料同时被我们选用。与传统的P3HT分子相比,结晶制得的P3HT纳米线实现了活性层更强的光吸收和电荷传输能力。两种纳米结构材料的相互渗透时的太阳电池的效率达到了1.7%,这与传统的以P3HT分子为电子给体的器件相比效率提高了42%。该研究为有机/无机器件发展带来新颖的结构。
  而且我们成功展示了以CdSe为电子传输/提取层的平面结CH3NH3PbI3电池。通过我们的改进工作,验证了ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/CdSe/Ag这一全新的器件结构设计是科学的,一个达到14%的效率被我们的实验所证明是可以实现的。CdSe纳米晶具有高的电子迁移率以及可以低温溶液处理,因而被我们用作CH3NH3PbI3器件的电子提取层。结果表明CdSe纳米晶是一种高效的电子传输/提取材料,用之代替PCBM可以有效降低器件的花费,这为钙钛矿阴极电荷提取功能层的设计提供了新的参考。

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