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氧化镍纳米晶的合成及其在光电器件中的应用

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 NiO的基本性质

1.2.1 NiO的晶体结构

1.2.2 NiO的光电性质

1.2.3 NiO的气敏性质

1.2.4 NiO的电致变色性质

1.3 NiO的制备方法

1.3.1 磁控溅射(Magnetron Sputtering)

1.3.2 热喷雾法(Spray Pyrolysis technique,SPT)

1.3.3 脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)

1.3.4 化学气相沉积(chemical vapour deposition,CVD)

1.3.5 溶胶-凝胶法(Sol-gel)

1.3.6 溶液法(Solution)

1.4 体异质结有机太阳能电池的研究进展

1.4.1 基于PEDOT:PSS的有机太阳能电池

1.4.2 NiO基有机太阳能电池

1.5 ITO纳米晶

1.5.1 ITO的光学性能

1.5.2 ITO纳米晶的表面等离子体共振

1.5.3 溶液法合成ITO纳米晶的研究现状

1.6 课题意义与研究内容

第二章 实验原理方法及表征手段

2.1 实验试剂与设备

2.1.1 实验装置

2.1.2 实验试剂

2.2 NiO纳米晶的合成与光电器件制备

2.2.1 NiO纳米晶的合成

2.2.2 旋涂法制备NiO纳米晶薄膜

2.2.3 NiO基光电器件制备

2.2.4 ITO纳米晶的合成

2.3 测试手段及原理

2.3.1 透射电子显微镜(TEM)

2.3.2 X射线衍射(XRD)

2.3.3 紫外-可见-近红外吸收(UV/VIS/NIR)

2.3.4 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

2.3.5 电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)

2.3.6 X射线光电子能谱(XPS)、紫外光电子能谱(UPS)

2.3.7 原子力显微镜(AFM)

2.3.8 太阳能电池性能测试仪

2.3.9 发光二极管性能测试系统(PLED measurement system)

第三章 NiO纳米晶的合成、表征及机理研究

3.1 NiO纳米晶的基本表征

3.1.1 NiO纳米晶的XRD分析

3.1.2 NiO纳米晶的TEM分析

3.1.3 NiO纳米晶的HRTEM分析

3.1.4 不同反应时间段的的FTIR分析

3.2 LiSt在NiO纳米晶合成中的作用和机理

3.2.1 硬脂酸镍的醇解

3.2.2 LiSt对NiO纳米晶还原的抑制

3.2.3 LiSt抑制NiO纳米晶还原的机理

3.3 LiSt在纳米晶合成中的普适性

3.3.1 LiSt抑制NiO纳米晶在胺解反应中的还原

3.3.2 NaSt抑制NiO纳米晶的还原

3.3.3 LiSt抑制Cu2O纳米晶的还原

3.4 本章小结

第四章 NiO纳米晶在光电器件中的应用

4.1 NiO薄膜的性能表征

4.1.1 NiO薄膜的UV测试

4.1.2 NiO薄膜的AFM测试

4.1.3 NiO薄膜的XPS测试

4.1.4 NiO薄膜的UPS测试

4.2 NiO基有机太阳能电池的性能表征

4.2.1 器件结构图

4.2.2 有机太阳能电池性能表征

4.3 NiO基高分子聚合物发光二极管的性能表征

4.3.1 器件结构图

4.3.2 高分子聚合物发光二极管性能表征

4.4 本章小结

第五章 ITO纳米晶的合成及反应机制研究

5.1 前驱体反应路径

5.2 ITO纳米晶的表征

5.3 尺寸对ITO纳米晶LSPR的影响

5.4 Sn掺杂浓度对ITO纳米晶LSPR的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

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摘要

溶液工艺的光电器件具有工艺简单、可大规模生产、重复性好、环境稳定性好、可在柔性衬底上加工等优点。溶液法合成的NiO和ITO纳米晶晶体质量高、单分散性好,可用于溶液工艺制备的光电器件。本文主要研究内容如下:
  1.采用溶液法合成纯相、单分散性好的NiO纳米晶。通过在Ni(St)2的醇解和胺解的反应体系中加入LiSt,有效阻止了NiO纳米晶的还原,得到尺寸2-5 nm的NiO纳米晶;LiSt在醇和油胺溶液中稳定存在,当Ni(St)2反应生成NiO纳米晶后,LiSt链接到NiO纳米晶表面,由于LiSt反应活性低,降低了NiO纳米晶的反应活性,使NiO纳米晶不被还原,LiSt做为保护配体有效阻止NiO纳米晶的还原;NaSt具有同LiSt相似性质,也可有效抑制NiO纳米晶的还原;在Cu(acac)2胺解体系中,LiSt也可有效抑制Cu2O的还原。
  2.采用旋涂法溶液工艺制备NiO薄膜,并将薄膜热处理后应用于有机太阳能电池和高分子聚合物发光二极管做空穴传输层。旋涂法得到NiO薄膜透过率在90%以上,表面均方根粗糙度为3.6 nm,有较高的功函数5.2±0.1 eV;相比于PEDOT∶ PSS基有机太阳能电池,NiO基器件有更大的短路电流、填充因子、外量子效率和光电转换效率,能量转换效率(PCE)达到6.3%,高于PEDOT∶ PSS基器件的5.2%,有22%的提升;NiO基高分子聚合物二极管也具有更大的外量子效率和光亮度,最大光亮度13500 cd/m2,并可制备柔性器件。
  3、采用热注入法合成高质量、单分散性好的ITO纳米晶,纳米晶尺寸为11.4±1.1nm。FTIR分析表明,在反应过程中,2-乙基己酸和醋酸铟置换反应生成活性较低的2-乙基己酸铟,2-乙基己酸铟和2-乙基己酸亚锡胺解生成ITO纳米晶;多次热注入合成高质量的大尺寸ITO纳米晶,尺寸增大的同时,LSPR峰位基本保持不变;调节Sn掺杂浓度从3%到30%,ITO纳米晶的LSPR峰位从2100 nm蓝移到1680 nm,再红移到1930 nm,在10% Sn掺杂时,有最高载流子浓度,最短共振波长,同时ITO纳米晶尺寸减小。

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