ZnO树状纳米阵列与共形结构杂化太阳能电池的设计、制备及性能研究

Organic-based photovoltaic cells have greatly attracted interest due to their potential for the potential realization of a low cost, easily processed and flexible renewable energy source. However, the main disadvantages associated with organic photovoltaic cells are low efficiency, low stability and low strength compared to inorganic photovoltaic cells. By mixing the inorganic materials, the hybrid solar cells keep both the advantage of the inorganic materials with high carrier mobility and stable chemistry and the merit of the organic materials with good flexibility, available machinability and high absorption coefficient, bringing the hybrid solar cells into one of the hot research topics in photovoltaic field. In this program, a nano-tree array system with backbones and branches will be designed and produced. In turn, the hybrid solar cells with a conformal structure from the nano-tree array will be fabrication. In the design, electrons transfer along the backbone, while holes transfer perpendicularly to it. The advantages of the nanorod array solar cells that the carrier pathways are straight and the polymer can infiltrate in the nanostructure will be kept. Furthermore, the limit that the height of the array can not exceed the thickness of the polymer will be broke through. In turn, both the load of the polymers and the interface area between inorganic and organic materials will increase, resulting in a remarkable improvement to the solar cell conversion efficiency. In the program, the effect of the growth condition of the ZnO nanostructure on the types, quantities and locations of the native defects will be further raveled. Moreover, the effects of the defect types and the defect locations on the properties of the solar cells will be explored. The ZnO nanostructure in the hybrid solar cells will be optimized, thus, the transfers of the electrons with high mobility in the ZnO material and the holes with low mobility in the polymer will be balanced, which will greatly improve the solar photovoltaic conversion efficiency and push on the commercial progress of the organic solar cells.

有机太阳能电池原料来源广泛价廉，制备工艺灵活简单，但转换效率偏低。而利用无机材料混合后的杂化太阳能电池，可发挥无机材料载流子迁移率高、化学稳定性好的优势和高分子材料柔韧性好、吸收系数高的特点，提高电池转换效率。本项目拟设计并制备具有主干和分支结构的纳米树阵列，组装成共形结构杂化太阳能电池。在设计中，电子沿主干纳米棒的轴向传输，空穴在聚合物中传输方向与主干垂直，这样既可保留纳米棒阵列所组装的太阳能电池中电子和空穴输送通道直接、聚合物渗透便利的优势，又可解除纳米棒阵列高度受聚合物最大厚度的限制，有效增加聚合物加载量和界面面积，有望实现转换效率的显著突破。项目将明确ZnO纳米结构的生长条件对晶体本征缺陷的影响，探索缺陷的种类与分布对电池性能的作用。通过合理调整纳米结构和晶体缺陷，使电池中ZnO纳米树阵列和共混聚合物的耦合更为匹配，提高太阳能电池的光电转换效率，推进有机太阳能电池的商业化进展。

项目背景：ZnO作为一种宽禁带（3.37 eV）和大激子结合能（60 meV）的II-VI族氧化物半导体，被广泛应用于各种领域，如压电转换、化学感应、催化、光伏、光电解水等。ZnO纳米结构可呈现出多种准一维形貌结构，如棒状、线状、管状及带状等。其制备手段也多种多样，包括蒸发-凝聚法、金属-有机物化学气相沉积法、水热法、分子束外延及电化学沉积等。近年来，人们对ZnO多级结构的研究主要集中在制备出更大比表面积的结构和在组装的器件上发掘更优的性能。.主要研究内容：本项目制备了具有分级结构的纳米阵列结构，首先，在透明导电玻璃基底上沉积出一维ZnO纳米棒有序阵列；然后，在纳米棒上通过溶胶-凝胶、原子气氛化学沉积、离子溅射等手段沉积一层ZnO种子层；之后，通过低温水热生长在沉积种子层后的纳米棒上制备出分支结构。该具有分支结构的纳米棒阵列，阵列的主干、分支的长度、直径都可调，甚至分支的生长方向也可以通过种子层沉积方式的不同和水热生长参数的调整进行改变。在太阳能电池的应用方面，通过调整P3HT：PCBM聚合物的溶液浓度、旋涂参数，在ZnO纳米树表面涂覆了一层厚度均匀，且具有与纳米树共形形貌的聚合物结构。对太阳能电池的性能表现与ZnO纳米结构的参数调整、ZnO晶体的结晶质量之间的关系进行了分析，优化工艺参数并在ZnO表面沉积钝化层改善了太阳能电池效率。在光电解水应用方面，由于分支纳米结构具有更大的比表面积，可以吸收更多的太阳光，为电荷在界面的分离提供更多的反应位点，并且耗尽层的面积更大，从而更有多的分离光生电子-空穴对。研究发现分支纳米结构相比纳米棒结构具有更多的光吸收、更小的电荷界面转移电阻，更优异的光电解水性能。.重要结果、关键数据及科学意义：在太阳能电池应用方面，制备的纳米树结构高度在2-3 μm，该高度下杂化太阳能电池的转换效率比较纳米棒结构效率提高35%，也优于文献报道的相似直径的纳米棒杂化太阳能电池效率，说明纳米树结构可有效分离聚合物产生的光生激子。在光电解水应用方面，制备的纳米树结构在1V的外加电压下，光电流密度为0.67mA cm-2，该值较纳米棒阵列的光电解水性能提高了139%，较文献中报道的ZnO纳米棒阵列的光电解水性能提高100-150%。此外，本项目中纳米树的制备时间最短约1小时，远低于其他文献中十余小时的制备时间，使本项目的纳米树更具工业化潜力。