一种无机纳米柱阵列/有机和纳米晶/有机并联结构的复合太阳能电池研制

有机/无机复合太阳能电池是一种极具潜力的低成本薄膜太阳能电池，但器件的性能如效率急需提高。充分吸收太阳光谱、充分利用光照产生的激子、增强光生载流子的传输以减少电学损失是改善太阳能电池效率的有效途径。本申请拟研制一种无机半导体纳米柱阵列/有机和无机半导体纳米晶/有机复合太阳能电池相互并联的电池，透明的无机纳米柱阵列的加入可提高光生载流子的传输能力，窄带系无机纳米晶的引入可以弥补有机材料在近红外红外区域吸收弱的问题，这样既增宽器件的光谱吸收范围，同时又提高光生载流子的传输，并且合理设计两个单体电池可使最终的并联结构电池的开路电压基本不变，但短路电流加大，从而提高器件的效率。取向一致的无机纳米柱阵列制作在透明的导电氧化物电极上，之后再制备纳米晶/有机混合膜，顶电极使用修饰的金属电极，同时改善无机纳米材料与有机材料之间的界面，最终将并联结构的有机/无机复合太阳能电池的效率提高到6%以上。

将无机半导体纳米材料与共轭聚合物相结合而制备的有机/无机复合太阳能电池为生产低成本，高效率和高稳定性的薄膜太阳能电池提供了一种新的可能性。本项目提出了一种无机纳米柱/有机和无机纳米晶/有机相并联的复合结构太阳能电池，通过在无机纳米柱阵列上旋涂共轭聚合物与无纳米晶的混合溶液作为复合活性层，在同一器件中形成并联的无机纳米柱/共轭聚合物和无机纳米晶/共轭聚合物异质结太阳能电池。通过选择适当的纳米柱、纳米晶和共轭聚合物材料使两种电池的异质结偏压大致相等，即可实现在开路电压变化不大的情况下，叠加两个单体电池的电流，进而提高器件的光电转换效率。.在项目执行过程中，我们首先对基本结构聚合物太阳能电池的制备及后处理工艺进行了优化。对正置结构器件，采用了溶液浸泡法制备阳极缓冲层以及低温蒸镀阴极缓冲层等工艺，降低了器件制备过程中的材料及能源成本，对低成本大面积制备聚合物太阳能电池的工艺进行了有益的探索。改良了器件活性层的后处理工艺，在较高环境气压下对活性层退火，与常压下溶剂退火相比，器件的光电转换效率提高了29%。为了研制无机纳米柱/有机和无机纳米晶/有机相并联的复合结构太阳能电池，我们对采用无机材料氧化锌作为阴极缓冲层的倒置结构器件进行了研究，重点放在氧化锌阴极缓冲层的制备及后处理工艺上。在制备工艺方面，用溶胶凝胶法制备了铯掺杂氧化锌薄膜，提高了器件的导电性，器件效率比未掺杂情况下提高了16.7%；在后处理工艺方面，用乙醇胺溶液对缓冲层进行了表面修饰，改善了缓冲层和活性层的能级匹配，光电转换效率比未修饰的器件提高了15.8%。同时用卤钨灯阵列对氧化锌薄膜快速光退火，提高了薄膜结晶质量和光吸收，将器件效率进一步提高了20%以上。.在完善基本工艺的基础上，制备了项目所设计的无机/有机并联复合结构聚合物太阳能电池。首先采用化学水浴法在透明电极上制备了取向一致，尺寸可控的氧化锌纳米柱阵列；然后将硫化铅量子点与聚合物混合溶液旋涂在纳米柱阵列上，配体置换并溶剂退火，制备了有机/无机复合活性层；最后真空蒸镀了氧化钼阳极缓冲层和银电极，完成器件制作。在氧化锌纳米柱阵列后处理工艺方面，我们在常规工艺的基础上，将器件异丙醇脱水并热退火，将器件光电转换效率提高了30%以上。所制备的氧化锌纳米柱/聚合物和硫化铅纳米晶/聚合物相并联的复合太阳能电池的效率达到了6.02%，完成了项目预期目标。