半导体纳米晶的制备及其在聚合物太阳电池中的应用分析

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1、摘要太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，对太阳能的合理利用将能够极大地缓解人类所面临的能源危机问题。近十年来，共轭聚合物太阳电池由于具有加工方法简单，制备成本低廉，能制备大面积及柔性器件等优点而引起了人们的普遍关注。目前，聚合物太阳电池的能量转换效率已达到5％，但离实际应用还有一定的距离。共轭聚合物的载流子迁移率低，吸收光谱与太阳光谱不相匹配是影响电池性能的重要因素。如果在聚合物太阳电池中引入电子亲和能和电子迁移率均较高的无机半导体纳米晶(如CdS，CdSe，ZnO，Ti02，GaAs等)，将会有利于电荷的分离和传输，从而提高器件的性能。

2、近年来，纳米晶／共轭聚合物共混太阳电池由于兼具聚合物的易加工性、柔韧性和无机纳米晶的高迁移率、高比表面积等优势而引起了研究者们浓厚的研究兴趣。半导体纳米晶作为受体相在聚合物太阳电池中的应用已成为纳米晶材料应用研究的一大分支领域。本论文主要研究高性能CdS，CdSe及CdTe等纳米晶的新型合成方法及其在聚合物异质结太阳电池中的应用。在本论文中，我们采用单前驱体热解法合成了棒状、分枝棒状的CdS纳米晶，考察了反应温度、前驱体浓度及反应时间等条件对纳米晶的尺寸、形貌及结晶性等的影响。将除去表面活性剂的CdS纳米晶与MEH．PPV共混，发现纳米晶的加入

3、能够有效地淬灭聚合物的荧光，这表明在聚合物与纳米晶的界面区域发生了高效的电荷分离。我们将粒径<1011111的CdS纳米晶作为受体材料应用于聚合物太阳电池中，详细考察了CdS纳米晶的合成条件(反应温度)，纳米晶的后处理，不同溶剂体系，纳米晶与聚合物的不同配比，活性层的厚度以及热处理等条件对器件性能的影响。我们所制备的CdS纳米晶／MEH．PPV共混太阳电池器件的最佳性能为：在AMI．5模拟太阳光照射下，短路电流为2．96mA／cm2，开路电压为O．85V，填充因子为46．6％，能量转换效率达1．17％。我们的研究结果还表明，通过提高材料质量，优

4、化器件结构，器件的性能有望得到进一步的提高。这一研究预示着CdS纳米晶在聚合物太阳电池中具有良好的应用前景。有机金属液相法是合成高质量的CdS，CdSe及CdTe等纳米晶的方法。我们对传统的TOPO法做了一些改进，以硬脂酸镉为镉前驱体，油酸为表面活性剂，以惰性溶剂十八碳烯为反应介质，在较低的温度下(<240℃)合成了尺寸与形貌分布均匀，高质量的CdS，CdSe及CdTe半导体纳米晶。这种方法能够适应大规模化工业生产的要求，而且对环境比较友好。所合成的纳米晶在有机溶剂中具有极好的分散性，且成膜性也非常好。所合成的CdS纳米晶在蓝绿光区域，CdSe

5、纳米晶在红光区域，CdTe纳米晶在近红外区域均具有较好的吸收和发光性能。CdSe纳米晶的加入能够扩展纳米晶与共轭聚合物(MEH．PPV或P3HT)共混物的光谱吸收范围，并能够有效地淬灭共轭聚合物的荧光。在AMl．5条件下，CdSe纳米微球与MEH-PPV共混太阳电浊器件在热处理后，短路电流为2．06mA／cm2，开路电压为0．80V，填充因子为37．4％，能量转换效率达到了0．62％，远超过以往文献中所报道的0．1％；CdSe--维纳米棒与MEH．PPV共混太阳电池器件在热处理后，短路电流为t．18mA／cm2，开路电压为0．80V，填充因子为

6、31．O％，能量转换效率为0．29％。另外，我们采用单前驱体热解法，以乙基黄原酸铜为单前驱体，通过在十六烷胺中进行热分解而制备了直径为80一100nln，厚度为20一25眦的六方硫化铜纳米碟。这种纳米碟结晶性好，尺寸可控，而且在适当的条件下可以自组装为串状结构。六方CuS纳米碟的形成原因主要来自两方面，一是内部结构本身具有各向异性，二是表面活性剂的影响。而一维CllS纳米碟串状结构的形成原因也主要来源于两方面，一是偶极与偶极之间强烈的相互作用；二是纳米碟{001l晶面范德华吸引力与排斥力之间相互作用的平衡。关键词：共轭聚合物；共混太阳电池；半导

7、体纳米晶ⅡAbstractSolarenergyisakindofinexhaustiblecleanenergy,theappropriateexploitationofitCangreatlyalleviatetheenergycrisiswhichmanisfacingnOW．Conjugatedpolymerphotovoltaicdeviceshaveattractedgreatattentioninrecentyearsduetotheirlow-cost,simplemanufactureprocess，thepotentialf

8、orlage-areaandthepossibilitytorealizeitinflexiblesubstrate．Althoughtheenerg