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由共轭聚合物为电子供给体和无机纳米结构为电子受体组成的杂化聚合物太阳电池具有质量轻、柔韧性好、材料丰富和易低价大面积制作等优点,是一种新型的太阳电池。本文以ZnO纳米棒阵列和聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-对苯乙炔](MEH-PPV)制备太阳电池,研究电池材料结构、界面改性和聚合物掺杂对器件光电转换性能的影响。主要结论如下:
(1)通过电化学沉积法合成了ZnO纳米棒,其中纳米棒的长度(Ln)和表面缺陷态的浓度由沉积时间(Td)。结果表明,随着生长时间(Td)的延长,ZnO纳米棒的长度(Ln)和晶体缺陷都呈增长的趋势,当Td=10 min时电池的性能最好(η=0.34％,AM1.5光照);短路电流密度(Jsc)和电荷复合效率主要取决于Ln,而开路电压(Voc)主要取决于ZnO晶体缺陷的浓度。发现电池中激子的产生、电荷的分离、界面电荷的复合、及光电流的产生等遵循光强指数衰减模型。
(2)用了两亲性有机物Z907对聚合物/ZnO纳米棒电池中的电荷分离界面进行了化学改性,ZnO表面的Z907含量由改性时间(Ts)控制。结果表明,有机修饰可以改善ZnO与聚合物之间的相容性,提高聚合物/ZnO界面电荷分离效率和光电流Jsc,但同时会减小Voc;当Ts=6 h时,电池性能最好(η=0.61%,AM1.5光照):Z907对电荷分离效率和电流的贡献主要在于改善了聚合物/ZnO界面处电荷转移时的电子耦合;电池Voc。和电子寿命(τe)取决于电子的分布;虽在受不同因素影响时Voc与τe之间无依存关系,但二者可因相同的影响因素而呈现类似的变化趋势。
(3)用4-叔丁基毗啶(TBP)和有机锂盐(LiTFSI)作为聚合物的添加剂,研究了添加剂与MEH-PPV质量比RTBP和Rli对MEH-PPV/ZnO-Z907和MEH-PPV/ZnO电池性能的影响。两者对电池的性能具有类似的影响规律,即随着填加剂量的增加,电池的Jsc和Voc表现出了先增加后下降的趋势。其中,Jsc和Voc的增加主要是分别是由于添加剂促进了MEH-PPV和ZnO界面电荷转移和抑制了界面电荷复合;而当TBP和LiTFSI的填加量超过一定的比率时(即RTBP>5/10和RLi>2/10)时,二者量的增加会降低MEH-PPV导电能力,使界面电荷分离效率减小且增加了界面电荷复合程度,导致Voc、Jsc和τe下降。