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纳米结构 ZnO 的形态和界面修饰对 ZnO/聚合物杂化太阳能电池器件结构和电荷输运的影响。

Effects of the morphology of nanostructured ZnO and interface modification on the device configuration and charge transport of ZnO/polymer hybrid solar cells.

机构信息

Graduate School of Energy Science, Kyoto University, Yoshida-Honmachi, Sakyo-Ku, Kyoto 606-8501, Japan.

出版信息

Phys Chem Chem Phys. 2013 Jun 28;15(24):9516-22. doi: 10.1039/c3cp50266j.

DOI:10.1039/c3cp50266j
PMID:23446342
Abstract

In an organic-based solar cell, the short exciton diffusion length of organic materials requires effective donor-acceptor heterojunction at the nanoscale. In this work, hybrid inorganic/polymer solar cells based on ZnO nanostructures and poly(3-hexylthiophene) (P3HT) are constructed to study the effects of ZnO morphologies and wettability of the surface on the P3HT infiltration ability and charge transport mechanisms. The P3HT infiltrates the ZnO nanorod (NR) more remarkably than ZnO nanoparticle (NP) substrates. Although surface modification with indoline D205 dye molecules improves the wettability (viz. enlarges the contact angle) of NP surface, the P3HT infiltration distance decreases in comparison with the pristine NP case. This leads to relatively low short-circuit current density (Jsc) of the NP devices in comparison with that of the NR devices, even though the surface area of NP layers is larger than that of NR ones. Moreover, surface modification with squaraine dye onto the NR surface shows more significant improvement in Jsc than the NP case. This is due to the well-aligned morphology of the NRs, which facilitates dye modification, P3HT infiltration, and charge transport processes. These indicate that the NRs are more qualified as electron accepting substrates and transport pathway in hybrid solar cells than NPs.

摘要

在有机太阳能电池中,有机材料的短激子扩散长度需要在纳米尺度上具有有效的施主-受主异质结。在这项工作中,构建了基于 ZnO 纳米结构和聚(3-己基噻吩)(P3HT)的混合无机/聚合物太阳能电池,以研究 ZnO 形态和表面润湿性对 P3HT 渗透能力和电荷输运机制的影响。P3HT 在 ZnO 纳米棒(NR)上的渗透比 ZnO 纳米颗粒(NP)基底更为显著。尽管用吲哚 D205 染料分子进行表面修饰可以提高 NP 表面的润湿性(即增大接触角),但与原始 NP 相比,P3HT 的渗透距离减小。这导致 NP 器件的短路电流密度(Jsc)相对较低,尽管 NP 层的表面积大于 NR 层。此外,将方酸染料表面修饰到 NR 表面上,与 NP 情况相比,Jsc 有更显著的提高。这是由于 NRs 的良好排列形态,这有利于染料修饰、P3HT 渗透和电荷输运过程。这表明 NRs 比 NPs 更适合作为混合太阳能电池中的电子接受体和传输途径。

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