氧化锌纳米棒电子传输层，对太阳能电池光吸收和电子迁移率的影响

文丨清河叙

目前，氧化阳能移率有机太阳能电池的锌纳响PCE值超过15%，足以实现可行的米棒商业化。然而，电传对太电池电迁的影还需要进一步的输层收和研究来使这些有机太阳能电池与市场上已经存在的其他光伏技术竞争。夹在有源层中的光吸界面材料的引入改进了载流子的收集，更有效的氧化阳能移率单结有机太阳能电池成为了一个障碍。

这些界面材料要么是锌纳响电子传递层（ETL），要么是米棒空穴输运层（HTL）。在电子传递层中，电传对太电池电迁的影金属氧化物如二氧化钛或氧化锌和空穴传递层，输层收和如PEDOT:PSS、光吸三氧化钼和三氧化钨，氧化阳能移率更是锌纳响一些被广泛使用的。

氧化锌和二氧化钛都是米棒宽带隙半导体，它们具有相似的电化学和光学性质，被广泛用于电子迁移。

此外，氧化锌的工作功能接近许多富勒烯基受体的最低无人占用分子轨道（LUMO）水平，如-苯基-C丁酸甲酯（PCBM）、-苯基-C丁酸甲酯PC71BM和茚-C60双加合物（ICBA），这有利于从富勒烯进行有效的电子转移，同时防止空穴载流子到达阴极。

氧化锌还可以与有机聚合物结合，它们都具有较小的带隙，从而将光吸收扩展到可见光区域的较低值。这些显著抑制了二氧化钛，使氧化锌纳米棒成为有机太阳能电池中最有前途的候选材料ETL。

氧化锌是一种多用途的半导体材料，可以在广泛的形态学范围，包括一维、二维和三维。在纳米结构中，一维，包括纳米线、纳米棒、纳米纤维、纳米管和纳米管，被发现是在学术研究和工业应用中最具潜力的纳米结构。

与其他一维纳米结构相比，纳米棒可以很容易地合成和复制，如化学浴沉积（CBD）、液热法和溶胶-凝胶，以及其他一些材料。

此外，氧化锌纳米棒可以提供从光发生位点到阴极的直接和有序的途径，减少电子复合损失，提高器件的整体性能，这可能主要是因为纳米棒的单晶一维结构。

研究主要集中在氧化锌纳米棒ETL表面形态对有机太阳能电池光伏性能的影响，以P3HT和PCBM作为有机太阳能电池的光伏供体和受体。将P3HT与PCBM混合的目的是使由混合物组成的活性层比由纯聚合物P3HT单独组成的活性层具有更高的功率转换效率。

研究过程中，比较了以氧化锌表面为ETL所制备的有机太阳能电池的光伏性能。一种装置是在表面光滑的氧化锌纳米棒ETL上的沉积活性层，另一种是在修饰的氧化锌纳米棒ETL（表面覆盖纳米颗粒的纳米棒）上。

两种氧化锌纳米棒ETL均在相同的条件下制备，同时保持活性层和空穴传输层的浓度和其他因素进行比较。

研究使用现场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜检测样品的表面形貌。通过观察合成的氧化锌纳米棒的形貌，我们发现显微镜照片里显示出清晰的纳米棒是六角形的平顶，且两个样品都垂直排列于衬底。

这两种纳米棒的直径都在20到100纳米之间。为了进一步探索合成的氧化锌纳米棒的表面形貌，我们还拍摄了TEM图像，光滑纳米棒的高倍透射电镜图像以及装饰的氧化锌纳米棒。结果都显示了在SEM图像中看到的氧化锌纳米棒的一般形态。

从显微镜照片上看，我们得出结论，合成纳米棒的方法是非常成功的，并且显示了氧化锌纳米棒和氧化锌纳米棒/P3HT:PCBM的FE-SEM横截面图像。而在FTO涂层玻璃上成功形成了均匀密集的氧化锌纳米棒阵列，清楚地表明P3HT:PCBM光活性层成功沉积在氧化锌纳米棒上。

从这个横截面上测量到的P3HT:PCBM的平均厚度为160nm，并穿透到氧化锌纳米棒的空间之间。将共混物渗透到氧化锌纳米棒中对太阳能电池的应用非常重要，它允许在聚合物/富勒烯界面上解离后的电子快速传递。

通过对氧化锌纳米棒的结构信息和相位识别进行研究，根据研究图像，我们观察到了一个非常清楚的峰值。证实了晶体性质。光谱显示，所有的峰均属于氧化锌的六角形纤锌矿结构，并使用标准的JCPDS文件进行索引。

研究发现，所有样品均有与氧化锌相关的峰值，无明显差异。这些结果证实了低温垂直排列的晶体氧化锌纳米棒的成功生长，其中没有杂质，如硝酸盐的氢氧化物残留物。

同时，我们采用X射线光电子能谱（XPS）检测了氧化锌纳米棒表面的元素。需要强调的是，XPS的研究考虑到了氧化锌纳米棒的表面，且XPS分析显示，两种氧化锌纳米棒样品中都存在Zn、O和C。

研究发现，我们观察到的碳峰与暴露在环境大气中的样品制备过程中吸附在表面的碳有关。

但没有发现其他杂质，这表明氧化锌纳米棒被成功地沉积并覆盖了衬底，而XRD光谱也证明了这一点。

高分辨率光谱的Zn2p获得使用相同的光子源调查扫描，显示双重对应光电子核心水平峰的结合能。结果表明在2+的氧化态下存在锌原子，与氧化锌的标准参考值一致。另一方面，观察到的更宽和不对称的则表明存在不止一个O成分。

光滑的氧化锌纳米棒和修饰的氧化锌纳米棒的XPS光谱没有明显变化，这表明样品具有相同的性质，没有杂质。结果与上述XRD的结果一致。

与原始光滑和修饰的氧化锌纳米棒的紫外-可见光吸收相比，氧化锌纳米棒/P3HT:PCBM在紫外和可见光部分都有吸收。可见光部分的吸收可能是由于P3HT:PCBM的影响，它降低了紫外区域的吸收。

然而，对修饰过的氧化锌纳米棒/P3HT:PCBM的吸收表明，纳米颗粒增加了可见光的吸收。这是因为该样品在整个可见光范围内的吸收率比光滑的氧化锌纳米棒/P3HT:PCBM要高得多。

研究用硫化镉纳米颗粒装饰氧化锌纳米棒，并表明其吸收随着硫化镉纳米颗粒在氧化锌纳米棒表面的覆盖而增加。因此，装饰过的氧化锌纳米棒/P3HT：PCBM的吸收增加与覆盖氧化锌纳米棒的纳米颗粒的存在有关。

光滑和装饰的氧化锌纳米棒作为ETL应用于在环境大气下制造的倒置有机太阳能电池中。因此，我们对该器件进行了表征，并研究了氧化锌纳米棒ETL的表面光滑度/粗糙度对所制备的有机太阳能电池性能的影响。

结果表明，使用装饰过的氧化锌纳米棒制造的器件比使用光滑的氧化锌纳米棒制造的器件表现出更好的器件性能。

虽然所获得的PCE比目前所达到的PCE略低，但目前的研究可能有助于进一步提高有机太阳能电池的性能。研究发现，对制备的氧化锌纳米棒进行后处理可以提高太阳能电池的光伏性能。

此外，同样的程序被用于制造热处理氧化锌纳米棒上的其他太阳能电池器件，在相同的条件下制备，但在450℃退火，且按照与实验样品相同的程序来沉积活性层。因此，研究人员指出，光伏发电的性能有了显著的改善。

而对于退火后的氧化锌纳米棒，用装饰过的氧化锌纳米棒制备的器件性能最好，这一改进与氧化锌纳米棒的退火直接相关。退火可以使氧化锌纳米棒表面形成更多的缺陷和氧空位，从而增强了其光催化性能和电子传输性质。

此外，装饰过的氧化锌纳米棒则可以进一步提高器件性能，通过在表面修饰上引入有机分子或金属纳米粒子等装饰物，可以增强其光吸收和电子传输性能，从而实现更高效的光电转换和催化反应。

一方面，由装饰过的氧化锌纳米棒制成的器件的光伏性能的提高可能是由于可见光吸收的增加。装饰样品的可见光吸收率高于光滑样品，这意味着装饰样品可以更好地吸收可见光，从而改进了光收集，提高了器件性能。

另一方面，由装饰的氧化锌纳米棒制成的器件的性能提高可能是由于透明氧化锌纳米棒的光路增加。具体来说，表面的粒子可以作为多个反射光的反射器，从而增加了光的传播距离，提高了光的利用效率，进而提高了器件的性能。

然而，其他光线照射粒子并来回反射，导致光路增加，从而使大部分入射光能够到达活动层，提高了光吸收效率。

此外，氧化锌纳米棒ETL表面的纳米颗粒增强了光的吸收、防反射和散射，影响了光生载流子的数量，从而增加了由装饰过的氧化锌纳米棒制造的太阳能电池器件的PCE。所有这些好处都解释了所制造的有机太阳能电池的光伏性能的提高。

因此，将氧化锌纳米棒作为有机太阳能电池的电子传输层（ETL）的设计，是一种可行的方法来提高器件的光伏性能。这种方法的有效性在于氧化锌纳米棒具有特殊的物理和化学性质，可用于增强器件的光吸收、提高电子迁移率、减小电子复合和提高器件的稳定性。

此外，氧化锌纳米棒的制备方法简单、成本低廉，适用于大规模制备，通过设计和使用氧化锌纳米棒作为ETL，可以有效地提高有机太阳能电池的光伏性能，并为相关领域的发展带来重要的推动作用。

具体来说，Rs和Rsh是影响太阳能电池器件性能的重要因素。一个理想的太阳能电池的Rsis接近或接近于零，意味着电极的电阻和电极周围的材料电阻非常小，从而减小了能量损失，提高了器件性能。

研究基于垂直排列的氧化锌纳米棒ETL的简单制备方法，并指出器件性能取决于ETL的结构。并且研究使用低温合成的氧化锌纳米棒制备了器件，且指出这种氧化锌纳米棒属于纤锌矿氧化锌的六边形结构。

未来的研究应优化装饰过的氧化锌纳米棒ETL的物理性质，包括光学、电子和形态学等方面，以平衡透射率和吸收、界面和电子迁移率等性质。此外，优化垂直排列的氧化锌纳米棒ETL表面周围的纳米颗粒的尺寸和其他特性可能对太阳能电池产生影响。

为了提高设备效率，需要一个受控的环境。同时，P3HT:PCBM复合材料作为未来商业有机太阳能电池的活性层仍需深入研究。这些研究成果为有机太阳能电池的性能优化提供了新的思路和方法，也有望为相关领域的发展带来重要推动。