CN102394272A - 一种增强有机聚合物太阳能电池效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用Au表面等离激元增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，在电池的PEDOT:PSS空穴传输层掺入一定尺寸和浓度的Au纳米颗粒。Au纳米颗粒利用湿化学法合成，通过氯金酸和柠檬酸钠反应得到Au纳米颗粒，并分散在水溶性溶剂中。按一定的比例将Au纳米颗粒与PEDOT:PSS混合，旋涂在ITO衬底上，退火处理，含Au纳米颗粒的空穴传输层制备完毕。利用Au纳米颗粒的局部电场增强作用可以提高有机聚合物太阳能电池的光吸收，进而提高电池效率。

Description

一种增强有机聚合物太阳能电池效率的方法
技术领域
本发明涉及表面等离激元及太阳能光伏技术领域，尤其是一种利用Au表面等离激元增强有机聚合物太阳能电池效率的方法。
背景技术
近几年来，有机聚合物太阳能电池由于其重量轻、成本低、制备简单及可制备成柔性器件等优点，已经成为国内外科学工作者研究的焦点，越来越多的工作者致力于聚合物太阳能电池相关材料和器件工艺的研究。但是有机聚合物太阳能电池的效率相对较低，因此各种提高有机聚合物太阳能电池效率的方法受到研究者的关注。
近年来，金属表面等离激元作为一种陷光结构，用于提高太阳电池光吸收的研究受到国内外科研界和产业界的普遍重视。不同的金属纳米颗粒由于其自由电子密度不同，其表面等离激元共振峰的峰位不同，可应用到不同的材料的太阳能电池中。其表面等离激元共振峰的峰位同样随着金属纳米颗粒的尺寸而变化。
将金属表面等离激元陷光结构应用到有机聚合物太阳能电池中，其主要通过两种机制作用于太阳能电池：1)散射机制，入射光激发金属表面等离激元后，激发态的表面等离激元借助纳米颗粒的强散射作用，将等离激元的能量耦合成光以不同的角度散射进入太阳电池，增加了光在太阳电池中传播的光程，从而增强太阳电池对光的吸收，提高太阳电池效率。2)近场增强效应，当入射光激发金属表面等离激元后，会引起纳米颗粒附近局域范围内的电磁场显著增强，从而使该区域介质光吸收系数大大增加，进而电池的效率得到提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于，提供一种利用Au表面等离激元增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，在有机聚合物太阳能电池的空穴传输层中掺入Au纳米颗粒，利用Au表面等离激元的近场增强作用，增加聚合物太阳能电池光敏层的光吸收，提高有机聚合物电池的效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，该方法是在有机聚合物太阳能电池的空穴传输层中掺入Au纳米颗粒，包括：
步骤1：用柠檬酸钠的水溶液作为还原剂，还原氯金酸，在沸腾条件下反应一定时间得到Au纳米颗粒的胶体溶液；
步骤2：将Au纳米颗粒的胶体溶液置于离心管中，在一定转速下离心，可得到Au纳米颗粒；
步骤3：将获得的Au纳米颗粒分散到一定体积的乙醇中，得到Au纳米颗粒的水溶性溶液；
步骤4：用移液器取出Au纳米颗粒水溶性溶液，按一定的比例掺入到PEDOT:PSS中，混合均匀，得到含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液；
步骤5：将含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液旋涂到ITO衬底上，经退火后得到掺Au纳米颗粒的PEDOT:PSS空穴传输层。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制备有机聚合物太阳能电池的方法，包括：
步骤1：清洗图案化的ITO/玻璃衬底；
步骤2：在ITO/玻璃衬底上制备一层含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS层作为空穴传输层；
步骤3：在含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS层上旋涂一层PEDOT:PSS层；
步骤4：擦除一侧的PEDOT:PSS，至露出ITO表面，作为电池的阳极；
步骤5：在PEDOT:PSS层上制备有机物聚噻吩和富勒烯衍生物的共混层作为光敏层；
步骤6：在聚合物/富勒烯衍生物共混层上制备Al电极，作为电池的阴极；
步骤7：退火，电池制备完毕。
(三)有益效果
本发明将Au纳米颗粒应用在有机聚合物太阳能电池的空穴传输层中，成功制备出了Au表面等离激元增强的太阳能电池。本发明将Au纳米颗粒掺入到空穴传输层中，由于表面等离激元的近场增强作用，电池的光敏层的光吸收增加，激子的产率增加，载流子浓度增加，从而提高了短路电流密度，有机聚合物太阳能电池的效率提高。
附图说明
图1为本发明的有机聚合物太阳能电池的结构示意图。
图2为根据本发明实例制备的有机聚合物太阳能电池在一个标准太阳光AM(1.5G)下的光电流密度-光电压曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种利用Au表面等离激元增强有机聚合物太阳电池效率的方法，该方法是在空穴传输层中掺入Au纳米颗粒，利用其表面等离激元的近场增强效应增加光敏层的光吸收，以提高聚合物太阳能电池的效率。其中，在有机聚合物太阳能电池的空穴传输层中掺入Au纳米颗粒，具体包括以下步骤：
步骤1：用柠檬酸钠的水溶液作为还原剂，还原氯金酸，在沸腾条件下反应一定时间得到Au纳米颗粒的胶体溶液；
其中，所述柠檬酸钠和氯金酸的质量比为2∶3～2∶1，所述在沸腾条件下反应一定时间，该一定时间为5～20分钟。
步骤2：将Au纳米颗粒的胶体溶液置于离心管中，在一定转速下离心，可得到Au纳米颗粒；
其中，所述在一定转速下离心，Au胶体溶液的离心速度为5000转/分钟，离心时间为15分钟。
步骤3：将获得的Au纳米颗粒分散到一定体积的乙醇中，得到Au纳米颗粒的水溶性溶液；
其中，所述得到的Au纳米颗粒的水溶性溶液中，Au纳米颗粒的质量分数为3.6％。
步骤4：用移液器取出Au纳米颗粒水溶性溶液，按一定的比例掺入到PEDOT:PSS中，混合均匀，得到含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液；
其中，所述得到的含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液中，Au纳米颗粒的水溶性溶液与PEDOT:PSS的体积比为1∶2。
步骤5：将含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液旋涂到ITO衬底上，经退火后得到掺Au纳米颗粒的PEDOT:PSS空穴传输层；
其中，所述对含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液进行退火的温度为130℃，退火时间为15分钟。
基于上述利用Au表面等离激元增强有机聚合物太阳电池效率的方法，本发明还提供了一种制备有机聚合物太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：清洗图案化的ITO 20/玻璃10衬底，此为电池的阳极，其中ITO20层的方块电阻为7-15欧姆/方块；
步骤2：在ITO 20/玻璃10衬底上制备一层含Au纳米颗粒30的PEDOT:PSS 40层，作为空穴传输层，该层厚度为20-40nm；
步骤3：在含Au纳米颗粒30的PEDOT:PSS 40层上制备一层PEDOT:PSS 50层，该层厚度为20-30nm；
步骤4：擦除一侧的PEDOT:PSS 40和50，至露出ITO 20表面，作为电池的阳极；
步骤5：在PEDOT:PSS层50上制备有机物聚噻吩和富勒烯衍生物的共混层60作为光敏层；其中，所述光敏层中有机物聚噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)的质量比为1∶1，所述光敏层中有机物的溶剂采用氯苯(CB)溶剂；
步骤6：在聚合物/富勒烯衍生物共混层60上制备Al电极70，作为电池的阴极；其中，所述制备Al电极70采用热蒸发法，制备的Al电极70的厚度为100-130nm；
步骤7：退火，电池制备完毕；其中，所述退火是在充满高纯氮气的手套箱中进行，手套箱中含水量和含氧量均低于1ppm，退火温度为120-150℃，退火时间为10-15分钟。
实施例1：参阅图1所示，用有机试剂清洗图案化的ITO 20/玻璃10衬底，ITO 20的方块电阻为15欧姆/方块。在ITO 20/玻璃10衬底上制备一层PEDOT:PSS 40层，PEDOT:PSS 40层的厚度为30nm。在PEDOT:PSS 40层上制备一层PEDOT:PSS 50层，PEDOT:PSS 50层的厚度为20nm。将一侧的PEDOT:PSS 40和50层擦除掉，至露出ITO 20表面，使得原来的PEDOT:PSS 40和50层形成台面。在PEDOT:PSS 50层上旋涂一层P3HT:PCBM共混薄膜60，P3HT的质量浓度为10mg/ml，以氯苯为溶剂，P3HT与PCBM的质量比为1∶1，旋涂的P3HT:PCBM共混薄膜60的厚度为100nm。采用热蒸发技术在P3HT:PCBM共混薄膜60上沉积一层Al电极70，Al电极70的厚度为100nm。在充满高纯氮气的手套箱中，对沉积了电极的电池进行热退火，退火温度为130℃，退火时间为10分钟。
实施例2：参阅图1所示，用有机试剂清洗图案化的ITO 20/玻璃10衬底，ITO 20的方块电阻为15欧姆/方块。在ITO 20/玻璃10衬底上制备一层含Au纳米颗粒30的PEDOT:PSS 40层，Au纳米颗粒30的直径为50nm，PEDOT:PSS 40层的厚度为30nm。在PEDOT:PSS 40层上制备一薄层PEDOT:PSS 50层，PEDOT:PSS 50层的厚度为20nm。将一侧的PEDOT:PSS 40和50层擦除掉，至露出ITO 20表面，使得原来的PEDOT:PSS 40和50层形成台面。在PEDOT:PSS 50层上旋涂一层P3HT:PCBM共混薄膜60，P3HT的质量浓度为10mg/ml，以氯苯为溶剂，P3HT与PCBM的质量比为1∶1，旋涂的P3HT:PCBM共混薄膜60的厚度为100nm。采用热蒸发技术在P3HT:PCBM共混薄膜60上沉积一层Al电极70，Al电极70的厚度为100nm。在充满高纯氮气的手套箱中，对沉积了电极的电池进行热退火，退火温度为130℃，退火时间为10分钟。
实施例3：参阅图1所示，用有机试剂清洗图案化的ITO 20/玻璃10衬底，ITO 20的方块电阻为15欧姆/方块。在ITO 20/玻璃10衬底上制备一层含Au纳米颗粒30的PEDOT:PSS 40层，Au纳米颗粒30的直径为90nm，PEDOT:PSS 40层的厚度为30nm。在PEDOT:PSS 40层上制备一层PEDOT:PSS 50层，PEDOT:PSS 50层的厚度为20nm。将一侧的PEDOT:PSS 40和50层擦除掉，至露出ITO 20表面，使得原来的PEDOT:PSS 40和50层形成台面。在PEDOT:PSS 50层上旋涂一层P3HT:PCBM共混薄膜60，P3HT的质量浓度为10mg/ml，以氯苯为溶剂，P3HT与PCBM的质量比为1∶1，旋涂的P3HT:PCBM共混薄膜60的厚度为100nm。采用热蒸发技术在P3HT:PCBM共混薄膜60上沉积一层Al电极70，Al电极70的厚度为100nm。在充满高纯氮气的手套箱中，对沉积了电极的电池进行热退火，退火温度为130℃，退火时间为10分钟。
其中实施例1与实施例2和3的差别只在于，实施例1中空穴传输层中不含有Au纳米颗粒，实施例2和3中空穴传输层中含有Au纳米颗粒，其平均直径分别为50nm和90nm。
在一个标准太阳光(AM1.5G，100mW/cm2)照射下测得实施例1中电池的开路电压为0.6V，短路电流密度为8.49mA/cm2，填充因子为0.56，能量转换效率为3％。实施例2中电池的开路电压为0.64V，短路电流密度为9.04mA/cm2，填充因子为0.58，能量转换效率为3.39％。实施例3中电池的开路电压为0.65V，短路电流密度为9.3mA/cm2，填充因子为0.56，能量转换效率为3.42％。
生长结果：如图2所示，采用本发明的方法，在聚合物太阳能电池的空穴传输层中掺入Au纳米颗粒，有机聚合物太阳能电池的性能有所提高。与不掺Au纳米颗粒的参比太阳能电池相比，掺入50nm和90nm的Au纳米颗粒的太阳能电池的效率分别相对提高了13％和14％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，该方法是在有机聚合物太阳能电池的空穴传输层中掺入Au纳米颗粒，包括：
步骤1：用柠檬酸钠的水溶液作为还原剂，还原氯金酸，在沸腾条件下反应一定时间得到Au纳米颗粒的胶体溶液；
步骤2：将Au纳米颗粒的胶体溶液置于离心管中，在一定转速下离心，可得到Au纳米颗粒；
步骤3：将获得的Au纳米颗粒分散到一定体积的乙醇中，得到Au纳米颗粒的水溶性溶液；
步骤4：用移液器取出Au纳米颗粒水溶性溶液，按一定的比例掺入到PEDOT:PSS中，混合均匀，得到含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液；
步骤5：将含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液旋涂到ITO衬底上，经退火后得到掺Au纳米颗粒的PEDOT:PSS空穴传输层。
2.根据权利要求1所述的增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤1中所述柠檬酸钠和氯金酸的质量比为2∶3～2∶1。
3.根据权利要求1所述的增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤1中所述在沸腾条件下反应一定时间，该一定时间为5～20分钟。
4.根据权利要求1所述的增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤2中所述在一定转速下离心，Au胶体溶液的离心速度为5000转/分钟，离心时间为15分钟。
5.根据权利要求1所述的增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤3中所述得到的Au纳米颗粒的水溶性溶液中，Au纳米颗粒的质量分数为3.6％。
6.根据权利要求1所述的增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤4中所述得到的含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液中，Au纳米颗粒的水溶性溶液与PEDOT:PSS的体积比为1∶2。
7.根据权利要求1所述的增强有机聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤5中所述对含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液进行退火的温度为130℃，退火时间为15分钟。
8.一种应用权利要求1-7中任一项所述的方法制备有机聚合物太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
步骤1：清洗图案化的ITO/玻璃衬底；
步骤2：在ITO/玻璃衬底上制备一层含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS层作为空穴传输层；
步骤3：在含Au纳米颗粒的PEDOT:PSS层上旋涂一层PEDOT:PSS层；
步骤4：擦除一侧的PEDOT:PSS，至露出ITO表面，作为电池的阳极；
步骤5：在PEDOT:PSS层上制备有机物聚噻吩和富勒烯衍生物的共混层作为光敏层；
步骤6：在聚合物/富勒烯衍生物共混层上制备Al电极，作为电池的阴极；
步骤7：退火，电池制备完毕。
9.根据权利要求8所述的制备有机聚合物太阳能电池的方法，其特征在于，步骤5中所述光敏层中有机物聚噻吩与富勒烯衍生物的质量比为1∶1。
10.根据权利要求8所述的制备有机聚合物太阳能电池的方法，其特征在于，步骤5中所述光敏层中有机物的溶剂采用氯苯(CB)溶剂。
11.根据权利要求8所述的制备有机聚合物太阳能电池的方法，其特征在于，步骤6中所述制备Al电极采用热蒸发法，制备的Al电极的厚度为100-130nm。
12.根据权利要求8所述的制备有机聚合物太阳能电池的方法，其特征在于，步骤7中所述退火是在充满高纯氮气的手套箱中进行，手套箱中含水量和含氧量均低于1ppm，退火温度为120-150℃，退火时间为10-15分钟。
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