CN102544378B - 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102544378B
CN102544378B CN201110387893.6A CN201110387893A CN102544378B CN 102544378 B CN102544378 B CN 102544378B CN 201110387893 A CN201110387893 A CN 201110387893A CN 102544378 B CN102544378 B CN 102544378B
Authority
CN
China
Prior art keywords
zno
shell structure
quantum dot
solar cell
meh
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201110387893.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102544378A (zh
Inventor
吴璠
王命泰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Plasma Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Plasma Physics of CAS filed Critical Institute of Plasma Physics of CAS
Priority to CN201110387893.6A priority Critical patent/CN102544378B/zh
Publication of CN102544378A publication Critical patent/CN102544378A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102544378B publication Critical patent/CN102544378B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法，利用垂直生长于ITO衬基上的ZnO纳米棒阵列ZnO-NA作为模板，制备了以ZnO纳米棒为核ZnO量子点组成的多晶膜为无机修饰壳层的纳米棒阵列ZnO-NR-QD-NA，并通过有机物N719对ZnO-NR-QD-NA的修饰，获得了N719修饰的同质核壳结构纳米棒阵列ZnO-NR-QD-N719-NA，将聚合物与ZnO-NR-QD-N719-NA复合制成成品，电池的开路电压达到0.62V、短路电流为3.79mA/cm2及转换效率达到0.84%。与MEH-PPV/ZnO-NA电池相比，本发明电池的开路电压提高了88%，短路电流增加了192%及转换效率提高了425%。

Description

一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料和能源领域，确切地说是一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法。
背景技术：
以有机共轭聚合物为电子给体(D)和无机纳米晶为电子受体(A)组成的聚合物太阳电池是一种新型有机/无机杂化太阳电池。由于其兼具聚合物(重量轻、柔韧性好、易大面积低价成膜等)和无机半导体材料(载流子迁移率高、性质稳定、结构易控制等)的优点，近年来成为低价太阳电池中的重要研究对象。研究结果表明，高性能的电池器件需满足以下条件：大面积用于分离激子的D/A界面、连续的电荷传输通道和稳定的电池材料凝聚态结构。通常，将无机半导体纳米颗粒与有机聚合物在有机溶剂中混合，实现简单共混，再由适当方式将这些简单共混物制成无序有机/无机杂化电池；例如，有机聚合物与ZnO(Adv.Funct.Mater.2006，16，1112-1116；J.Phys.Chem.C 2011，115，18901-18908；Solar EnergyMater.Sol.Cells 2011，95，2318-2321)、TiO2(Appl.Phys.Lett.2007，90，183513)、PbS(Nanotechnology 2009，20，095202)、PbSe(ACS Nano 2009，3，1345-1352)或CdSe(J.Phys.Chem.C 2010，114，12784-12791)等无机半导体纳米颗粒组成的太阳电池。然而，聚合物和纳米颗粒经简单共混而制成的太阳电池效率仍然低下。一方面，由于纳米颗粒本身极易团聚，严重影响了有机/无机界面和电子传输通道的形成；另一方面，光生电子要经过纳米颗粒间的传递才能到达电子收集电极，使得电池中存在严重的界面电荷复合。
用一维无机纳米棒(或线)阵列取代纳米颗粒与有机聚合物形成的复合结构，是一种理想的有机/无机杂化太阳电池结构形式(Chem.Rev.2007，107，1324-1338；Adv.Mater.2011，23，1810-1828)。一维无机纳米结构阵列可以提供直接的电子传输通道，使光生电子沿着取向生长的纳米阵列直接输运到收集电极上，可减少电荷的复合现象；同时，在这种复合结构中，可获得有机/无机界面和电荷传输通道在三维空间的稳定分布。ZnO纳米棒或线阵列(简称，ZnO-NA)具有许多优点，例如，性质稳定、环境友好、电子迁移率高及容易由简单的方法实现大面积制备等，是目前此类取向结构杂化太阳电池中使用最多的一种材料(Energy Environ.Sci.2009，2，19-34；Energy Environ.Sci.2011，4，3861-3877)。然而，在ZnO-NA与有机聚合物组成的杂化太阳电池(简称，聚合物/ZnO-NA电池)中，器件的开路电压(Voc)较低，大都在0.1-0.4V左右；虽然短路电流(Jsc)已达到毫安级，但很低的Voc使得聚合物/ZnO-NA电池的转换效率(η)仍然较低，大都在0.2-0.4％。目前，大都通过对ZnO表面进行有机物修饰，来改善D/A界面的接触性能，获得了显著提高的Jsc，也在一定程度上提高了电池的Voc(J.Mater.Chem.2006，16，2088-2096；J.Phys.Chem.B 2006，110，7635-7639；Appl.Phys.Lett.2009，94，063308；J.Phys.Chem.C 2011，115，3745-3752)。然而，经过有机物修饰，聚合物/ZnO-NA电池的性能仍不理想，尤其是Voc仍然较低(大都在0.5V以下)。除有机修饰外，人们也已尝试用无机氧化物修饰ZnO-NA，以提高电池的性能。Greene等(J.Phys.Chem.C 2007，111，18451-18456)和Lee等(J.Phys.Chem.C 2009，113，15778-15782)通过原子层沉积(ALD)技术用TiO2修饰ZnO-NA，形成了以ZnO为核TiO2为壳的ZnO-TiO2异质核壳结构纳米棒阵列(简称，ZnO-TiO2-NA)，虽然与聚合物/ZnO-NA电池相比，聚合物/ZnO-TiO2-NA电池的Jsc得到一定程度的改善，但电池的Voc仍然小于0.5V。Lee等(IEEE J.Selected Topics in Quantum Electronics 2010，16，1587-1594)通过ALD技术用TiOx修饰ZnO-NA，形成了以TiOx为壳的ZnO-TiOx异质核壳结构纳米棒阵列(简称，ZnO-TiOx-NA)，与聚合物/ZnO-NA电池相比，聚合物/ZnO-TiOx-NA电池的Voc得到显著改善且可以达到0.8V，但电池的Jsc却呈指数形式衰减到很小的数值。
本发明中，我们在ZnO纳米棒表面沉积ZnO量子点，得到以ZnO纳米棒为核ZnO量子点组成的多晶膜为壳层的同质核壳结构纳米棒形成的阵列(简称，ZnO-NR-QD-NA)，进一步对该同质核壳结构纳米棒表面用有机物N719进行修饰，得到N719修饰的同质核壳结构纳米棒阵列(简称，ZnO-NR-QD-N719-NA)，以ZnO-NR-QD-N719-NA与聚合物制成有机/无机杂化太阳电池(简称，聚合物/ZnO-NR-QD-N719-NA电池)；与纯ZnO纳米棒阵列电池相比较，聚合物/ZnO-NR-QD-N719-NA电池的Voc和Jsc有显著的提高。由同质核壳结构纳米棒阵列或经过有机修饰的同质核壳结构纳米棒阵列与聚合物组成的杂化太阳电池还未见报道。
发明内容：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，将ZnO同质核壳结构纳米棒阵列应用到有机/无机杂化太阳电池中，提供一种成本较低，环境友好，工艺简单，便于大面积制作的电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：包括有玻璃衬基、作为阳极的ITO层、ZnO纳米棒-量子点(简称，ZnO-NR-QD)同质核壳结构纳米棒阵列、ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒外包覆的由ZnO量子点组成的壳层、ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列表面修饰的N719有机分子层、MEH-PPV膜层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池的阴极的Au膜层；所述的ITO层镀在玻璃衬基上作为电池的阳极，以垂直生长于ITO层之上的ZnO-NR-QD同质结构纳米棒阵列为电池的电子传输通道，用MEH-PPV为光吸收材料且MEH-PPV填充到ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒的间隙之中，同时在ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列上方形成MEH-PPV膜层，在MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS作为空穴传输层，在空穴传输层上沉积Au膜作为电池的阴极。
所述的一种有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：所述的空穴传输层优选由在MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液而得，所述的PEDOT:PSS和异丙醇的体积比为1∶0.5-1.5。
所述的一种有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：ITO层的厚度为50-200nm，ZnO-NR-QD同质核壳结构阵列的长度为150-700nm、直径为20-90nm、棒的数量密度为3-6×102个/μm2，ZnO壳层厚度为5-20nm，位于ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列上方的MEH-PPV膜层厚度为30-200nm，PEDOT:PSS层厚度为40-80nm，Au膜厚度为60-120nm。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将ITO导电玻璃上的ITO用浓盐酸和Zn粉刻蚀成细条，再经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，干燥后得经过处理的ITO导电玻璃备用；
将0.12-0.20克醋酸锌溶解于0.8-1.2克水中，待完全溶解后加入3-5毫升无水乙醇，再滴加80-120微升冰醋酸，将得到的混合物在室温下搅拌1.8-2.2小时，再将所得的无色澄清透明溶液旋涂于经过处理的ITO导电玻璃上，得到均匀的醋酸锌薄膜，接着在马弗炉中于320-380℃下煅烧18-22分钟得到覆盖在ITO导电基片上的ZnO致密薄膜，将其置于0.04mol/L硝酸锌[ZnO(NO3)2·6H2O]和0.04mol/L六亚甲基四胺组成的水溶液中，密封后于85-95℃烘箱中反应1.8-2.2小时，得到ZnO纳米棒阵列；
B、在室温下，将步骤A所得ZnO纳米棒阵列置于盛有浓度为0.01-0.03mol/L的醋酸锌乙醇溶液的高压釜中，密封后于90-100℃烘箱中反应1-4小时，得到由ZnO量子点组成的多晶膜为壳层的垂直生长于ITO层之上的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列，ZnO壳层的厚度由高压釜中的反应时间控制在5-20nm；
C、将B步骤得到ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列置于盛有浓度为2-8×10-6mol/L的N719乙醇溶液的高压釜中，密封后于70-90℃烘箱中反应6-10小时，得到N719修饰的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列；
D、将以氯苯为溶剂且浓度为5-20mg/mL的MEH-PPV的溶液于室温下旋涂到C步骤所得的N719改性的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列上，并在惰性气体保护下于120-180℃热处理5-30分钟，使得MEH-PPV填充到ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒的间隙之中并在ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列上方形成MEH-PPV膜层；
E、在步骤D所得的MEH-PPV膜层上旋涂一层体积比为1∶0.5-1.5的PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液或PEDOT:PSS溶液，在惰性气体保护下于100℃下热处理5-30分钟，得到PEDOT:PSS膜层作为空穴传导层，在PEDOT:PSS膜层上通过热蒸发方法蒸镀厚度为60-120nm的Au膜，得到杂化太阳电池；
F、将杂化太阳电池在惰性气体保护下进行封装即得产品。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤A所述的ITO导电玻璃的玻璃衬基可以用其他透明物质代替。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤B所述的在高压釜中的反应方法可以用在其他器皿中的反应方法代替。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤C所述的在高压釜中的反应方法可以用在其他器皿中的反应方法代替。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤C所述的N719可以由其他羧基化两亲性有机物代替。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤D所述的溶剂氯苯可以用四氢呋喃、氯仿、苯或其他溶剂代替。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤D所述的旋涂操作，可以用丝网印刷法或刮片法或喷墨打印法代替。
所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤D、E、F所述的惰性气体优选氮气。
本发明的有益效果为：
1、本发明先通过制备ZnO纳米棒阵列(即，ZnO-NA)作为模板，利用高压釜反应方法于较低温度下在ZnO纳米棒表面生长由ZnO量子点组成的壳层，得到ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(即，ZnO-NR-QD-NA)，ZnO壳层厚度由高压釜中的反应时间来控制；进一步通过高压釜反应方法用有机物N719改性ZnO-NR-QD-NA，得到有机修饰的ZnO同质核壳结构纳米棒阵列(即，ZnO-NR-QD-N719-NA)。与纯ZnO纳米棒阵列电池相比，ZnO-NR-QD-N719-NA的电池的性能得到大幅度提高，开路电压提高了88％，短路电流增加了192％及转换效率提高了425％。本发明中ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列和电池器件的制备方法简便，环境友好，对设备要求低，适合大规模应用，在光伏材料和低价太阳电池器件等领域具有很大的应用价值。
2、本发明的创新点有：
(1)用在高压釜中的溶剂热反应方法合成了ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列；(2)将ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列应用于有机/无机杂化太阳电池；(3)用在高压釜中的溶剂热反应方法合成了被有机物N719化学修饰的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列；(4)建立一种有机和无机共修饰方法，制备出高效的电荷分离界面，大幅度提高了有机/无机杂化太阳电池的性能。
3、本发明与他人工作的比较：
本发明用有机物N719修饰ZnO表面的方法与他人工作(Thitima等，Solid-State Electronics 2009，53，176-180；Yue等，Sci.China 2011，54，453-458)相比，差别在于本发明是通过高压釜中的溶剂热反应实现N719分子接枝到ZnO表面，而他人是用简单浸泡或旋涂的方法使N719分子附着于ZnO表面；优点在于本发明中N719分子上所有COOH基团以强相互作用的化学键稳定地接枝在ZnO表面，而浸泡或旋涂方法使得的N719分子与ZnO之间存在弱相互作用(如氢键、静电吸力等)且只有部分COOH基团与ZnO表面产生作用(Said等，J.Phys.Chem.C 2010，114，11273-11278；Qu等，Langmuir 2010，26，9539-9546)。
附图说明：
图1是本发明所述的杂化太阳电池的结构示意图；图中数字标注说明如下：
(1)Au膜作为电池的阴极、(2)PEDOT:PSS空穴传导层、
(3)聚合物MEH-PPV、(4)N719有机修饰层、
(5)ZnO纳米棒表面包覆的ZnO壳层、
(6)ZnO纳米棒、(7)ITO阳极、(8)玻璃衬基；
图2是本发明所述的ZnO致密膜与ZnO纳米棒阵列的SEM表征结果，其中(a)致密膜、(b)纳米棒阵列；
图3是本发明所述的ZnO致密膜与ZnO纳米棒阵列的XRD表征结果；
图4是本发明所述的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的XRD表征结果；
图5是本发明所述的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的SEM(b)、TEM(c)和HRTEM(d)表征结果，其中(a)是ZnO纳米棒阵列的SEM；
图6是本发明所述的ZnO纳米棒阵列(a)、ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(b)、以及N719修饰后的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(c)的UV-vis吸收光谱的表征结果，其中插图为N719的乙醇溶液的UV-vis吸收光谱；
图7是本发明所述的ZnO纳米棒阵列(a)、ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(b)、N719修饰后的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(c)、及N719(d)的FT-IR光谱的表征结果；
图8是本发明所述的杂化太阳电池在AM 1.5模拟太阳光照条件下的J-V性能表征结果；其中，曲线1和2分别为由ZnO-NA和ZnO-NR-QD-NA组成的参比电池，曲线3为ZnO-NR-QD-N719-NA组成的电池。
具体实施方式
实施例1：ZnO纳米棒阵列的制备。
(1-1)ZnO致密膜的制备：
先将ITO导电玻璃(ITO厚度为100-120nm，≤15Ω/□)上的ITO用浓盐酸和Zn粉刻蚀成12×3mm2的细条；经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，用干燥的氮气吹干后备用。
将0.16克醋酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O]溶解于1克水中，待完全溶解后加入4毫升无水乙醇，再滴加100微升冰醋酸；混合物在室温下搅拌2小时，得到无色澄清透明溶液。将上述溶液旋涂于ITO玻璃上(2000转/分钟，60秒)，重复四遍，得到均匀的薄膜，接着在马弗炉中于350℃下煅烧20分钟得到ZnO致密薄膜。
(1-2)ZnO纳米棒阵列的制备：
ZnO致密薄膜覆盖的ITO玻璃正面朝下悬空置于硝酸锌[ZnO(NO3)2·6H2O](0.04mol/L)和六亚甲基四胺(0.04mol/L)组成的水溶液中，密封后于90℃烘箱中反应2小时，得到ZnO纳米棒阵列(即，ZnO-NA)。
(1-3)产物的表征：
ZnO致密膜和ZnO纳米棒阵列的表征结果见附图2和3。X-射线衍射(XRD)结果表明，ZnO致密膜和ZnO纳米棒均为纤锌矿结构(JCPDS#36-1451)，且纳米棒沿着[001]方向生长；扫描电子显微镜(SEM)照片表明，在ITO上得到的ZnO膜薄均匀致密，厚度为40nm左右；所得的大面积ZnO纳米棒垂直于ITO基底生长，长度为360-400nm，直径为20-60nm，棒的数量密度为4-5×102/μm2。
实施例2：ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备。
(2-1)ZnO纳米棒阵列的制备：同实施例1。
(2-2)ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备：
室温下，将ZnO纳米棒阵列置于盛有80mL浓度为0.02mol/L的醋酸锌乙醇溶液的100mL含聚四氟乙烯内衬的高压釜中，密封后于95℃烘箱中反应2.5小时，高压釜冷却至室温后，取出样品并用无水乙醇冲洗干净，氮气吹干，得到ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(即，ZnO-NR-QD-NA)；
(2-3)产物的表征：
XRD结果(附图4)表明，ZnO纳米棒阵列经过高压釜反应后得到的产物的组成仅为纤锌矿结构ZnO，且表现出多晶衍射特点；SEM结果(附图5a和5b)表明，未经过高压釜反应时ZnO纳米棒表面很光滑，但经过高压釜反应后纳米棒表面由小颗粒包裹。透射电子显微镜(TEM)和高分辨TEM照片(附图5c和5d)表明，ZnO纳米棒为纤锌矿结构的单晶，沿[001]方向伸长；ZnO量子点在ZnO纳米棒表面形成了壳层，且ZnO壳层是由ZnO量子点组成的多晶膜；得到同质核壳结构纳米棒阵列，壳层平均厚度约为18nm。ZnO-NA和ZnO-NR-QD-NA的紫外-可见(UV-vis)吸收光谱(附图6中的a和b线)表明，ZnO壳层的形成没有改变ZnO纳米棒阵列的主要吸收特点，但增强了ZnO纳米棒阵列的吸收强度并使ZnO的吸收峰发生微弱的蓝移，进一步说明了阵列中ZnO量子点的存在。
实施例3：N719修饰的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备。
(3-1)ZnO纳米棒阵列的制备：同实施例1。
(3-2)ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备：同实施例2。
(3-3)N719修饰的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备：
室温下，将ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列置于盛有80mL浓度为5×10-6mol/L的醋酸锌乙醇溶液的100mL含聚四氟乙烯内衬的高压釜中，密封后于80℃烘箱中反应8小时，高压釜冷却至室温后，取出样品并用无水乙醇冲洗干净，氮气吹干，得到N719分子修饰的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列(即，ZnO-NR-QD-N719-NA)；
(3-4)产物的表征：
产物的表征结果见附图6和7。图6中c谱线表明ZnO-NR-QD-N719-NA中存在N719的特征吸收峰。图7中的ZnO-NR-QD-N719-NA的红外(FT-IR)光谱表明，ZnO-NR-QD-N719-NA在2100cm-1处出现了N719分子中NCS官能团的特征振动吸收峰，在1546和1380cm-1处分别出现了羧酸根离子(COO-)的非对称和对称伸缩振动峰，且N719分子上的游离态羧基官能团(COOH)位于1716cm-1的特征伸缩振动峰消失，说明N719分子上的所有羧基官能团与ZnO表面产生了化学键连接。
实施例4：聚合物/同质核壳结构纳米棒阵列太阳电池的制备。
(4-1)ZnO纳米棒阵列的制备：同实施例1。
(4-2)ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备：同实施例2。
(4-3)N719修饰的ZnO-NR-QD同质核壳结构纳米棒阵列的制备：同实施例3。
(4-4)MEH-PPV/ZnO-NR-QD-N719-NA太阳电池的制备：
以新蒸氯苯为溶剂，配制浓度为5mg/mL的MEH-PPV溶液，并于室温下搅拌24小时。将200微升的MEH-PPV溶液均匀分散在ZnO-NR-QD-N719-NA层上，然后进行旋涂(1500转/分钟，60秒)使聚合物沉积到ZnO-NA-QD-N719-NA上，此过程重复2次；在氮气保护的手套箱中于150℃热处理10分钟，以使聚合物充分渗透到纳米棒之间，纳米棒上方聚合物层的厚度为40-60nm。
然后，在MEH-PPV层上旋涂PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液(体积比为1∶1)(2000转/分钟，60秒)；在氮气保护的手套箱中于100℃下热处理15分钟，除去PEDOT:PSS中的水分后，在PEDOT:PSS层(厚度40nm)上通过真空热蒸发方法蒸镀厚度为100nm的Au膜作为电池的阴极，压强为5×10-4Pa，蒸发速率为0.1埃/秒(前50nm)和1埃/秒(后50nm)。在氮气保护的手套箱中进行封装，得到MEH-PPV/ZnO-NR-QD-N719-NA太阳电池(见附图1)。Au电极与ITO电极的重叠面积由模板控制为3×3mm2，并作为电池的有效面积。
(4-5)参比太阳电池的制备：
为了验证有机和无机共修饰对电池性能的改善作用，制备了纯ZnO纳米棒组成的聚合物/ZnO-NA电池和ZnO-NA-QD同质核壳结构阵列组成的聚合物/ZnO-NR-QD-NA电池作为参比电池。这两种参比电池的制备方法与MEH-PPV/ZnO-NR-QD-N719-NA电池的制备方法完全相同。
(4-6)电池的表征：
太阳电池的电流-电压(J-V)性能表征结果见附图8。J-V测试是在AM 1.5模拟太阳光(光强Pin＝100mW/cm2)下于实验室环境中完成的。与MEH-PPV/ZnO-NA电池相比，MEH-PPV/ZnO-NR-QD-NA电池的开路电压Voc得到大幅度，而短路电流Jsc增加较少；与MEH-PPV/ZnO-NR-QD-NA电池相比，MEH-PPV/ZnO-NR-QD-N719-NA电池的Jsc得到大幅度提高，但Voc略有降低。与MEH-PPV/ZnO-NA电池相比较，通过有机和无机共修饰方法得到的MEH-PPV/ZnO-NR-QD-N719-NA电池的开路电压提高了88％、短路电流增加了192％及转换效率提高了425％。所有电池的性能参数对比见表1。总之，以MEH-PPV/ZnO-NA电池为参比，无机ZnO壳层的修饰作用主要在于大幅度提高电池的Voc，而有机N719修饰的作用主要在于大幅度提高电池的Jsc，最终实现电池整体性能的显著提高。
表1.
Figure BDA0000114034800000101
注：J-V性能测试在实验室环境中完成，电池的有效面积为9mm2；Voc、Jsc、FF和η分别为电池的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率，η＝Jsc·Voc·FF/Pin。

Claims (7)

1.一种有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：包括有玻璃衬基、作为阳极的ITO层、ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列、ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒外包覆的由ZnO量子点组成的壳层、ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列表面修饰的N719有机分子层、MEH-PPV膜层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池的阴极的Au膜层；所述的ITO层镀在玻璃衬基上作为电池的阳极，以垂直生长于ITO层之上的ZnO纳米棒-量子点同质结构纳米棒阵列为电池的电子传输通道，用MEH-PPV为光吸收材料且MEH-PPV填充到ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒的间隙之中，同时在ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列上方形成MEH-PPV膜层，在MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS作为空穴传输层，在空穴传输层上沉积Au膜作为电池的阴极。
2.根据权利要求1所述的一种有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：所述的空穴传输层优选由在MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液而得，所述的PEDOT:PSS和异丙醇的体积比为1：0.5-1.5。
3.根据权利要求1所述的一种有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：ITO层的厚度为50-200 nm，ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构阵列的长度为150-700 nm、直径为20-90 nm、棒的数量密度为3-6×102个/μm2，ZnO壳层厚度为5-20 nm，位于ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列上方的MEH-PPV膜层厚度为30-200 nm，PEDOT:PSS层厚度为40-80 nm，Au膜厚度为60-120 nm。
4.一种权利要求1所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将ITO导电玻璃上的ITO用浓盐酸和Zn粉刻蚀成细条，再经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，干燥后得经过处理的ITO导电玻璃备用；
将0.12-0.20克醋酸锌溶解于0.8-1.2克水中，待完全溶解后加入3-5毫升无水乙醇，再滴加80-120微升冰醋酸，将得到的混合物在室温下搅拌1.8-2.2小时，再将所得的无色澄清透明溶液旋涂于经过处理的ITO导电玻璃上，得到均匀的醋酸锌薄膜，接着在马弗炉中于320-380 ℃下煅烧18-22分钟得到覆盖在ITO导电基片上的ZnO致密薄膜，将其置于0.04 mol/L硝酸锌[ZnO(NO3)2·6H2O]和0.04 mol/L六亚甲基四胺组成的水溶液中，密封后于85-95 ℃烘箱中反应1.8-2.2小时，得到ZnO纳米棒阵列；
B、在室温下，将步骤A所得ZnO纳米棒阵列置于盛有浓度为0.01-0.03 mol/L的醋酸锌乙醇溶液的高压釜中，密封后于90-100 ℃烘箱中反应1-4小时，得到由ZnO量子点组成的多晶膜为壳层的垂直生长于ITO层之上的ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列，ZnO壳层的厚度由高压釜中的反应时间控制在5-20 nm；
C、将B步骤得到ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列置于盛有浓度为2-8×10-6 mol/L的 N719乙醇溶液的高压釜中，密封后于70-90 ℃烘箱中反应6-10小时，得到N719修饰的ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列；
D、将以氯苯为溶剂且浓度为5-20 mg/mL的MEH-PPV的溶液于室温下旋涂到C步骤所得的N719改性的ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列上，并在惰性气体保护下于120-180 ℃热处理5-30分钟，使得MEH-PPV填充到ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒的间隙之中并在ZnO纳米棒-量子点同质核壳结构纳米棒阵列上方形成MEH-PPV膜层； 
E、在步骤D所得的MEH-PPV膜层上旋涂一层体积比为1：0.5-1.5的PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液或PEDOT:PSS溶液，在惰性气体保护下于100 ℃下热处理5-30分钟，得到PEDOT:PSS膜层作为空穴传导层，在PEDOT:PSS膜层上通过热蒸发方法蒸镀厚度为60-120 nm的Au膜, 得到杂化太阳电池；
F、将杂化太阳电池在惰性气体保护下进行封装即得产品。
5.根据权利要求4所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤D所述的溶剂氯苯用四氢呋喃、氯仿、苯代替。
6.根据权利要求4所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤D所述的旋涂操作，用丝网印刷法或刮片法或喷墨打印法代替。
7.根据权利要求4所述的有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤D、E、F所述的惰性气体选择氮气。
CN201110387893.6A 2011-11-30 2011-11-30 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法 Expired - Fee Related CN102544378B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110387893.6A CN102544378B (zh) 2011-11-30 2011-11-30 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110387893.6A CN102544378B (zh) 2011-11-30 2011-11-30 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102544378A CN102544378A (zh) 2012-07-04
CN102544378B true CN102544378B (zh) 2014-07-09

Family

ID=46350780

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110387893.6A Expired - Fee Related CN102544378B (zh) 2011-11-30 2011-11-30 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102544378B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103151462B (zh) * 2013-01-18 2016-12-28 中国科学院等离子体物理研究所 一种基于TiO2同质核壳纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN103112820B (zh) * 2013-01-31 2014-02-26 中国科学院上海技术物理研究所 纳米颗粒与纳米棒杂化结构的一步合成方法
CN103337591B (zh) * 2013-06-20 2015-08-12 中国科学院化学研究所 一种有机无机杂化纳米材料及其制备方法与应用
CN103972398B (zh) * 2014-04-11 2017-03-29 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种有机无机杂化太阳能电池及其制备方法
CN104867678B (zh) * 2015-04-17 2018-04-03 新余学院 导电聚合物/氧化锌复合对电极及其制备方法
CN106410052A (zh) * 2016-09-29 2017-02-15 Tcl集团股份有限公司 Qled器件及其制备方法
CN107275424B (zh) * 2017-06-13 2019-04-19 大连民族大学 一种基于同质ZnO纳米核壳阵列的紫外光响应器件及制备方法
CN108832023A (zh) * 2018-06-29 2018-11-16 京东方科技集团股份有限公司 封装结构、电子装置及封装方法
CN112909108A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 重庆科技学院 基于量子点的壳芯结构纳米线阵列太阳能电池
CN114864739B (zh) * 2022-04-07 2023-11-07 兰州大学 一种通过旋涂法提高单晶硅太阳能电池效率的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101552322A (zh) * 2009-04-30 2009-10-07 苏州大学 一种氧化锌基有机/无机杂化纳米结构太阳电池
CN102234846A (zh) * 2010-04-28 2011-11-09 中国科学院化学研究所 具有微米管套纳米线结构的核/壳纤维及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101552322A (zh) * 2009-04-30 2009-10-07 苏州大学 一种氧化锌基有机/无机杂化纳米结构太阳电池
CN102234846A (zh) * 2010-04-28 2011-11-09 中国科学院化学研究所 具有微米管套纳米线结构的核/壳纤维及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZnO一维纳米结构的p型掺杂及同质结发光二极管的制备和物性研究;方铉;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技I辑》;20100215(第2期);B020-43 *
方铉.ZnO一维纳米结构的p型掺杂及同质结发光二极管的制备和物性研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技I辑》.2010,(第2期),B020-43.

Also Published As

Publication number Publication date
CN102544378A (zh) 2012-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102544378B (zh) 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN102412369B (zh) 一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN105469996B (zh) 一种基于金属纳米粒子界面修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN104966781B (zh) 一种钙钛矿纳米纤维膜太阳能电池及其制备方法
CN103367512B (zh) 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法
CN204243085U (zh) 钙钛矿基薄膜太阳电池
Hao et al. A novel semiconductor-sensitized solar cell based on P3HT@ CdS@ TiO2 core-shell nanotube array
CN102842676B (zh) 一种基于TiO2-CuInS2核壳纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN105047826B (zh) 一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN101901693A (zh) 石墨烯复合染料敏化太阳能电池的光阳极及其制备方法
CN103137868B (zh) 一种基于三元纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN108767113B (zh) 一种TiO2纳米柱-Au纳米粒子复合阵列、制备方法及其应用
CN108232016B (zh) 基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池
CN102394272A (zh) 一种增强有机聚合物太阳能电池效率的方法
CN107706308A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN109065724B (zh) 一种Mo-二氧化钛-AgNWs柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN110844936A (zh) 一种三硫化二锑纳米棒阵列的制备方法及基于其的太阳电池
KR101828943B1 (ko) 금속 산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
CN108470833A (zh) 界面修饰的氧化锌纳米棒阵列作为电子传输层在制备钙钛矿太阳能电池中的应用
CN103151462B (zh) 一种基于TiO2同质核壳纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN107732014B (zh) 一种基于三元无机体型异质结薄膜的太阳电池及其制备方法
CN103904217B (zh) 一种多元有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN102254702A (zh) 一种复合光阳极材料及在染料敏化电池制备中的应用
CN103972398B (zh) 一种有机无机杂化太阳能电池及其制备方法
CN106711333A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140709

Termination date: 20181130

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee