CN102623643A - 采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底上面的一侧沉积溅射一层氧化锌掺铝层，该氧化锌掺铝层为阴极；步骤2：在暴露的衬底上面和氧化锌掺铝层上面的一侧，旋涂掺入金颗粒的聚噻吩富勒烯混合物，形成光敏层；步骤3：在光敏层上通过热蒸发沉积一层氧化钼层；步骤4：通过热蒸发，在氧化钼层上沉积银层，该银层为阳极，完成反型聚合物太阳电池的制备。其是通过表面改性Au颗粒，解决其不能稳定分散于非极性溶剂的问题，增强电池对太阳光的吸收能力。提高聚合物太阳电池的寿命及光电转换效率。

Description

采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法
技术领域
本发明涉及有机太阳能电池技术领域，特别涉及采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法。
背景技术
有机聚合物太阳电池和硅基及其它无机化合物电池相比，由于不涉及高温制备过程、工艺流程简单、适合大面积生产等优势，可大幅度降低电池生产成本。此外，聚合物太阳电池与柔性衬底结合，在生产过程中可以采用卷对卷生产工艺，同时制备的柔性器件具有更广阔的应用前景。然而，目前有机聚合物电池还存在光电转换效率低，使用寿命短等问题。因此通过研究制备有机聚合物太阳电池相关的材料、结构及制备工艺，提高聚合物电池的光电转换效率及使用寿命成为国内外研究的热点。
目前研究最多的一种电池结构为ITO沉积于衬底上作为阳极，最后沉积金属铝(Al)作为阴极，两电极之间为阻挡层及活性层，这种结构被称为正型太阳电池结构。这种电池结构由于采用性质活泼的Al作阴极，在空气中极易被氧化导致电极对电子的抽取及传导能力下降；另一方面，ITO作为阳极时通常采用PEDOT：PSS作为阻挡层以达到减少阳极区域载流子复合几率提高电池光电转换的目的，然而PEDOT：PSS作为酸性水溶液涂覆不但会增加工艺复杂性，而且水分子会降低电池活性层材料的光电转换效率，同时对ITO电极具有腐蚀作用，缩短电池寿命。一种解决正型电池上述缺陷的方式为采用反型电池结构，即选择透明电极作为阴极，选择具有更高功函数的惰性金属作为阳极。阴极选用ZnO:Al材料不必额外增加阴极阻挡层，这主要得益于ZnO作为宽禁带半导体其价带与给体LUMO能量差提供足够的空穴势垒。而阳极在电池背面，一方面选用惰性金属可以避免电极氧化问题，另一方面不用苛求阳极阻挡层的透光性而有更广阔的材料选择空间。
目前还有一种提高太阳电池光电转换效率的方法是采用金属表面等离激元效应增强电池活性层对太阳光的吸收能力。金属表面等离激元为电磁场使位于金属表面附近自由电子集体震荡的行为。这种量子化的震荡使金属附近的介质对某一波长的光产生增强吸收现象。近年来，已经通过实验证实在聚合物太阳电池中掺入Au颗粒或Ag颗粒可以提高电池的光电转换效率。
化学法合成Au颗粒以其工艺简单并与聚合物太阳制备工艺兼容被众多研究团队所采用。然而目前合成方案成熟的Turkevich法制备的Au颗粒为亲水性颗粒，不能直接添加至聚合物层中，限制其在聚合物太阳电池中的应用。解决方案为在Au颗粒表面修饰疏水性基团，使其能在非极性溶剂中稳定分散，在电池制备过程中可直接按比例向聚合物溶液中添加。
综上所述，本发明基于上述提高聚合物有机电池稳定性及光电转化效率的方案，提出在利用氧化锌(ZnO):铝(Al)作为阴极的反型电池结构中，活性层中加入表面由DDAB修饰的金(Au)颗粒，以提高反型聚合物太阳电池效率的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其是通过表面改性过Au颗粒掺入光敏层中，利用金属表面等离激元效应增强聚合物电池的光电转换效率。解决聚合物太阳电池PEDOT：PSS层对ITO的腐蚀问题，同时解决Al电极的氧化问题。通过表面改性Au颗粒，解决其不能稳定分散于非极性溶剂的问题，增强电池对太阳光的吸收能力。提高聚合物太阳电池的寿命及光电转换效率。
为达到上述目的，本发明提出了一种采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上面的一侧沉积溅射一层氧化锌掺铝层，该氧化锌掺铝层为阴极；
步骤2：在暴露的衬底上面和氧化锌掺铝层上面的一侧，旋涂掺入金颗粒的聚噻吩富勒烯混合物，形成光敏层；
步骤3：在光敏层上通过热蒸发沉积一层氧化钼层；
步骤4：通过热蒸发，在氧化钼层上沉积银层，该银层为阳极，完成反型聚合物太阳电池的制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、有表面修饰的Au颗粒可稳定分散于P3HT与PCBM混合物的氯苯溶液。本发明采用相转移法在有机溶剂中直接合成Au颗粒，其表面有DDAB修饰，可稳定分散于非极性溶剂中。
2、采用本发明的方法制备的反型电池结构，其可解决正型结构中ITO电极与Al电极的腐蚀氧化问题。用ZnO:Al作为透明电极，其透光率高于ITO电极，表面粗糙度小于ITO电极。同时ZnO作为宽禁带半导体，作为聚合物太阳电池阴极时，不用额外制备阴极阻挡层。用MoO3代替PEDOT：PSS作为阳极阻挡层，可减少在器件制备过程中水对活性层的不利影响。
3、本发明避免了含水工艺。在简化工艺的同时，保证电池的稳定与高效。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为等离激元增强反型聚合物太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，本发明提供一种采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底10上面的一侧沉积溅射一层氧化锌掺铝层20，该氧化锌掺铝层20为阴极，该氧化锌掺铝层20的厚度为250至500nm，所述氧化锌掺铝层20中铝的质量分数为0.5％至1.5％；
氧化锌掺铝层20的方块电阻为20Ω至10Ω，RMS粗糙度小于1.5nm。电极对300nm至700nm波长范围内的太阳光具有大于85％的吸光率。此参数同时保证氧化锌掺铝层20具有较低的方块电阻与较高的太阳光透过率。由于采用宽禁带半导体氧化锌材料，其价带与聚噻吩的最高被占据分子轨道(HOMO)的能量差所形成的势垒能够有效阻挡空穴进入阴极区域，所以本专利所述的电池结构无需采用额外的阴极阻挡层。简化电池制备工艺，为电池的工业化生产提供降低成本空间。
步骤2：在暴露的衬底10上面和氧化锌掺铝层20上面的一侧，旋涂掺入金颗粒301的聚噻吩富勒烯混合物，形成光敏层30，该光敏层30的厚度为80nm至200nm，所述聚噻吩富勒烯混合物中聚噻吩与富勒烯的质量比为1至1.5，所述旋涂掺入金颗粒301的聚噻吩富勒烯混合物中金颗粒301与聚噻吩的质量比为0.7％至1.5％，所述金颗粒301的尺寸为5nm至10nm；
本发明采用相转移法在有机溶剂中直接合成金颗粒301，其表面有DDAB修饰，可稳定分散于非极性溶剂中。采用本专利所述的金颗粒301合成方法，一方面能使金颗粒301均匀掺入光敏层30中，另一方面，DDAB作为配体修饰金颗粒301表面缺陷，有效减少了载流子在传输过程中因缺陷能级引起的复合现象，有利于提高电池效率。
步骤3：在光敏层30上通过热蒸发沉积一层氧化钼层40，该氧化钼层40的厚度为10nm至20nm；氧化钼层40可以有效阻挡电子进入阳极区域，提高阳极对空穴的收集能力，提高电池效率。
步骤4：通过热蒸发，在氧化钼层40上沉积银层50，该银层50为阳极，该银层50的厚度为100nm至200nm。将镀完电极的电池在手套箱中退火。退火温度为130℃，退火时间为15min。至此完成反型聚合物太阳电池的制备。
实施例
1.称量8mg DDAB溶解于4ml氯仿中，充分溶解，其中加入2ml HAuCl4水溶液(4mg/ml)，可以观察到上层为黄色溶液，下层为无色溶液。经过剧烈摇晃，使AuCl4-离子与DDAB结合并转移至下层氯仿溶液中，此时上层为无色溶液，下层为黄色溶液。
2.称量75.66mg NaBH4溶解于1mlH2O中，用移液器吸取0.8mlNaBH4水溶液缓慢滴加至1中所述溶液中。所述缓慢滴加为均匀滴加2min。在常温下剧烈搅拌反应2h。可观察到下层为暗红色，上层为无色。
3.静置去除透明水层，将分散在有机溶剂中的金颗粒301暗红色溶胶经过酒精/有机溶剂的沉淀/分散循环清洗过程，最后分散在600μl氯苯中形成金颗粒301氯苯溶胶备用。
4.按质量比为1∶0.8分别称量20mg聚噻吩和16mg富勒烯溶解于1ml氯苯中。所述溶解过程在充满氮气的手套箱中进行，将溶液置于50℃热板搅拌加热12小时。
5.取3中制备的金颗粒301氯苯溶胶50μl及4中制备的聚噻吩富勒烯混合溶液150μl混合超声10min。使金颗粒301均匀分散于聚噻吩富勒烯溶液中，操作过程中溶液在N2保护下进行。
6.在清洗干燥的玻璃衬底10上通过磁控溅射沉积275nm厚度氧化锌掺铝层20作为阴极。所述的氧化锌掺铝层20电极中铝的质量分数为1％。
7.在氧化锌掺铝层20上旋涂5中制备的含金颗粒301聚噻吩富勒烯溶液，转速600rpm，时间为30s。所述的混有金颗粒301的聚合物活性层厚度为160nm。
8.用真空蒸镀机先蒸镀氧化钼层40，所述氧化钼层40厚度为15nm，接下来蒸镀银层50，银层50厚度为100nm。
9.将镀完电极的电池在手套箱中退火。退火温度为130℃，退火时间为15min。至此完成反型聚合物太阳电池的制备。
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 (9)

1.一种采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上面的一侧沉积溅射一层氧化锌掺铝层，该氧化锌掺铝层为阴极；
步骤2：在暴露的衬底上面和氧化锌掺铝层上面的一侧，旋涂掺入金颗粒的聚噻吩富勒烯混合物，形成光敏层；
步骤3：在光敏层上通过热蒸发沉积一层氧化钼层；
步骤4：通过热蒸发，在氧化钼层上沉积银层，该银层为阳极，完成反型聚合物太阳电池的制备。
2.根据权利要求1所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中氧化锌掺铝层的厚度为250至500nm。
3.根据权利要求2所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中氧化锌掺铝层铝的质量分数为0.5％至1.5％。
4.根据权利要求1所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中光敏层的厚度为80nm至200nm。
5.根据权利要求1所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中聚噻吩富勒烯混合物中聚噻吩与富勒烯的质量比为1至1.5。
6.根据权利要求1所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中旋涂掺入金颗粒的聚噻吩富勒烯混合物中金颗粒与聚噻吩的质量比为0.7％至1.5％。
7.根据权利要求6所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中金颗粒的尺寸为5nm至10nm。
8.根据权利要求1所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中氧化钼层的厚度为10nm至20nm。
9.根据权利要求1所述的采用等离激元效应制备反型聚合物太阳电池的方法，其中银层的厚度为100nm至200nm。
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