CN103531713A - 无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：S1，提供一太阳能电池导电基底；S2,通过PECVD方法在一生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜；S3，通过机械法将该硅纳米晶薄膜从该生长基底表面分离；S4，机械粉碎从生长基底表面分离的该硅纳米晶薄膜，得到硅纳米晶粉末；S5，将该硅纳米晶粉末与共轭聚合物在有机溶剂中混合，形成混合液；S6，超声振荡该混合溶液，使硅纳米晶均匀分散在该混合液中；S7，将该混合液涂覆在该太阳能电池导电基底表面，形成硅纳米晶/共轭聚合物层；以及S8，在该硅纳米晶/共轭聚合物层表面设置第二电极；其中，步骤S3~S7均在保护气体中进行。

Description

无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机/无机混合体系太阳能电池的制备方法，尤其涉及一种无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法。
背景技术
近年来，有机/无机杂化太阳能电池由于集合了有机材料和无机材料各自的优异性能，逐渐成为太阳能电池领域的研究热点，其中基于无机半导体纳米晶和共轭聚合物混合体系的杂化太阳能电池最为引起人们的广泛关注。共轭聚合物可以采用溶液法进行制备，在可见光区域具有较强的光谱吸收，因此将共轭聚合物制成太阳能电池只需形成很薄的膜层即可满足要求。与块体材料不同的是，无机半导体纳米晶由于特有的量子限域效应，通过改变晶粒的尺寸可以调节对太阳光谱的吸收范围。将无机纳米晶混入聚合物中不但可以沿用溶液法的工艺制程，在电池器件中所形成的逾渗网络将会给载流子提供高速的迁移通道。
目前已报道用于构筑有机/无机杂化太阳能电池的无机半导体纳米晶包括：CdSe、ZnO、TiO2、PbS、PbSe、CuInS2以及CdSe等等。在这些杂化太阳能电池器件中，有机半导体材料为空穴的传输介质，而无机半导体材料为电子的传输介质。CdSe纳米晶/P3HT杂化太阳能电池光电转换效率目前已达到2%左右。ZnO纳米晶/MEH-PPV和TiO2纳米晶/P3HT杂化太阳能电池也具有理想的光电转换效率。
在制备方面，现有的有机/无机杂化太阳能电池中的无机半导体纳米晶均采用有机液相法制备。例如，将醋酸锌的二水化合物固体加入到甲醇溶液中，升温、搅拌，制备醋酸锌盐的前驱体溶液，然后把氢氧化钾溶液慢慢滴入到醋酸锌盐的前驱体溶液中，反应得到乳白色的纳米ZnO稳定溶胶溶液。类似方法还可以得到CdSe、TiO2、PbS、PbSe、CuInS2以及CdSe纳米晶溶液。
然而，有机液相法制备无机半导体纳米晶通过有机基团的相互反应进行，得到的纳米晶表面仍会残留有机基团，在一定程度上限制了无机半导体纳米晶的电子传输性能。其次，有机液相法制备无机半导体纳米晶受外部温度、反应时间、溶液浓度等影响因素较多，具有极大的随机性和不确定性，可重复性差。另外，通过有机液相法制备无机半导体纳米晶的涉及试剂较多，反应条件苛刻，工艺复杂。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种简单可控的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法。
一种无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：S1，提供一太阳能电池导电基底，该太阳能电池导电基底包括一绝缘衬底、设置在该绝缘衬底表面的第一电极以及覆盖该第一电极的缓冲层；S2, 通过PECVD方法在一生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜；S3，通过机械法将该硅纳米晶薄膜从该生长基底表面分离；S4，机械粉碎从生长基底表面分离的该硅纳米晶薄膜，得到硅纳米晶粉末；S5，将该硅纳米晶粉末与共轭聚合物在有机溶剂中混合，形成混合液；S6，超声振荡该混合溶液，使硅纳米晶均匀分散在该混合液中；S7，将该混合液涂覆在该太阳能电池导电基底表面，形成硅纳米晶/共轭聚合物层，该硅纳米晶/共轭聚合物层覆盖该缓冲层；以及S8，在该硅纳米晶/共轭聚合物层表面设置第二电极；其中，步骤S3~S7均在保护气体中进行。
相较于现有技术，本发明的无机纳米晶为硅纳米晶，半导体硅原材料丰富、无毒，且具有较强的紫外光吸收特性，相对于现有的无机纳米晶具有成本低、安全环保，且紫外光吸收特性好的优点。本发明通过PECVD方法制备硅纳米晶薄膜，再将该硅纳米晶通过机械的方法进行收集和磨粉，并与共轭聚合物复合成膜。该方法避免了有机液相法的不确定性及随机性，具有较好的重复性。并且纳米晶表面无有机基团，避免了成膜后对膜层的电子传输性能的影响。通过PECVD法可以容易的生长出真正纳米级晶体结构，工艺简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明实施例太阳能电池的电流-电压曲线。
图3为本发明实施例太阳能电池的吸收谱。
主要元件符号说明
无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池 100
绝缘衬底 102
第一电极 104
缓冲层 106
太阳能电池导电基底 110
硅纳米晶/共轭聚合物层 120
第二电极 130
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施例提供的所述无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池100的制备方法包括以下步骤：
S1，提供一太阳能电池导电基底110，该太阳能电池导电基底110包括一绝缘衬底102、设置在该绝缘衬底102表面的第一电极104以及覆盖该第一电极104的缓冲层106；
S2, 通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在一生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜；
S3，通过机械法将该硅纳米晶薄膜从该生长基底表面分离；
S4，机械粉碎从生长基底表面分离的该硅纳米晶薄膜，得到硅纳米晶粉末；
S5，将该硅纳米晶粉末与共轭聚合物在有机溶剂中混合，形成混合液；
S6，超声振荡该混合溶液，使硅纳米晶均匀分散在该混合液中；
S7，将该混合液涂覆在该太阳能电池导电基底110表面，形成硅纳米晶/共轭聚合物层120，该硅纳米晶/共轭聚合物层120覆盖该缓冲层106；以及
S8，在该硅纳米晶/共轭聚合物层120表面设置第二电极130；
其中，步骤S3~S7均在保护气体中进行。
在上述步骤S1中，该绝缘衬底102的材料可以为玻璃、石英、陶瓷、塑料或树脂。该绝缘衬底102可以为透光衬底。本实施例中，该绝缘衬底102的材料为玻璃。该第一电极104为膜状电极，材料可以是金属、导电聚合物或氧化铟锡。本实施例中，该第一电极104为沉积在该绝缘衬底102表面的氧化铟锡薄膜。该第一电极104可以为条形电极或点状电极，具体可通过预先在该绝缘衬底102表面沉积一导电薄膜，再将该导电薄膜图案化形成。该第一电极104的厚度可以为50纳米～200纳米。本实施例中，该太阳能电池导电基底110包括两个2.3毫米宽的氧化铟锡条带，该两个氧化铟锡条带相互间隔的设置在该玻璃衬底表面。
该缓冲层106在覆盖该第一电极104的同时还覆盖该绝缘衬底102的表面。该缓冲层106的材料可以为聚(亚乙基-二氧基)噻吩(PEDOT)或PEDOT与聚苯乙烯磺酸(PSS)的混合物(PEDOT:PSS)。该缓冲层106可以使该硅纳米晶/共轭聚合物层120与该第一电极104稳定的结合。该缓冲层106的厚度优选为20纳米至100纳米。该缓冲层106可以通过湿法涂覆的方法形成，如旋转涂覆、浸渍涂覆、喷墨打印、丝网印刷等。另外，在设置该缓冲层106之前，该形成有氧化铟锡第一电极104的绝缘衬底102可预先经过氧等离子体处理，使该氧化铟锡第一电极104具有亲水性。
在本实施例中，该形成有氧化铟锡第一电极104的绝缘衬底102先经过丙酮、异丙醇和蒸馏水的清洗，再通过氧等离子体处理10分钟，然后将PEDOT:PSS水溶液旋转涂覆于该绝缘衬底102表面，并覆盖该氧化铟锡第一电极104，形成厚度约为50纳米的缓冲层106，最后在130℃烘干5分钟，去除缓冲层106中的水分。
在上述步骤S2中，该硅纳米晶薄膜在PECVD反应腔体中沉积，具体包括：将该生长基底设置在PECVD反应腔体中的等离子体区；通过电极加热该生长基底；向该PECVD反应腔体中通入硅烷(SiH4)气体，使该硅烷气体在该等离子体区分解，从而在该生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜。该硅烷气体的流量优选为200立方厘米/分钟～500立方厘米/分钟，等离子体的射频功率优选为30瓦～110瓦，PECVD反应腔体的压力优选为100帕～300帕。
该硅纳米晶薄膜的厚度优选为300纳米～1微米。厚度较大的硅纳米晶薄膜有利于后续的通过机械方法收集。该硅纳米晶薄膜中硅纳米晶的晶粒尺寸为20纳米～100纳米。
上述步骤S3~S7可在手套箱中进行，该手套箱中充有保护气体，如氮气或氩气。在保护气体中进行操作可以避免硅纳米晶表面氧化，使纯净的硅纳米晶与共轭聚合物复合。
在上述步骤S3中，可通过工具（如刀片）将该硅纳米晶薄膜从生长基底表面刮落。刮落的硅纳米晶薄膜可能为尺寸较大的碎片，因此可进一步通过步骤S4将该大尺寸的硅纳米晶薄膜研磨成粒度均匀的粉末。
上述步骤S4中，该从生长基底表面分离的硅纳米晶薄膜可通过在搅拌机或球磨机等破碎或研磨装置中进行粉碎。较简单的方法是通过手动的方式，例如是将该硅纳米晶薄膜放入碾钵中，并放入少量酒精，将硅纳米晶薄膜在碾钵中碾碎成粉状。可以理解，该硅纳米晶粉末的粒度可以为纳米级也可以为微米级，该硅纳米晶粉末的粒度并不影响硅纳米晶的晶粒尺寸。
在上述步骤S5中，该共轭聚合物可以为聚(2-甲氧基)-5-(2’-乙基己氧基)对亚苯基亚乙烯基(poly[2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene-vinylene], MEH-PPV)、聚-3-噻吩(P3HT)及并五苯中的一种或多种。该有机溶剂可以为四氢呋喃（THF）、氯仿、甲苯、二甲苯、甲醇、异丙醇及丁醇中的一种或多种。该硅纳米晶在该混合液中的质量百分含量可以为40%～50%，优选为42%。该硅纳米晶与该共轭聚合物的质量比可以为3:2～4:1。
本实施例中，将制成的硅纳米晶与P3HT以质量比为7:3的比例充分混合后溶入THF溶剂中。
在上述步骤S6中，为防止偏聚，该超声振荡可进一步结合机械搅拌进行，例如在进行一段时间超声振荡后对该混合液进行机械搅拌，然后再继续进行超声振荡，反复多次直至硅纳米晶均匀分散在该混合液中。
在上述步骤S7中，该混合液具体涂覆在该缓冲层106表面。该硅纳米晶/共轭聚合物层120可以通过湿法涂覆的方法形成，如旋转涂覆、浸渍涂覆、喷墨打印、丝网印刷等。该硅纳米晶/共轭聚合物层120的厚度优选为100纳米～150纳米。
进一步地，在涂覆后可进一步通过自然干燥或加热烘干使该硅纳米晶/共轭聚合物层120中的有机溶剂去除。
本实施例中，该共轭聚合物为P3HT，将配比好的硅纳米晶/P3HT混合液进行超声振荡，使混合液中的硅纳米晶分散均匀。随即在手套箱中将分散均匀好的硅纳米晶/P3HT混合液旋转涂覆在PDOT:PSS缓冲层106表面，形成硅纳米晶/共轭聚合物层120，该硅纳米晶/共轭聚合物层120的厚度约为100纳米。
在上述步骤S8中，该第二电极130与该第一电极104同为膜状电极，材料可以是金属、导电聚合物或氧化铟锡。该第二电极130可以为条形电极或点状电极，具体可通过预先在该绝缘衬底102表面沉积一导电薄膜，再将该导电薄膜图案化形成。该第二电极130可以通过蒸发或沉积的方法形成在该硅纳米晶/共轭聚合物层120表面。该第二电极130的厚度可以为50纳米～200纳米。
本实施例中，该第二电极130的材料为金属铝，通过真空蒸发法形成在该硅纳米晶/共轭聚合物层120表面，该第二电极130的厚度约为100纳米。
本实施例中，从该第一电极104及第二电极130分别连导线进行太阳能电池的光伏性能测试。该太阳能电池的电流-电压曲线如图2所示。该太阳能电池的吸收谱如图3所示。
本发明的无机纳米晶为硅纳米晶，半导体硅原材料丰富、无毒，且具有较强的紫外光吸收特性，相对于现有的无机纳米晶具有成本低、安全环保，且紫外光吸收特性好的优点。本发明通过PECVD方法制备硅纳米晶薄膜，再将该硅纳米晶通过机械的方法进行收集和磨粉，并与共轭聚合物复合成膜。该方法避免了有机液相法的不确定性及随机性，具有较好的重复性。并且纳米晶表面无有机基团，避免了成膜后对膜层的电子传输性能的影响。通过PECVD法可以容易的生长出真正纳米级晶体结构，工艺简单。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供一太阳能电池导电基底，该太阳能电池导电基底包括一绝缘衬底、设置在该绝缘衬底表面的第一电极以及覆盖该第一电极的缓冲层；
S2, 通过PECVD方法在一生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜；
S3，通过机械法将该硅纳米晶薄膜从该生长基底表面分离；
S4，机械粉碎从生长基底表面分离的该硅纳米晶薄膜，得到硅纳米晶粉末；
S5，将该硅纳米晶粉末与共轭聚合物在有机溶剂中混合，形成混合液；
S6，超声振荡该混合溶液，使硅纳米晶均匀分散在该混合液中；
S7，将该混合液涂覆在该太阳能电池导电基底表面，形成硅纳米晶/共轭聚合物层，该硅纳米晶/共轭聚合物层覆盖该缓冲层；以及
S8，在该硅纳米晶/共轭聚合物层表面设置第二电极；
其中，步骤S3~S7均在保护气体中进行。
2.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该缓冲层的材料为PEDOT或PEDOT与PSS的混合物。
3.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该通过PECVD方法在一生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜的步骤包括：
将该生长基底设置在PECVD反应腔体中的等离子体区；
通过电极加热该生长基底；
向该PECVD反应腔体中通入硅烷气体，使该硅烷气体在该等离子体区分解，从而在该生长基底表面沉积硅纳米晶薄膜，该硅烷气体的流量为200立方厘米/分钟～500立方厘米/分钟，等离子体的射频功率为30瓦～110瓦，PECVD反应腔体的压力为100帕～300帕。
4.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该硅纳米晶薄膜的厚度为300纳米～1微米。
5.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该硅纳米晶薄膜中硅纳米晶的晶粒尺寸为20纳米～100纳米。
6.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该步骤S3~S7在手套箱中进行，该手套箱中充有该保护气体。
7.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该共轭聚合物为MEH-PPV、P3HT及并五苯中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该超声振荡进一步结合机械搅拌进行。
9.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该硅纳米晶在该混合液中的质量百分含量为40%～50%。
10.如权利要求1所述的无机纳米晶/共轭聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于，该硅纳米晶/共轭聚合物层的厚度为100纳米～150纳米。
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