CN103794374A - 一种基于石墨烯掺杂p3ht的有机无机杂化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能及其制备方法。该有机无机杂化太阳能电池是以FTO导电玻璃作为光阳极，在FTO上镀上金属Ti膜，用以制备TiO2纳米管阵列，在TiO2纳米管阵列上吸附N719染料，在TiO2-N719阵列上沉积导电聚合物P3HT或P3HT与石墨烯的复合体，最后在P3HT层或其复合体层上镀金电极。使用本发明能使有机无机杂化太阳能电池光电转换效率提高约130%。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机无机杂化太阳能电池主要是由有机导电聚合物给体和无机半导体受体构成，它既有有机物的成膜性好、易制备柔性器件的优点，又具有无机材料的高稳定性、高迁移率等优点，具有良好的发展前景，因此成为近年来的研究热点。然而有机无机杂化太阳能电池存在光电转换效率较低的问题，从而阻碍了其生产与应用。为提高有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率，国内外学者做了很多研究，比如采用能级更匹配的有机物或半导体材料；改善半导体材料纳米结构，增大其与有机聚合物的接触面积；对有机无机材料界面进行界面修饰，改善有机无机材料的界面相容性等等。然而导电聚合物P3HT的激子扩散长度小，复合几率大，一直是制约该类电池的光电转换效率的主要原因之一。石墨烯是一种几乎透明的新材料，具有良好的稳定性和极快的电子迁移率。因此，在导电聚合物中混入一定比例的石墨烯，改善其电荷传输性能，是改善有机无机杂化太阳能电池光电性能的一种有效途径。
发明内容
本发明提供了一种基于石墨烯掺杂聚3-己基噻吩（P3HT）的有机无机杂化太阳能电池，该太阳能电池光电转换效率有显著提高。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能电池，是以FTO导电玻璃作为光阳极，在FTO上有TiO2纳米管阵列，在TiO2纳米管阵列上吸附有N719染料，在TiO2-N719阵列上沉积有导电聚合物P3HT与石墨烯的复合体，在P3HT与石墨烯的复合体上有金电极作为光阴极。复合体中，石墨烯与P3HT的质量比为1：19。
本发明还提供了上述基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）在导电玻璃FTO 基片上制备Ti膜；
（2）以步骤（1）所得Ti膜制备TiO2纳米管阵列；
（3）制备N719的乙醇溶液，TiO2纳米管阵列通过在N719的乙醇溶液浸泡，吸附N719染料，制得TiO2-N719阵列；
（4）TiO2-N719阵列上沉积一层导电聚合物P3HT与石墨烯的复合体；
（5）通过磁控溅射在P3HT与石墨烯的复合体上沉积金电极作为光阴极。
本发明步骤（1）中Ti膜制备是通过磁控溅射完成，溅射条件为气压0.5 Pa、功率100 W、衬底温度300 ℃、溅射时间30 min。
本发明步骤（2）中以Ti膜制备TiO2纳米管阵列的方法为阳极氧化法，其具体步骤为在置入电解液中镀有Ti膜的FTO和Pt片之间加50 V电压，氧化15 min后取出用乙醇清洗，最后在管式退火炉中450 ℃下退火60 min。
本发明步骤（2）中阳极氧化所用电解液是质量比0.5% 氟化铵和体积比3%去离子水的乙二醇溶液。
本发明步骤（3）中N719的乙醇溶液浓度为0.03 mol/mL，TiO2纳米管阵列在N719的乙醇溶液浸泡时间为24 h。
本发明步骤（4）中沉积P3HT与石墨烯复合体的方法是：使用20 mg/mL的P3HT和石墨烯的1,2,4-三氯苯溶液在TiO2-N719纳米管阵列上以1000转/分钟进行旋涂，然后在真空干燥箱中150 ℃下热处理30 min。
本发明步骤（4）中1,2,4-三氯苯溶液中石墨烯与P3HT的质量比为1：19。
本发明通过在P3HT中混入一定量的石墨烯，能改善P3HT的导电性能，加速激子分离，可有效提高有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1 是本发明一种基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能电池的结构示意图。
图2是结构分别为TiO2-N719/P3HT和TiO2-N719/P3HT:石墨烯的薄膜的荧光寿命图谱。
图3 是分别基于结构为TiO2-N719/P3HT和TiO2-N719/P3HT:石墨烯的有机无机杂化太阳能电池的I-V曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
如图1 所示，一种基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能电池，是以FTO导电玻璃作为光阳极，在FTO上有TiO2纳米管阵列，在TiO2纳米管阵列上吸附有N719染料，在TiO2-N719阵列上沉积有导电聚合物P3HT与石墨烯的复合体，在P3HT与石墨烯的复合体上有金电极作为光阴极。复合体中，石墨烯与P3HT的质量比为1：19。
本实施例还提供了一种上述基于石墨烯掺杂P3HT的有机无机杂化太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）导电玻璃FTO（掺氟的SnO2）基片在去离子水、丙酮、异丙醇体积比为1:1:1的溶液中超声清洗60 min，冲洗烘干，通过磁控溅射在FTO基片上制备Ti膜，溅射条件为气压0.5 Pa、功率100 W、衬底温度300 ℃、溅射时间30 min。
（2）通过阳极氧化法用步骤（1）所得Ti膜制备TiO2纳米管阵列，其具体步骤为将0.38 g氟化铵和2.10 mL去离子水溶于70 mL乙二醇制得电解液，镀有Ti膜的FTO与Pt片平行置入电解液,间距为3 cm，用稳压电源在之间加50 V电压，其中Ti膜连接电源正极，Pt片连接负极，氧化时间15 min后取出用乙醇清洗，最后在管式退火炉中450 ℃下退火60 min。
（3）制备0.03 mol/mL的N719的乙醇溶液，将退火后的TiO2纳米管阵列置入N719的乙醇溶液中浸泡24 h，制得TiO2-N719阵列；
（4）制备20 mg/mL的P3HT 的1,2,4-三氯苯溶液，另制备20 mg/mL的P3HT:石墨烯的复合体溶液，其中石墨烯与P3HT质量比为1:19。将上述两种溶液分别在TiO2-N719纳米管阵列上以1000转/分钟进行旋涂，获得P3HT层或P3HT:石墨烯复合体层；然后在真空干燥箱中150 ℃下热处理30 min。
（5）通过磁控溅射在P3HT层或P3HT:石墨烯层上沉积金电极作为光阴极。
如图2 所示，结构分别为TiO2-N719/P3HT和TiO2-N719/P3HT:石墨烯的薄膜的荧光寿命图谱。从图中可以看出，TiO2-N719/P3HT:石墨烯的荧光寿命比TiO2-N719/P3HT更短，说明石墨烯在P3HT中能起到加快电荷的传输的作用。
如图3所示， 是分别基于结构为TiO2-N719/P3HT和TiO2-N719/P3HT:石墨烯的有机无机杂化太阳能电池的I-V曲线。电池基本性能参数与寿命均在下表列出。表中参数表明在P3HT中混入石墨烯后，电池的电流密度、填充因子及转换效率都有显著提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于石墨烯掺杂的P3HT的有机无机杂化太阳能电池，其特征在于：以FTO导电玻璃作为光阳极，在FTO上有TiO2纳米管阵列，在TiO2纳米管阵列上吸附有N719染料，在TiO2-N719阵列上沉积有导电聚合物P3HT与石墨烯的复合体，在P3HT与石墨烯的复合体上有金电极作为光阴极。
2.根据权利要求1所述的有机无机杂化太阳能电池，其特征在于：P3HT与石墨烯的复合体中，石墨烯与P3HT的质量比为1：19。
3.权利要求1 所述的有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在导电玻璃FTO 基片上制备Ti膜；
（2）以步骤（1）所得Ti膜制备TiO2纳米管阵列；
（3）制备N719的乙醇溶液，TiO2纳米管阵列通过在N719的乙醇溶液浸泡，吸附N719染料，制得TiO2-N719阵列；
（4）TiO2-N719阵列上沉积一层导电聚合物P3HT与石墨烯的复合体；
（5）通过磁控溅射在P3HT与石墨烯的复合体上沉积金电极作为光阴极。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中Ti膜制备是通过磁控溅射完成，溅射条件为气压0.5 Pa，功率100 W，衬底温度300 ℃，溅射时间30 min。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中以Ti膜制备TiO2纳米管阵列的方法为阳极氧化法，其具体步骤为在置入电解液中镀有Ti膜的FTO和Pt片之间加50 V电压，氧化15 min后取出用乙醇清洗，最后在管式退火炉中450 ℃下退火60 min。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中阳极氧化所用电解液是质量比0.5% 氟化铵和体积比3%去离子水的乙二醇溶液。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中N719的乙醇溶液浓度为0.03 mol/mL，TiO2纳米管阵列在N719的乙醇溶液浸泡时间为24 h。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，使用20 mg/mL的P3HT与石墨烯的1,2,4-三氯苯溶液在TiO2-N719纳米管阵列上以1000转/分钟进行旋涂，然后在真空干燥箱中150 ℃下热处理30 min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于： 1,2,4-三氯苯溶液中石墨烯与P3HT的质量比为1：19。
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