CN104993055A - 基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，包括：一阳极透明导电衬底；一三明治结构的空穴传输层，其制作在阳极透明导电衬底上，该空穴传输层的中间为一层金属纳米颗粒，形成三明治结构；一有源层，其制作在空穴传输层上；一缓冲层，其制作在有源层上；一阴极，其制作在缓冲层上。本发明一方面要充分发挥等离激元近场增强的效果，增强太阳电池的光吸收，从而增大光电流；另一方面，要避免金属纳米颗粒与有源层直接接触，形成电荷复合中心，产生大的漏电流。

Description

基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机太阳电池，特别涉及一种利用等离激元效应提高有机太阳电池效率的结构以及制备方法。
背景技术
能源需求和环境污染问题的日益严重使清洁能源的开发和利用成为研究热点。太阳能可以说是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，利用太阳电池将太阳能转换为电能是解决能源危机的一种有效途径。目前硅基太阳电池已经实现工业化生产，技术发展成熟，电池效率接近理论极限，成本偏高。近年来，低成本的有机太阳电池受到了广泛关注。有机半导体材料具有柔性好、轻质、成本低的特点，并且有机半导体器件制备工艺简单，采用基于溶液的旋涂法、提拉法等方法即可制备。有机太阳电池研究进展很快，目前效率已经超过10％。
由于有机半导体材料载流子迁移率低、激子扩散长度短，有机太阳电池的有源层需要做的比较薄，一般不超过200nm。而薄的有源层不能保证充分的光吸收。二者之间的矛盾制约了有机太阳电池效率的提高。在保证有源层厚度不变的前提下，增强太阳电池光吸收的一种有效途径是引入金属表面等离激元效应。金属纳米颗粒，如Au、Ag，在可见光区域具有明显的表面等离激元效应，可以有效增强光吸收，从而提高有机太阳电池光电转换效率。
表面等离激元具有近场增强的特点，等离激元增强的效果随着距金属纳米颗粒表面距离的增大呈指数衰减。在有机太阳电池中，有源层是光吸收和光电效应的主体。金属纳米颗粒距离有源层越近，光吸收增强效果越明显。但是直接将金属纳米颗粒引入有源层中，容易形成电荷复合中心，产生大的漏电流，不利于电池效率的提高。常用的方法是将金属纳米颗粒引入缓冲层中，或者电极与缓冲层界面处。
基于以上分析，我们提出一种利用等离激元效应提高有机太阳电池效率的新结构。这种结构既能有效发挥金属表面等离激元近场增强的效果，又能避免电荷复合中心的形成。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构及制备方法，一方面要充分发挥等离激元近场增强的效果，增强太阳电池的光吸收，从而增大光电流；另一方面，要避免金属纳米颗粒与有源层直接接触，形成电荷复合中心，产生大的漏电流。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，包括：
一阳极透明导电衬底；
一三明治结构的空穴传输层，其制作在阳极透明导电衬底上，该空穴传输层的中间为一层金属纳米颗粒，形成三明治结构；
一有源层，其制作在空穴传输层上；
一缓冲层，其制作在有源层上；
一阴极，其制作在缓冲层上。
本发明还提供一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在阳极透明导电衬底上旋涂第一层PEDOT：PSS溶液；
步骤2：在第一层PEDOT：PSS溶液上旋涂一层金属纳米颗粒溶液；
步骤3：在金属纳米颗粒溶液上旋涂第二层PEDOT：PSS溶液；
步骤4：退火，形成具有三明治结构的空穴传输层；
步骤5：在空穴传输层上旋涂有机聚合物与富勒烯衍生物的混合溶液，形成有源层；
步骤6：采用热蒸发的方式在有源层上制备一层缓冲层；
步骤7：采用热蒸发的方式在缓冲层上制备一层Al电极，作为阴极，完成太阳电池制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明将Au、Ag等金属纳米颗粒作为单独的一层引入空穴传输层中间，形成一种三明治结构。这种结构既能有效发挥金属表面等离激元近场增强的效果，又能避免电荷复合中心的形成。能够有效提高有机太阳电池光电流，从而提高太阳电池光电转换效率。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案更加清晰明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明作进一步详细说明，其中：
图1为本发明的有机太阳电池结构示意图；
图2为光源为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光下，本发明器件及参比器件的电流密度-电压曲线。
图3为本发明的制备流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，包括：
一阳极透明导电衬底10，所述的阳极透明导电衬底10的材料为ITO或FTO透明导电玻璃；
一三明治结构的空穴传输层20，其制作在阳极透明导电衬底10上，该空穴传输层20的中间为一层金属纳米颗粒21，形成三明治结构，所述的空穴传输层20的材料为PEDOT：PSS，金属纳米颗粒21的材料为Au或Ag，该空穴传输层20的厚度为30-50nm，制作在其内的金属纳米颗粒21的厚度为5-50nm，在此结构中，金属纳米颗粒上下都为空穴传输材料PEDOT：PSS，并且上层PEDOT：PSS的厚度小于下层PEDOT：PSS，上层厚度为5-20nm，上层PEDOT：PSS可以将金属纳米颗粒完全淹没形成平整的表面，也可以只在金属纳米颗粒表面包覆一层，形成随着纳米颗粒形状起伏的表面，具体情况与金属纳米颗粒的尺寸和上层PEDOT：PSS厚度控制有关；
在此结构中，金属纳米颗粒表面被空穴传输材料PEDOT：PSS覆盖，使得金属纳米颗粒与有源层不直接接触，避免了形成电荷复合中心，另一方面，上层PEDOT：PSS厚度小，能够充分发挥金属表面等离激元近场增强的效果；
一有源层30，其制作在空穴传输层20上，所述的有源层30的材料为有机聚合物与富勒烯衍生物的混合物，厚度为70-200nm，所述的有机聚合物的材料为P3HT、PTB7、PBDTTT-C、PBDTTT-CT或PBDTTT-CF，富勒烯衍生物的材料为PC61BM或PC71BM，有机聚合物与富勒烯衍生物的质量比为1∶1或1∶0.8或1∶1.5；
一缓冲层40，其制作在有源层30上，所述的缓冲层40的材料为LiF或Ca，厚度为0.8-30nm；
一阴极50，其制作在缓冲层40上，所述的阴极50的材料为Al，厚度为80-120nm。
请参阅图3，并结合参阅图1，本发明还提供一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在阳极透明导电衬底10上旋涂第一层PEDOT：PSS溶液，所述的第一层PEDOT：PSS溶液的旋涂速率为2000-5000rpm；
步骤2：在第一层PEDOT：PSS溶液上旋涂一层金属纳米颗粒溶液，所述的金属纳米颗粒溶液的旋涂速率为500-3000rpm，分散金属纳米颗粒的溶液为乙醇，通过调节金属纳米颗粒溶液的旋涂速率，可以得到不同分布密度的金属纳米颗粒层；
步骤3：在金属纳米颗粒溶液上旋涂第二层PEDOT：PSS溶液，所述的第二层PEDOT：PSS溶液的旋涂速率为4000-7000rpm，其中第二层PEDOT：PSS溶液的旋涂速率高于第一层，使得覆盖金属纳米颗粒的PEDOT：PSS层厚度小于第一层，此层PEDOT：PSS一方面起到空穴传输的作用，另一方面覆盖在金属纳米颗粒表面使得金属纳米颗粒与有源层不直接接触，同时有效发挥金属表面等离激元近场增强效果；
步骤4：退火，形成具有三明治结构的空穴传输层20，所述的退火温度为120-150℃，退火时间为1030min，所述的空穴传输层20的材料为PEDOT：PSS，金属纳米颗粒21的材料为Au或Ag，该空穴传输层20的厚度为30-50nm，制作在其内的金属纳米颗粒21的厚度为5-50nm；
金属纳米颗粒采用溶液法制备，Au纳米颗粒的合成方法为：将50mL质量分数为0.01％的氯金酸的水溶液煮沸，然后加入0.4-1mL的质量分数为1％的柠檬酸钠水溶液，反应15-30min，将产物离心清洗最后分散在乙醇中，形成Au纳米颗粒溶液，Ag纳米颗粒的合成方法为：分别将0.3g硝酸银和0.3g聚乙烯吡咯烷酮溶于30mL乙二醇溶液中，然后将二者混合，加热到120-150℃，反应10-60min，将产物离心清洗最后分散在乙醇中，形成Ag纳米颗粒溶液；
步骤5：在空穴传输层20上旋涂有机聚合物与富勒烯衍生物的混合溶液，形成有源层30，所述的有机聚合物的材料为P3HT、PTB7、PBDTTT-C、PBDTTT-CT或PBDTTT-CF，富勒烯衍生物的材料为PC61BM或PC71BM，有机聚合物与富勒烯衍生物的质量比为1∶1或1∶0.8或1∶1.5，对于P3HT与PC61BM混合溶液所用溶剂为邻二氯苯且旋涂完后有源层要在110-150℃下退火10min，对于PTB7、PBDTTT-C、PBDTTT-CT或PBDTTT-CF与PC71BM的混合溶液所用溶剂为97％的邻二氯苯+3％的1，8-二碘辛烷(DIO)，旋涂完后无需退火，旋涂速率为700-1000rpm；
步骤6：采用热蒸发的方式在有源层30上制备一层缓冲层40，所述的缓冲层40的材料为LiF或Ca，厚度为0.8-30nm；
步骤7：采用热蒸发的方式在缓冲层40上制备一层Al电极，作为阴极50，所述的阴极50的厚度为80-120nm，完成太阳电池制备。
图2为在AM1.5光照下，参比器件和本发明器件的电流密度-电压曲线。器件结构为：ITO/PEDOT：PSS(Ag)/P3HT：PCBM/Ca/Al，参比器件与本发明器件的区别在于，参比器件的空穴传输层PEDOT：PSS中没有引入Ag纳米颗粒，本发明器件的空穴传输层PEDOT：PSS中引入了一层Ag纳米颗粒，形成了三明治结构的空穴传输层。测得的参比器件的短路电流密度为7.74mA/cm2，开路电压为0.67V，填充因子为66％，光电转换效率为3.47％。本发明器件的短路电流密度为9.39mA/cm2，开路电压为0.67V，填充因子为67％，光电转换效率为4.24％。采用本发明的结构和制备方法，在空穴传输层中引入一层Ag纳米颗粒后，太阳电池的短路电流密度得到明显提升，开路电压和填充因子基本不变，电池的光电转换效率提高了22％。
以上对本发明提供的一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池及制备方法进行了详细介绍，以上所述仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，包括：
一阳极透明导电衬底；
一三明治结构的空穴传输层，其制作在阳极透明导电衬底上，该空穴传输层的中间为一层金属纳米颗粒，形成三明治结构；
一有源层，其制作在空穴传输层上；
一缓冲层，其制作在有源层上；
一阴极，其制作在缓冲层上。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，其中所述的阳极透明导电衬底的材料为ITO或FTO透明导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，其中所述的空穴传输层的材料为PEDOT：PSS，金属纳米颗粒的材料为Au或Ag，该空穴传输层的厚度为30-50nm，制作在其内的金属纳米颗粒的厚度为5-50nm。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，其中所述的有源层的材料为有机聚合物与富勒烯衍生物的混合物，厚度为70-200nm，所述的有机聚合物的材料为P3HT、PTB7、PBDTTT-C、PBDTTT-CT或PBDTTT-CF，富勒烯衍生物的材料为PC61BM或PC71BM，有机聚合物与富勒烯衍生物的质量比为1∶1或1∶0.8或1∶1.5。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池结构，其中所述的缓冲层的材料为LiF或Ca，厚度为0.8-30nm，所述的阴极的材料为Al，厚度为80-120nm。
6.一种基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在阳极透明导电衬底上旋涂第一层PEDOT：PSS溶液；
步骤2：在第一层PEDOT：PSS溶液上旋涂一层金属纳米颗粒溶液；
步骤3：在金属纳米颗粒溶液上旋涂第二层PEDOT：PSS溶液；
步骤4：退火，形成具有三明治结构的空穴传输层；
步骤5：在空穴传输层上旋涂有机聚合物与富勒烯衍生物的混合溶液，形成有源层；
步骤6：采用热蒸发的方式在有源层上制备一层缓冲层；
步骤7：采用热蒸发的方式在缓冲层上制备一层A1电极，作为阴极，完成太阳电池制备。
7.根据权利要求6所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，其中所述的空穴传输层的材料为PEDOT：PSS，金属纳米颗粒的材料为Au或Ag，该空穴传输层的厚度为30-50nm，制作在其内的金属纳米颗粒的厚度为5-50nm。
8.根据权利要求6所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，其中所述的第一层PEDOT：PSS溶液的旋涂速率为2000-5000rpm，所述的金属纳米颗粒溶液的旋涂速率为500-3000rpm，分散金属纳米颗粒的溶液为乙醇，所述的第二层PEDOT：PSS溶液的旋涂速率为4000-7000rpm，所述的退火温度为120-150℃，退火时间为10-30min。
9.根据权利要求6所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，其中所述的有机聚合物的材料为P3HT、PTB7、PBDTTT-C、PBDTTT-CT或PBDTTT-CF，富勒烯衍生物的材料为PC61BM或PC71BM，有机聚合物与富勒烯衍生物的质量比为1∶1或1∶0.8或1∶1.5。
10.根据权利要求6所述的基于表面等离激元效应的有机太阳电池的制备方法，其中所述的缓冲层的材料为LiF或Ca，厚度为0.8-30nm，所述的阴极的厚度为80-120nm。
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