CN105514281A - 一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法 - Google Patents

一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法 Download PDF

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Abstract

一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，属于有机光电器件技术领域。其首先是在透明阴极上制备无机纳米柱阵列电子传输层，然后用去离子水超声清洗该无机纳米柱阵列电子传输层，并用氮气吹干；将清洗后的无机纳米柱阵列电子传输层浸泡在分析纯级别的异丙醇溶液中超声清洗，然后用氮气吹干；将清洗后的无机纳米柱阵列电子传输层进行热退火，从而完成对无机纳米柱阵列电子传输层的后处理。该方法不仅可以改善无机纳米柱阵列与有源层接触界面的表面形貌，降低器件的串联电阻；并且能够提高无机纳米柱阵列的致密性和均匀性，增强器件的电子迁移率，进而提高PSC器件的整体性能。

Description

一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法
技术领域
本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法。
背景技术
聚合物太阳能电池(PolymerSolarCell，简称PSC)因材料合成简单、价格低廉、柔韧性强、结构与功能容易调制而受到广泛关注。在制备PSC器件的工艺中，通常在有源层和阴极之间加入一层电子传输层以阻挡空穴并增强电子的收集。由于无机纳米柱阵列有较高的迁移率、较大的比表面积以及和入射光波长相近的周期性结构，因此采用无机纳米柱阵列作为电子传输层不仅可以增加电子的收集和传输效率，同时还可以通过陷光效应来增强光子的捕获，提高PSC器件的光吸收。
目前，在无机纳米柱电子传输层制备完成后，为了避免纳米柱阵列的倒伏和团聚，通常只是简单的用去离子水对纳米柱阵列进行冲洗或超声清洗，氮气吹干后直接旋涂聚合物有源层。但是该方法会造成纳米柱表面水分子残留，导致聚合物高分子材料水解，使PSC有源层和纳米柱阵列之间不能形成良好接触。此外，由于PSC器件透明电极的耐热性较差，无机纳米柱阵列的制备以及后处理工艺均在低温环境下进行，因此器件的结晶质量与高温退火制备的器件相比仍有较大差距。
如果能够改进现有的器件后处理工艺，进一步改善无机纳米柱阵列的结晶质量和表面形貌，对提高器件整体性能有重要的实用价值。
发明内容
本发明针对目前PSC器件无机纳米柱电子传输层制备工艺中存在的水分子残留和结晶质量较差的问题，提出一种能够提高PSC器件性能的对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法。
一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，其步骤如下：
1)在透明阴极上制备无机纳米柱阵列电子传输层，然后用去离子水超声清洗该无机纳米柱阵列电子传输层，并用氮气吹干；
2)将步骤1)清洗后的无机纳米柱阵列电子传输层浸泡在分析纯级别的异丙醇溶液中超声清洗，然后用氮气吹干；
3)将步骤2)清洗后的无机纳米柱阵列电子传输层进行热退火，从而完成对无机纳米柱阵列电子传输层的后处理。
作为优选，步骤1)中的无机纳米柱阵列的材料为氧化锌或二氧化钛，制备的无机纳米柱直径为10～30nm，高度为100～150nm；
作为优选，步骤1)中的超声清洗时间为3～5分钟。
作为优选，步骤2)中超声清洗时间为3～5分钟。
作为优选，步骤3)中的退火温度为100℃～150℃，退火时间为10～20分钟。
本发明有益效果如下：
通过上述方法，一方面去除了器件制备以及去离子水超声过程中产生的水和其他杂质残留，另一方面通过热退火提高了无机纳米柱阵列的结晶质量，降低了纳米柱内部和表面的缺陷密度。该方法不仅可以改善无机纳米柱阵列与有源层接触界面的表面形貌，降低器件的串联电阻；并且能够提高无机纳米柱阵列的致密性和均匀性，增强器件的电子迁移率，进而提高PSC器件的整体性能。实验结果显示，经本发明所述后处理方法制备的PSC器件的光电转换效率得到明显提高。
附图说明
图1：常规后处理方法(将ZnO纳米柱阵列用去离子水超声清洗10分钟，然后用氮气吹干)器件的扫描电镜照片；
图2：本发明所述方法处理的ZnO纳米柱阵列的扫描电镜照片；
图3：采用两种后处理方法制备的PSC器件的电流密度-电压特性曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
所制备的聚合物太阳能电池阴极为覆有铟锡氧化物(IndiumTin-Oxide，简称ITO)的透明玻璃电极，无机纳米柱材料为氧化锌(ZincOxide，简称ZnO)。
首先在ITO玻璃衬底上用水热合成法制备ZnO纳米柱阵列，具体步骤包括：
1)使用分析纯级别的乙醇和丙酮对ITO玻璃超声清洗各3次，每次5分钟，然后用去离子水(18MΩ)多次冲洗，在烘箱中干燥之后，采用功率为660瓦的紫外臭氧清洗仪辐照10分钟。
2)将醋酸锌和乙醇胺溶于2-甲氧基乙醇中，溶解后浓度分别为0.5M，常温下搅拌24h，配置成浓度为0.5M的溶胶前驱体。将该溶胶前驱体在步骤(1)处理好的ITO玻璃衬底上以1500转/分钟的转速旋涂40秒，然后将ITO玻璃衬底放在加热板上300℃退火10分钟，从而在ITO玻璃衬底上制备得到厚度约为40nm的ZnO薄膜作为种子层。
3)将硝酸锌和六亚甲基四氨溶于去离子水，溶解后的浓度分别为25mM，搅拌20分钟。然后将旋涂了ZnO种子层的ITO玻璃衬底倒置于聚四氟乙烯托架上，并浸泡在所配置的硝酸锌和六亚甲基四氨的混合水溶液中，在90℃水浴条件下生长20分钟，从而在ITO玻璃衬底上形成直径约20nm、高度约100nm的ZnO纳米柱阵列。
然后采用本发明涉及的后处理方法对ZnO纳米柱阵列脱水并退火，具体步骤为：
1)将ZnO纳米柱阵列用去离子水超声清洗3分钟，用氮气吹干。
2)然后在分析纯级别的异丙醇溶液中超声清洗3分钟，用氮气吹干。
3)再将器件放入烘箱中在110℃下退火10分钟。
采用聚3乙基噻吩(poly(3-hexylthiophene)，简称P3HT)和[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯([6,6]-Phenyl-C61-butyricacidmethylester，简称PC61BM)作为给体和受体材料，分别将P3HT和PC61BM溶于二氯苯溶液中(浓度分别为20mg/mL)并加热搅拌后，以600转/分钟的转速旋涂在ZnO纳米柱阵列的表面，形成聚合物体异质结有源层。
最后在5×10-4Pa真空度下，在聚合物体异质结有源层上依次蒸镀4nm厚的氧化钼阳极缓冲层和100nm厚度的银电极，制备完成结构为ITO/ZnO纳米柱阵列电子传输层/P3HT:PC61BM有源层/氧化钼/银的倒置结构聚合物太阳能电池。
为比较实验结果，制作了按照常规后处理方法(去离子水超声清洗10分钟后用氮气吹干)和本发明所述方法处理的ZnO纳米柱电子传输层以及相应的PSC器件。
图1和图2是两种后处理工艺制备的ZnO纳米柱阵列的扫描电镜图片，可看出与常规工艺相比，经本发明所述方法处理的ZnO纳米柱阵列的表面形貌没有明显变化，未发现纳米柱倒伏、团聚现象。
图3为两种后处理工艺条件下制备的PSC器件的电流密度-电压曲线，具体器件性能参数列于表1中。由实验结果可看出器件的开路电压(OpenCircuitVoltage，简称Voc)，短路电流(ShortCircuitCurrentDensity，简称Jsc)和填充因子(FillingFactor，简称FF)均有较大幅度的提高，与目前常用的后处理工艺相比，经本发明所述后处理方法制备的PSC器件，其光电转换效率(PowerConversionEfficiency，简称PCE)提高了38.6％。
表1：两种后处理工艺条件下制备的PSC器件的性能参数

Claims (5)

1.一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，其步骤如下：
1)在透明阴极上制备无机纳米柱阵列电子传输层，然后用去离子水超声清洗该无机纳米柱阵列电子传输层，并用氮气吹干；
2)将步骤1)清洗后的无机纳米柱阵列电子传输层浸泡在分析纯级别的异丙醇溶液中超声清洗，然后用氮气吹干；
3)将步骤2)清洗后的无机纳米柱阵列电子传输层进行热退火，从而完成对无机纳米柱阵列电子传输层的后处理。
2.如权利要求1所述的一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，其特征在于：步骤1)中的无机纳米柱阵列的材料为氧化锌或二氧化钛，制备的无机纳米柱直径为10～30nm，高度为100～150nm。
3.如权利要求1所述的一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，其特征在于：步骤1)中的超声清洗时间为3～5分钟。
4.如权利要求1所述的一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，其特征在于：步骤2)中超声清洗时间为3～5分钟。
5.如权利要求1所述的一种对聚合物太阳能电池无机纳米柱阵列电子传输层进行后处理方法，其特征在于：步骤3)中的退火温度为100℃～150℃，退火时间为10～20分钟。
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