CN105702866A - 一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法 - Google Patents

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陈淑芬
张然
胡文静
黄维
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Abstract

本发明公开了一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，包括以下步骤：S1、表面镀有ITO的玻璃基底进行表面除污、除水处理；S2、将空穴提取层附着在表面除污、除水处理后的玻璃基底层上；S3、在金属纳米粒子上包裹电介质层，调节包裹厚度至≤2nm，将包裹电介质层厚度为≤2nm的金属纳米粒子引入至空穴提取层与有机太阳能电池活性层之间的界面处，或引入至有机太阳能电池活性层之中；S4、将有机太阳能电池活性层附着在空穴提取层上；S5、将电子提取层附着于太阳能电池活性层上；S6、将不透明金属电极附着于电子提取层之上。本发明方法简单易行、效果明显，所获电池性能最佳。

Description

一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法
技术领域
本发明公开了一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，属于太阳能电池领域。
背景技术
有机太阳能电池(OPV)具有重量轻、成本低廉、便于大规模制造、可实现柔性、光电转换效率高、厚度薄、吸光范围宽等优点，因此被认为是最有希望取代晶硅太阳能电池的下一代电池技术之一。
衡量有机太阳能电池性能优劣的最主要因素就是光电转换效率。现有的一些改进手段如设计宽吸收窄带隙给体材料、优化电池结构、电极界面修饰等方法固然有效，但由于窄带隙材料吸收系数低、给受体能级不匹配造成的激子解离难、多膜层制备困难等一系列问题制约了有机太阳能电池效率提升的空间。利用金属纳米粒子的等离子效应可有效增强活性层吸收，进而提升电池光电转换效率。该方法具有操作简单、效果明显、成本低等优点，因而成为一种改进光伏材料吸收的重要手段。很多研究者将具有等离子体效应的金属纳米粒子置于有机太阳能电池空穴或者电子提取层之中，有效的提升了电池的性能。然而，最有效的利用等离子体效应的方法是将金属纳米粒子置于活性层之中或者紧邻活性层的界面。不过，由于金属纳米粒子直接接触活性层时易于淬灭激子，因此需要一定的手段阻隔金属纳米粒子与活性层，避免其直接接触。
由于包裹有电介质层的金属纳米粒子可以有效阻断激子的复合通道，可以将金属纳米粒子引入至器件的活性层或者活性层两侧的界面上，具有大幅度提升电池性能的潜力，因而被广泛研究。然而到目前为止，尚无人关注电介质壳层的厚度对于金属纳米粒子诱导等离子体局域场的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，该方法可以大幅提升有机太阳能电池的光电转换效率。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，有机太阳能电池的结构包括：表面镀有阳极层的玻璃基底、空穴提取层、有机太阳能电池活性层、包裹有电介质层的金属纳米粒子、电子提取层及不透明金属电极，包括以下步骤：
S1、表面镀有ITO的玻璃基底进行表面除污、除水处理；
S2、使用旋涂的方法将空穴提取层附着在表面除污、除水处理后的玻璃基底层上；
S3、在金属纳米粒子上包裹电介质层，用调节加入硅酸乙酯（TEOS）量的方法来调节包裹厚度至≤2nm，并转移到乙醇溶液中，用旋涂的方式将包裹电介质层厚度为≤2nm的金属纳米粒子引入至空穴提取层与有机太阳能电池活性层之间的界面处，或引入至有机太阳能电池活性层之中；
S4、使用旋涂的方法将有机太阳能电池活性层附着在空穴提取层上；
S5、使用蒸镀的方法将电子提取层附着于太阳能电池活性层上；
S6、使用蒸镀的方法将不透明金属电极附着于电子提取层之上。
所述金属纳米粒子的材料为可产生表面等离子体的金属材料。
所述金属纳米粒子的形状为球状、棒状或立方体状。
所述电介质壳层材料为无机材料或有机材料。
利用二元表面活性剂种子生长法制备所述金属纳米粒子。
本发明的有益效果是：
1、本发明一种有机太阳能电池，利用包裹了超薄电介质层的金属纳米粒子增强有机太阳能电池性能，方法简单，效果明显。
2、本发明方法使用常规的有机太阳能电池结构及活性层厚度（～70-200nm），无需对电池结构进行特殊设计。
3、本发明一种有机太阳能电池的方法尤其适用于吸光能力较差的活性层材料。
附图说明
图1为本发明制备的金纳米粒子以及包裹不同二氧化硅壳层厚度的TEM图片；
图2为本发明所使用的掺有金纳米棒二氧化硅的有机太阳能电池结构示意图；
其中，1、玻璃基底；2、阳极层；3、空穴提取层；4、有机太阳能电池活性层；5、电子提取层；6、金属电极层；
图3为本发明利用有限时域差分（FDTD）软件模拟的掺有金纳米棒二氧化硅的有机太阳能电池活性层的吸收谱图；
图4为本发明制备的掺有金纳米棒二氧化硅的活性层的紫外-可见光吸收谱图；
图5为有机太阳能器件的光电流-电压曲线；
图6为有机太阳能器件的外量子效率曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法作详细说明。
实施例1
A、表面镀有ITO的玻璃基底1，使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100度烘干。
B、聚乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)，为空穴提取层3，使用旋涂的方法附着在基底上，旋涂转速为3000rpm，1分钟，形成约40-50nm的膜层，之后用120度退火半小时。
C、包裹有超薄介质层的金属纳米粒子，作为等离子增强手段，位于所述空穴提取层3上，在这里我们使用金纳米棒二氧化硅作为上述发明的一个实例，利用二元表面活性剂种子生长法制备了长径比为2.0±0.1的金纳米棒，用调节加入硅酸乙酯（TEOS）量的方法来调节包裹厚度，在金纳米棒上分别包裹了2nm、14nm、38nm的二氧化硅壳层并转移到乙醇溶液中，其TEM照片如图1所示。
将金纳米棒用旋涂的方式附着在空穴提取层3上，旋涂转速为2000rpm，1分钟，100度退火10分钟。
D、使用[6,6]-苯基C71-丁酸甲酯：聚[[4,8-二[(2-乙基己基)氧代]苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基]](PC71BM：PTB7)作为有机太阳能电池活性层4的一个实例，使用旋涂的方法使其附着在空穴提取层2上，旋涂转速为1100rpm，1分钟，形成厚约100nm的膜层，溶剂退火半小时。
E、0.8nm的氟化锂，作为电子提取层5，使用蒸镀的方法使其附着于有机太阳能电池活性层4上；
F、金属电极6，使用蒸镀的方法使其附着于电子提取层5氟化锂之上。
图2显示上述制备过程最终形成的三明治结构。
图3与图4为模拟的与实验中纳米粒子掺入器件后，有机太阳能电池活性层4的吸收情况。我们发现，当二氧化硅包裹的金纳米棒被掺入器件后，有机太阳能电池活性层4吸收发生了不同程度的提升，其中厚度为2nm的二氧化硅壳层可以导致更高的吸收。
图5、图6中显示了将包裹了超薄电介质层的金属纳米粒子掺入器件后，有机太阳能电池的性能变化，二氧化硅包裹厚度为2nm的金纳米粒子的器件性能最好，电流达到了21.2mA/cm2，效率为9.55%，比单纯的标准器件的16.5mA/cm2和7.52%提升超过25%；二氧化硅包裹厚度为14nm的金纳米粒子的器件性能次之，电流达到了19.1mA/cm2，效率为8.53%；二氧化硅包裹厚度为38nm的金纳米粒子的器件性能提升效果不佳；电流达到了18.5mA/cm2，效率为8.25%。
以上仅为本发明的较佳实施例，不能以其限定本发明实施的范围，即大凡不脱离本发明构思的替代和修正，仍属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，有机太阳能电池的结构包括：表面镀有阳极层的玻璃基底（1）、空穴提取层（2）、有机太阳能电池活性层（3）、金属纳米粒子（4）、电子提取层（5）及不透明金属电极（6），其特征在于，包括以下步骤：
S1、表面镀有阳极层的玻璃基底（1）进行表面除污、除水处理；
S2、使用旋涂的方法将空穴提取层（2）附着在表面除污、除水处理后的玻璃基底层（1）上；
S3、在金属纳米粒子（4）上包裹电介质层，用调节加入硅酸乙酯（TEOS）量的方法来调节包裹厚度至≤2nm，并转移到乙醇溶液中，用旋涂的方式将包裹电介质层厚度为≤2nm的金属纳米粒子（4）引入至空穴提取层（2）与有机太阳能电池活性层（3）之间的界面处，或引入至有机太阳能电池活性层（3）之中；
S4、使用旋涂的方法将有机太阳能电池活性层（3）附着在空穴提取层（2）上；
S5、使用蒸镀的方法将电子提取层（5）附着于太阳能电池活性层（3）上；
S6、使用蒸镀的方法将不透明金属电极（6）附着于电子提取层（5）之上。
2.根据权利要求1所述的利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，其特征在于，所述金属纳米粒子（4）的材料为可产生表面等离子体的金属材料。
3.根据权利要求1所述的利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，其特征在于，所述金属纳米粒子（4）的形状为球状、棒状或立方体状。
4.根据权利要求1所述的利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，其特征在于，所述电介质壳层材料为无机材料或有机材料。
5.根据权利要求1所述的利用包裹电介质壳层的金属纳米粒子提升有机太阳能电池性能的方法，其特征在于，利用二元表面活性剂种子生长法制备所述金属纳米粒子（4）。
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