CN105810829A - 基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法 - Google Patents

基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法，采用n型无机半导体杂化，具有较好的电子迁移能力，可以作为电于受体，实现激子的分离和传输，进而提高电池的转换效率。有机无机杂化太阳能电池既有有机电池的优点又有无机太阳能电池的优点，既解决了有机太阳能电池的激子分离困难问题又具有良好的发展前景，以此来得到更高效率的太阳能电池。

Description

基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池领域。
背景技术
随着石油价格的大幅上涨和矿物资源的日益枯竭，太阳能由于取之不尽用之不竭、不受地域限制以及清洁安全等优点越来越受人们重视。基于光伏效应将太阳能转换为电能的太阳能电池是利用太阳能的主要途径之一。然而，目前商品化的太阳能电池基本上采用硅或无机化合物半导体作为活性层材料，制备工艺复杂、成本高。另一方面，以有机半导体材料作为活性层的太阳能电池虽然具有可溶液加工、可得到大面积柔性器件、成本较低等优点，但同时也存在着载流子迁移率低、吸光范围窄等缺陷，限制了其能量转换效率的提高。而有机半导体材料(主要为共轭聚合物)与无机半导体纳米晶体(ZnO、TiO2、CdS、CdSe和PbS量子点)的复合膜为活性层的有机无机杂化太阳能电池，综合了无机材料高迁移率和有机材料的可溶液加工等的优势，因此可以获得更高效率、低成本的太阳能电池。
在现有杂化太阳能电池制备的技术中有利用可控的原位热沉淀方法配置杂化CdSNCs/P3HT薄膜，其方法就是将P3HT和Cd(S2COEt)2·(C5H5N)2溶于氯苯中获得混合溶液，然后经过旋涂沉淀过程，获得由金属磺酸盐前驱体和聚合物形成的复合膜随后经过退火处理过程，最终形成CdS/P3HT杂杂化膜。CdS/P3HT膜的纳米形态主要依赖热处理温度(150℃)。光电器件的性能主要由热处理温度和CdS/P3HT膜的纳米形态决定。此结构的杂化太阳能电池的PEC为2％。JiwonLee等用原子层沉积法结合阳极氧化铝模板方法将P3HT成功渗透到TiO2纳米管中，之后不用额外的化学改造和热处理，所得到的异质结太阳能电池的PCE为0.5％。
现有的无机太阳能电池受生产规模和技术成本的影响，各个企业的生产耗材都非常大，比如硅太阳能电池其制造能耗大、污染高、工艺复杂、生产设备昂贵，成本高。有机太阳能电池制作成本低、易制作、质量轻、富有弹性等，但是由于电子转移效率低从而使得能量转换效率低于无机太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法，采用n型无机半导体杂化，具有较好的电子迁移能力，可以作为电于受体，实现激子的分离和传输，进而提高电池的转换效率。有机无机杂化太阳能电池既有有机电池的优点又有无机太阳能电池的优点，既解决了有机太阳能电池的激子分离困难问题又具有良好的发展前景，以此来得到更高效率的太阳能电池。
一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，包括6层，从上至下依次为：Pt层、PEDOT:PSS层、聚合物层、TiO2层、FTO层、玻璃层。
一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法，具体步骤为：
(1)将FTO透明导电玻璃依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮和异丙酮超声震荡15分钟后，烘干，再用氧等离子体处理15分钟；
(2)在处理后的FTO透明导电玻璃表面刮涂TiO2，TiO2的厚度为60nm，再用180℃-220℃的温度下干燥3小时；
(3)将干燥后的涂有TiO2的FTO玻璃上浸泡在用氯仿溶解的聚合物溶液中，浸泡24小时以上，使得聚合物浸入TiO2中并且涂覆在TiO2的表面，浸泡结束后用氯仿进行洗涤，干燥，得到活性层材料；
(4)在活性层上旋涂聚PEDOT:PSS的水溶液，转速为2000r/min，在140℃干燥五分钟；
(5)然后在真空蒸镀上一层100nm厚的铂作为电极，从而得到一个完整的基于吲哚与苯并噻二唑的杂化太阳能电池原型器件。
所述的洗洁精水溶液中，为洗洁精与水的体积比为1:10。
所述的PEDOT:PSS的水溶液中，PEDOT:PSS为CAS:155090-83-8的质量浓度为1.3％-1.7％的水溶液，PEDOT:PSS与乙醇的体积比为1:10。
所述的聚合物溶液中的聚合物是采用双溴吲哚，双溴苯并噻二唑与一种双锡单体通过Stille偶联共聚反应得到的，将3.3mg的聚合物溶解到1ml氯仿溶液中得到聚合物溶液。
本发明采用的方法很简单，易于操作，只需将刮涂有TiO2的FTO玻璃浸泡在作为杂化太阳能电池的活性层的聚合物溶液中。由于TiO2薄膜与聚合物溶液充分接触可使得聚合物浸入到TiO2的分子缝隙之中，并且也会在其表面形成膜。这可以提高电子的传输从而提高太阳能电池的能量转换效率。本发明采用双溴吲哚和双溴苯并噻二唑按不同比例与一种双锡单体通过Stille偶联共聚反应得到有不同比例的吲哚与苯并噻二唑的聚合物，通过调节比例来得到更好性能的杂化太阳能电池。
附图说明：
图1：本发明太阳能电池的结构图。
附图标记：Pt层1、PEDOT:PSS层2、聚合物层3、TiO2层4、FTO层5、玻璃层6。
图2：聚合物的结构式。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，包括6层，从上至下依次为：Pt层1、PEDOT:PSS层2、聚合物层3、TiO2层4、FTO层5、玻璃层6。
一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池的制备方法，具体步骤为：
(1)将FTO透明导电玻璃依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮和异丙酮超声震荡15分钟后，烘干，再用氧等离子体处理15分钟；
(2)在处理后的FTO透明导电玻璃表面刮涂TiO2，TiO2的厚度为60nm，再用180℃-220℃的温度下干燥3小时；
(3)将干燥后的涂有TiO2的FTO玻璃上浸泡在用氯仿溶解的聚合物溶液中，浸泡24小时以上，使得聚合物浸入TiO2中并且涂覆在TiO2的表面，浸泡结束后用氯仿进行洗涤，干燥，得到活性层材料；
(4)在活性层上旋涂聚PEDOT:PSS的水溶液，转速为2000r/min，在140℃干燥五分钟；
(5)然后在真空蒸镀上一层100nm厚的铂作为电极，从而得到一个完整的基于吲哚与苯并噻二唑的杂化太阳能电池原型器件。
所述的洗洁精水溶液中，为洗洁精与水的体积比为1:10。
所述的PEDOT:PSS的水溶液中，PEDOT:PSS为CAS:155090-83-8的质量浓度为1.3％-1.7％的水溶液，PEDOT:PSS与乙醇的体积比为1:10。
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.1845g，0.415mmol双溴吲哚和0.0428g，0.085mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率58.3％，即得到聚合物。
将3.3mg的聚合物溶解到1ml氯仿溶液中得到聚合物溶液。
实施例2：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.1661g，0.375mmol双溴吲哚和0.0827g，0.125mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率55.6％，即得到聚合物。
其余同实施例1。
实施例3：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.0923g，0.250mmol双溴吲哚和0.165g，0.250mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率70.1％，即得到聚合物。
其余同实施例1。
实施例4：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.0550g，0.125mmol双溴吲哚和0.2783g，0.375mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率66.5％，即得到聚合物。
其余同实施例1。
实施例5：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.0376g，0.085mmol双溴吲哚和0.275g，0.415mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率50.2％，即得到聚合物。
其余同实施例1。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试各个实施例制得的太阳能电池性能。
表1各个实施例制得的太阳能电池性能

Claims (10)

1.一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：包括6层，从上至下依次为：Pt层(1)、PEDOT:PSS层(2)、聚合物层(3)、TiO2层(4)、FTO层(5)、玻璃层(6)。
2.如权利要求1所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：制备方法的具体步骤为：
(1)将FTO透明导电玻璃依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮和异丙酮超声震荡15分钟后，烘干，再用氧等离子体处理15分钟；
(2)在处理后的FTO透明导电玻璃表面刮涂TiO2，TiO2的厚度为60nm，再用180℃-220℃的温度下干燥3小时；
(3)将干燥后的涂有TiO2的FTO玻璃上浸泡在用氯仿溶解的聚合物溶液中，浸泡24小时以上，使得聚合物浸入TiO2中并且涂覆在TiO2的表面，浸泡结束后用氯仿进行洗涤，干燥，得到活性层材料；
(4)在活性层上旋涂聚PEDOT:PSS的水溶液，转速为2000r/min，在140℃干燥五分钟；
(5)然后在真空蒸镀上一层100nm厚的铂作为电极，从而得到一个完整的基于吲哚与苯并噻二唑的杂化太阳能电池原型器件。
3.如权利要求2所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：所述的洗洁精水溶液中，为洗洁精与水的体积比为1:10。
4.如权利要求2所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：所述的PEDOT:PSS的水溶液中，PEDOT:PSS为CAS:155090-83-8的质量浓度为1.3％-1.7％的水溶液，PEDOT:PSS与乙醇的体积比为1:10。
5.如权利要求2所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：所述的聚合物溶液中的聚合物是采用双溴吲哚，双溴苯并噻二唑与一种双锡单体通过Stille偶联共聚反应得到的，将3.3mg的聚合物溶解到1ml氯仿溶液中得到聚合物溶液。
6.如权利要求5所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.1845g，0.415mmol双溴吲哚和0.0428g，0.085mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率58.3％，即得到聚合物。
7.如权利要求5所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.1661g，0.375mmol双溴吲哚和0.0827g，0.125mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率55.6％，即得到聚合物。
8.如权利要求5所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.0923g，0.250mmol双溴吲哚和0.165g，0.250mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率70.1％，即得到聚合物。
9.如权利要求5所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.0550g，0.125mmol双溴吲哚和0.2783g，0.375mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率66.5％，即得到聚合物。
10.如权利要求5所述的一种基于吲哚和苯并噻二唑的杂化太阳能电池，其特征为：
聚合物的合成：
氮气保护，避光条件下，称量0.0376g，0.085mmol双溴吲哚和0.275g，0.415mmol双溴苯并噻二唑于25mL两口烧瓶中，0.5684g，0.5mmol双锡单体加入到反应烧瓶中，用20mL注射器吸15mL已脱气60min的干燥甲苯于上述反应瓶中，将三通和冷凝管搭于反应装置，使反应装置处于氩气环境中，再称取催化剂9.1563mgPd2(dba)3，12.1743mgP(o-toly)3，79.49mgCuO加入反应烧瓶中，保持110℃回流反应3天，三天后用微量注射器注入封端剂39.50μL三丁基锡噻吩，4小时后同样方法注入12.45μL的2-溴噻吩，继续回流反应过夜后自然冷却至室温，经纯化处理后得红黑色固体0.21g，产率50.2％，即得到聚合物。
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