CN107302056A - 等离激元增强的有机光伏电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离激元增强的有机光伏电池及其制备方法，所述光伏电池包括透明导电的衬底、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极。其制备方法包括：（1）清洗透明导电的衬底、烘干并进行等离子体清洗；（2）通过旋涂法在ITO上旋涂PEDOT：PSS水溶液，退火固化，形成空穴传输层；（3）在空穴传输层上旋涂金纳米棒，加热固化；（4）然后通过旋涂法在金纳米棒上制备有机活性层；（5）在有机活性层表面热蒸镀金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火。本发明在传输层与活性层间引入1.5~3.5长径比的金纳米棒，制备工艺简单，并且能显著改善有机光伏电池的性能。

Description

等离激元增强的有机光伏电池
技术领域
本发明涉及一种在界面引入金纳米棒的有机太阳能电池及其制备方法，既属于薄膜材料与器件领域，也属于新能源材料领域。
背景技术
人类进入二十一世纪以来，能源与环境已成为全球关注的焦点。世界各国都在开发绿色环保的新能源。太阳能的开发和利用是人类解决能源危机的有效途径之一。硅基太阳能电池已有广泛的应用, 但硅的提纯对环境是一个重污染过程。而有机太阳能电池因具备成本低、轻便、可柔性、易加工、可大面积生产等优点受到广泛关注。
一般而言，在太阳能电池中，吸收层膜厚越大，光吸收越多。但是在有机电池中，吸收层材料的载流子迁移率相对较低、激子扩散长度短，这限制了吸收层的厚度。因此，活性层的厚度只可折中选择在100~200 nm之间。为了充分利用太阳能，增强电池的光吸收，研究人员探索各种可以应用在太阳能电池中的光捕获技术，比如：制备叠层结构的电池，使电池的吸收谱与太阳光谱更加匹配；或制备绒面、微槽面等具有更大光接收面积的特殊表面结构等，使电池的光吸收增强。其中，在电池中引入利用金属纳米结构也成为众多学者研究的热点。对于金属纳米颗粒(如：Au ，Ag ，Cu ，Ni 等)，当入射光的频率与其吸收光的频率相互匹配时，金属表面的自由电子将发生共振，金属表面的局域电磁场将会增强，进而电池的光吸收将得到相应的增强。与此同时，一定尺寸的金属纳米颗粒可以散射光，将光散射到活性层中的各个位置，从而增加光在活性层中的光程，也可以达到增强光吸收的目的，从而提高电池的光电流。
发明内容
本发明是利用长径比为1.5~3.5的金纳米棒分布于空穴传输层与活性层之间时对电池性能的改善。本发明中等离激元增强有机光伏电池的电池结构为ITO/PEDOT：PSS/Au纳米棒/P3HT:PCBM/Al。具体而言，包括透明导电的衬底、空穴传输层、有机活性层和金属电极，金纳米棒是用旋涂的方法分布在空穴传输层和有机活性层之间。
本发明提供了等离激元增强有机光伏电池的制备方法，包括：
（1）用种子生长法合成金纳米棒；
（2）清洗ITO玻璃衬底并烘干，对ITO薄膜进行氧等离子体清洗；
（3）通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上旋涂PEDOT：PSS水溶液，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成有机光伏电池的空穴传输层；
（4）在空穴传输层上旋涂长径比为1.5~3.5的金纳米棒，并在空气中120℃加热固化15分钟；
（5）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以一定的比例溶解于氯苯溶剂中，搅拌48小时，然后通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层；
（6）通过热蒸发法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火（150℃下快速热退火15 min）。
本发明的显著优点在于：
本产品把长径比为1.5~3.5的金纳米棒置于空穴传输层与吸光层之间，-提高有机太阳能电池的短路电流密度，进而提升电池的转换效率，可更高效地将光能转换为电能。
附图说明：
图1为等离激元增强的有机光伏电池结构示意图：1为铝电极，2为P3HT：PCBM，3为PEDOT:PSS，4为ITO，5为分布在PEDOT:PSS与P3HT:PCBM界面的金纳米棒。
图2无金纳米棒时太阳能电池J-V曲线。
图3金纳米棒长径比为1.5时太阳能电池J-V曲线。
图4金纳米棒长径比为2.5时太阳能电池J-V曲线。
图5金纳米棒长径比为3.5时太阳能电池J-V曲线。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
1 金纳米棒溶液的制备
本发明中金纳米棒的合成方法是种子生长法:
（1）在10mL 0.1M 表面活性剂CTAB的保护下，用0.6mL 0.01M 新制冰NaBH4还原0.25mL0.01M HAuCl4，获得金种溶液，30℃水浴下孵育2小时。
（2）在40mL 0.1M 表面活性剂CTAB的保护下，用0.32mL 0.1M弱还原剂AA还原2mL0.01M HAuCl4，制得无色的生长液。
（3）取0.096mL 种子液加入生长液中，金种在CTAB模板与Ag+作用下生长成一定长径比的金纳米棒。
（4）将生长好的金纳米棒离心清洗三次，分散于去离子水中待用。
2 衬底处理
依次用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗生长着透明导电薄膜ITO的玻璃衬底20min并在烤箱中100℃烘烤1h，接着对ITO薄膜进行氧等离子体清洗以改善ITO的亲水性。
3 太阳能电池制备
（1）用0.22um的水性过滤头过滤掉PEDOT：PSS水溶液中的大颗粒，通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上制备PEDOT：PSS薄膜，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成有机光伏电池的空穴传输层；
（2）在空穴传输层上旋涂长径比为1.5~3.5的金纳米棒水溶液，并在空气中120℃加热固化15分钟；
（3）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以10mg：10mg比例溶解于0.5ml的氯苯溶剂中，搅拌48小时待用。通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层。旋涂的参数是前转650转/分钟，时间为12s，后转2000转/分钟，时间为20s。
（4）通过热蒸发法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体（Ar2）保护下对整个器件进行热退火（150℃下快速热退火15 min）。
上述用旋涂法在电池空穴传输层与活性层界面引入长径比为1.5~3.5的金纳米棒的条件为：
（1）合成金纳米棒，离心清洗得到金纳米棒的水溶液；
（2）旋涂的参数是前转650转/分钟，时间为9s，后转4000转/分钟，时间为15s；
（3）退火温度是120℃；
（4）退火时间是15min。
电池结构如附图1所示：1为铝电极，2为P3HT：PCBM，3为PEDOT:PSS，4为ITO，5为分布在PEDOT:PSS与P3HT:PCBM界面的金纳米棒。
4 材料及器件性能测试
实施例一：
（1）用种子生长法合成金纳米棒；
（2）清洗ITO玻璃衬底并烘干，对ITO薄膜进行氧等离子体清洗；
（3）通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上旋涂PEDOT水溶液，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成40nm的空穴传输层；
（4）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以10mg：10mg的比例溶解于0.5mL 的氯苯溶剂中，搅拌48小时待用。通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层；
（5）通过热蒸发方法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火（150℃下快速热退火15 min）。
（6）无金纳米棒时电池的性能参数为：短路电流密度是5.40 mA/cm2,开路电压629mV，FF为40%，PCE为1.34%。
实施例二：
（1）用种子生长法合成金纳米棒；
（2）清洗ITO玻璃衬底并烘干，对ITO薄膜进行氧等离子体清洗；
（3）通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上旋涂PEDOT水溶液，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成40nm的空穴传输层；
（4）在空穴传输层上旋涂0.25mL 长径比为1.5的金棒的水溶液，并在空气中120℃加热固化15分钟；
（5）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以10mg：10mg的比例溶解于0.5mL 的氯苯溶剂中，搅拌48小时待用。通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层
（6）通过热蒸发方法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火（150℃下快速热退火15 min）。
（7）金纳米棒长径比为1.5时电池的性能参数为：电流密度为6.15mA/cm2，开路电压639 mV，FF为40%，PCE为1.57%。
实施例三：
（1）用种子生长法合成金纳米棒；
（2）清洗ITO玻璃衬底并烘干，对ITO薄膜进行氧等离子体清洗；
（3）通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上旋涂PEDOT水溶液，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成40nm的空穴传输层；
（4）在空穴传输层上旋涂0.25mL 长径比为2.5的金棒的水溶液，并在空气中120℃加热固化15分钟；
（5）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以10mg：10mg溶解于0.5mL的氯苯溶剂中，搅拌48小时待用。通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层；
（6）通过热蒸发法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火（150℃下快速热退火15 min）。
（7）金纳米棒长径比为2.5时电池的性能参数为：电流密度7.75 mA/cm2，开路电压为639 mV，FF为43%，PCE为2.14%。
实施例四：
（1）用种子生长法合成金纳米棒；
（2）清洗ITO玻璃衬底并烘干，对ITO薄膜进行氧等离子体清洗；
（3）通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上旋涂PEDOT水溶液，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成40nm的空穴传输层；
（4）在空穴传输层上旋涂0.25mL长径比为3.5的金棒的水溶液，并在空气中120℃加热固化15分钟；
（5）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以10mg：10mg溶解于0.5mL 的氯苯溶剂中，搅拌48小时待用。通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层；
（6）通过热蒸发方法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火（150℃下快速热退火15 min）。
（7）金纳米棒长径比为3.5时电池的性能参数为：电流密度为5.89 mA/cm2，开路电压为630 mV，FF为38%，PCE为1.41%.
以上实施例得到的数据说明，不同长径比的金纳米棒分布密度旋涂电池的界面后，从图2~5可以看出，电池的短路电流和能量转换效率都有所提高。

Claims (8)

1.等离激元增强的有机光伏电池，其特征在于：所述有机光伏电池的组成包括氧化物透明导电衬底、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，其中金纳米棒是位于在电池空穴传输层与有机活性层界面之间，长径比为1.5~3.5。
2.根据权利要求1所述的等离激元增强的有机光伏电池，其特征是：所述氧化物透明导电衬底为ITO透明导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的等离激元增强的有机光伏电池，其特征是：所述有机活性层为P3HT:PCBM薄膜。
4.根据权利要求1所述的等离激元增强的有机光伏电池，其特征是：所述空穴传输层为PEDOT:PSS薄膜。
5.根据权利要求1所述的等离激元增强的有机光伏电池，其特征是：金属电极为Al电极或Ag电极。
6.一种制备如权利要求1所述等离激元增强的有机光伏电池的方法，其特征在于：具体制备方法为：
（1）用种子生长法合成金纳米棒；
（2）超声清洗ITO玻璃衬底并烘干，对ITO薄膜进行氧等离子体清洗；
（3）通过旋涂法在透明导电薄膜ITO上旋涂PEDOT：PSS水溶液，并在空气中进行20分钟的退火固化，以形成40nm的空穴传输层；
（4）旋涂0.25mL 含有长径比为1.5~3.5的金纳米棒的水溶液，并在空气中以120℃加热固化15分钟；
（5）P3HT与PCBM以10mg：10mg溶解于0.5mL 氯苯溶剂中，搅拌48小时，然后通过旋涂活性层溶液形成100nm的有机活性层；
（6）通过真空热蒸发法在有机活性层表面镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火。
7. 根据权利要求6所述的等离激元增强的有机光伏电池的制备方法，其特征在于：步骤（6）中的热退火为150℃下快速热退火15 min。
8.根据权利要求6的制备方法，其特征是：步骤（4）中金纳米棒的旋涂的参数是前转650转/分钟，时间为9s，后转4000转/分钟，时间为15s。
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