CN107591485B - 一种可动态调控透明度的有机太阳能电池及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可动态调控透明度的有机太阳能电池及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可动态调控透明度的有机太阳能电池及其制备方法和应用，该方法是在基底上溅射电极材料，制得第一电极层；在第一电极层上旋涂或热蒸发有机材料，制得第一传输层，并在其上旋涂有机物与富勒烯的衍生物的混合物制得光活性层，然后将氧化物旋涂在光活性层上，再将金属蒸镀在其上制得第二电极；最后将半导体氧化物蒸镀在第二电极上，再将催化剂溅射到半导体氧化物层上，制得可动态调控透明度的有机太阳能电池。当通氢气时，气致变色氧化物层的光学性质发生变化，改变半透明电池器件的透过率和透明度。本发明制备的有机太阳能电池具有光伏发电功能、透过率和透明度动态可调的特点，可应用于智能光伏玻璃和建筑一体化领域。

Description

一种可动态调控透明度的有机太阳能电池及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种可动态调控透明度的有机太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭，新能源特别是太阳能电池成为国内外研究关注的一个热点。在太阳能电池家族中，有机太阳能电池(Organic solarcells，OSCs)由于具备柔性、质量轻、易制备以及潜在的价格低廉优势而受到广泛的关注，并且其最高效率已经超过11％。OSCs的另一特点是其吸收光谱不连续，易制成在可见光波段半透明的电池器件。基于这一性质，OSCs可被集成到玻璃上制备既具有光伏发电功能又在特定可见光波段透明的光伏玻璃(Photovoltaic glass，PV-Glass)。这种玻璃在光伏半透明彩色窗户、光伏建筑一体化和光伏汽车玻璃等领域具有广泛的应用前景，半透明OSCs也因此成为光伏领域中一个新的研究热点。
制备半透明OSCs的基本方法是将有机半导体活性层置于两透明电极之中。自2006年R.F.Bailey-Salzman等人首次报导了半透明OSCs以来，科研工作者投入了巨大的精力来优化半透明OSCs的光电转换效率、透明度以及色度学性能(如：透视颜色、显色指数等)。这类研究主要集中在三个方面：第一，研制并优化新型透明顶电极，如金属导电氧化物、半透明金属薄膜、导电聚合物、纳米银薄膜、石墨烯、碳纳米管薄膜等；第二，采用高效有机活性层提高器件性能等；第三，优化半透明太阳能电池的结构。通过使用这些方法，半透明OSCs的效率得到了很大的提高。
在目前研制的半透明OSCs中，电池器件的透视颜色主要决定于活性层的吸收光谱和器件的结构。电池器件一旦制成后，就不能再调节其透视颜色，即不能在应用过程中对器件的透视颜色进行动态调控。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种可动态调控透明度的有机太阳能电池的制备方法。该方法在半透明有机太阳能电池的最外层使用气致变色氧化物材料，然后在气致变色氧化物材料表面薄膜的表面蒸度1-2nm厚的Pt作催化剂，利用H2改变氧化物薄膜的光学属性，最终实现对半透明OSCs透视颜色和透明度的动态调控。
本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池。该有机太阳能电池包括基底，第一电极，第一传输层，光活性层，第二传输层和第二电极，所述第二电极上设有气致变色层，所述气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层。能够吸收一部分入射光，将其转换为电能；同时部分入射光能够透过电池器件，保持器件的透明度；器件一旦制成后，可以利用氢气对半透明OSCs透明度的实施动态调控。
本发明的再一目的在于提供上述可动态调控透明度的有机太阳能电池的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种可动态调控透明度的有机太阳能电池的备方法，包括如下具体步骤：
S1.用溶液清洗基底，将电极材料溅射转移到基体上，制得第一电极层；
S2.将有机材料旋涂或热蒸发在第一电极层上，制得第一传输层；
S3.将有机物与富勒烯的衍生物的混合物旋涂在第一传输层上制得光活性层，然后将氧化物旋涂在光活性层上制得第二传输层，再将金属蒸镀在第二传输层上制得第二电极；
S4.将半导体氧化物蒸镀在第二电极上，再将催化剂溅射到半导体氧化物层上制得催化剂层，即制得可动态调控透明度的有机太阳能电池。
优选地，步骤S1中所述溶液为去离子水、酒精或丙酮，所述基底为玻璃或PET，所述电极材料为ITO或石墨烯。
优选地，步骤S2中所述有机材料为聚[9,9-二(3'-(N,N-二甲胺基)丙基)-2,7-芴]-交-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)或聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。
优选地，步骤S3中所述氧化物为MoO3或TiO2，所述金属为Ag或Au。
优选地，步骤S3中所述有机物为PTB7、[6,6]-苯基C71丁酸甲酯与[6,6]-苯基C71丁酸甲酯的混合物，或者聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-二基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5-噻吩二基](PCDTBT)与PC71BM的混合物；所述富勒烯的衍生物为PC71BM。
优选地，所述PTB7和PC71BM的质量比为1：1.5～1.6，所述PCDTBT与PC71BM的质量比为1：3.5～4.5。
优选地，步骤S4中所述半导体氧化物为WO3或MoO3，所述催化剂为Pt或Pd，所述催化剂层的厚度为1～2nm。
一种可动态调控半透明有机太阳能电池是通过上述的方法制备得到。
所述可动态调控半透明有机太阳能电池包括基底，第一电极，第一传输层，光活性层，第二传输层和第二电极，所述第二电极上设有气致变色层，所述气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层。
上述可动态调控半透明有机太阳能电池在智能光伏玻璃和光伏建筑一体化领域中的应用。
本发明在有机太阳能电池的最外层WO3薄膜的表面蒸度1-2nm的Pt，此时电池器件的结构为基底/第一电极/第一载流子传输层/光活性层/第二载流子传输层/第二电极/WO3/Pt(1-2nm)。当器件制成后，在WO3薄膜表面通氢气(H2)，吸附在Pt纳米颗粒表面的H2分子被离化为H原子，H原子通过溢出机制转移到WO3薄膜表面，氢离子和电子双注入到WO3薄膜内，然后氢离子与晶格中的O形成结构水分子，该结构水分子在热扰动或者光照的情况下，容易脱落其原先位置，导致氧空位的出现。同时，注入的电子填充到由氧空位的出现引起的导带底局域态中，从而引起W价态的改变，WO3薄膜的光学性质发生改变并对红光的吸收很大，由于光学干涉以及光学吸收等光学规律，导致器件的透过率光谱发生变化，进而改变器件的颜色和透明度；当着色后的器件暴露在空气或者氧气环境时，吸附在表面的O2分子在Pt纳米颗粒表面发生离化并转移到WO3表面，同时WO3薄膜中结构H2O分子分解成H+和O离子，其中H+与WO3表面吸附的O离子结合形成H2O分子，解吸附到空气中；另一方面，O离子填补了氧空位，使材料物质结构恢复到着色前的WO3结构，WO3薄膜完成褪色过程，此时WO3薄膜对入射光的吸收较小，半透明太阳能电池的透过率将升高。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明在半透明有机太阳能电池的最外层使用气致变色氧化物材料，然后在气致变色氧化物材料表面薄膜的表面蒸度1-2nm厚的Pt或者Pd作催化剂，利用H2改变氧化物薄膜的光学属性，最终实现对半透明有机太阳能电池的透视颜色的动态调控。
2.本发明解决了有机太阳能电池一旦制成后，就不能再调节其透视颜色和透明度的问题，在应用过程中可对有机太阳能电池的透明度和透视颜色实现动态调控。
附图说明
图1为本发明制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池的结构示意图。
图2为实施例1中制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池在通H2前后的透过率的曲线分布。
图3为实施例2中制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池在通H2前后的透过率的曲线分布。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
图1为本发明的可动态调控透明度的有机太阳能电池结构示意图。如图1所示，有机太阳能电池包括基底1，第一电极2，第一传输层3，光活性层4，第二传输层5和第二电极6。第二电极6上设有气致变色层7，气致变色层7包括半导体氧化物层71和催化剂层72，半导体氧化物层71介于所述第二电极6和所述催化剂层72之间。
实施例1
1.制备：
(1)以玻璃为基底，采用去离子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，然后用氧等离子体处理，制作第一电极ITO；
(2)将浓度为2mg/mL的PFN界面材料的乙酸溶液旋涂到ITO电极上，制作PFN第一传输层；
(3)采用旋涂法将PTB7和PC71BM(或PTB7：PC71BM)混合溶液旋涂到PFN上，制成光活性层，通过调节旋涂的转速控制光活性层的厚度，进而控制有机太阳能电池的光电转换效率和透明度。
(4)利用真空热法在光活性层表面上蒸镀第二传输层MoO3，其厚度为10nm，然后在MoO3的表面上蒸镀15nm厚度的Ag，制成第二电极Ag；
(5)在第二电极Ag的表面上制备WO3，WO3的厚度控制在10～400nm，厚度不同，电池器件的透过率光谱和效率不同。
(6)在WO3的表面制备铂金催化剂层，WO3和铂金催化剂层组成气致变色层，铂金催化剂层的厚度为1～2nm，制得可动态调控透明度的有机太阳能电池。
2.性能测试：
当有机太阳能电池制成后，在WO3薄膜表面通氢气(H2)，控制氢气的流量，有机太阳能电池的透过率光谱就会发生相应的改变，同时电池器件的效率有所变化。这是由于H2被Pt离解后与WO3薄膜发生相互作用，导致外层WO3薄膜内部形成结构水和氧空位而改变其光学特性，进而改器件的透明度和透视颜色。
本实施例制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池包括玻璃基底，第一电极为ITO，第一传输层为PFN，光活性层为PTB7：P71CBM，第二传输层为MoO3，第二电极为Ag。所述第二电极Ag上设有气致变色层，该气致变色层包括半导体氧化物WO3层和催化剂Pt层。在本实施方式中，该太阳能电池为倒置式太阳能电池，此时第一传输层为PFN，而第二传输层则为MoO3。该太阳能电池也可以为正置式太阳能电池，此时第一传输层为MoO3，而第二传输层则为PFN。
图2为本实施例制备的有机太阳能电池在通H2前后的透过率的曲线分布。从图2中可知，对有机太阳能电池通H2前后，透过率光谱明显降低，有机太阳能电池的平均透明度从34％降低到19％，同时有机太阳能电池的色坐标从(0.23，0.17)变成(0.18，0.07)，这表明利用H2可以实现对有机太阳能电池的透明度和透视颜色的动态调控。
表1为光活性层厚度为100nm时，不同WO3厚度的器件，在通H2前和通H2后的主要参数。从表1中可知，通过在有机太阳能电池的第二电极上设有气致变色层，气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，在半导体氧化物WO3层的表面蒸度1～2nm厚的Pt催化剂层，通氢气前后器件的色坐标和平均透过率发生较大变化，这表明利用氢气对有机太阳能电池的透视颜色和透明度实施动态调控。
表1 实施例1中有机太阳能电池在通氢气前后的性能
Figure GDA0002255021760000061
实施例2
1.制备：
(1)以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为基底，采用去离子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，将第一电极石墨烯转移到PET上；
(2)将PEDOT：PSS旋涂到石墨烯电极上，制作第一传输层，厚度为30nm～50nm；
(3)采用旋涂法将PCDTBT：PC71BM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS上，制成光活性层，通过调节旋涂的转速控制光活性层的厚度，进而控制电池器件的光电转换效率和透明度。
(4)利用溶胶凝胶法制备TiO2，将TiO2旋涂在光活性层表面，然后在TiO2的表面上蒸镀15nm厚度的Au，制成第二电极Au；
(5)在第二电极Ag的表面上制备MoO3，MoO3的厚度控制在10～300nm，厚度不同，电池器件的透过率光谱和效率不同。
(6)在MoO3的表面制备Pd催化剂层，MoO3和Pd催化剂层组成气致变色层，Pd催化剂层的厚度为1～2nm，制得可动态调控透明度的有机太阳能电池。
2.性能测试：
当有机太阳能电池制成后，在MoO3薄膜表面通氢气(H2)，控制氢气的流量，有机太阳能电池的透过率光谱就会发生相应的改变，同时电池器件的效率有所变化。这是由于H2被Pt离解后与MoO3薄膜发生相互作用，导致外层MoO3薄膜内部形成结构水和氧空位而改变其光学特性，进而改变器件的透明度和透视颜色。
本实施例制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池包括基底PET，第一电极为石墨烯，第一传输层为PEDOT：PSS，光活性层为PCDTBT:PC71BM，第二传输层为TiO2，第二电极为Au。所述第二电极Au上设有气致变色层7，包括半导体氧化物MoO3层和催化剂Pd层，在本实施方式中，该太阳能电池为正置式太阳能电池，此时第一传输层为PEDOT：PSS，而第二传输层则为TiO2。该太阳能电池也可以为正置式太阳能电池，此时第一传输层为TiO2，而第二传输层则为PEDOT：PSS。
图3为本实施中制备的可动态调控透明度的有机太阳能电池在通H2前后的透过率的曲线分布。从图3中可知，对有机太阳能电池通H2前后，透过率光谱明显降低，有机太阳能电池的平均透明度从37％降低到17％，同时有机太阳能电池的色坐标从(0.51，0.33)变成(0.49，0.36)，这表明利用H2可以实现对半透明有机太阳能电池透明度和透视颜色的动态调控。
表2为光活性层厚度为100nm时，MoO3厚度分别为100nm、200nm和300nm的器件在通H2前和通H2后的性能。从表1中可知通过在有机太阳能电池的第二电极上设有气致变色层，气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，在半导体氧化物MoO3层的表面蒸度1～2nm厚的Pd催化剂层，通氢气前后有机太阳能电池的色坐标和平均透过率发生较大变化，这表明利用氢气对有机太阳能电池的透视颜色和透明度实施动态调控。
表2 实施例2中有机太阳能电池在通氢气前后的性能
Figure GDA0002255021760000071
Figure GDA0002255021760000081
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可动态调控透明度的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.用溶液清洗基底，将电极材料溅射转移到基体上，制得第一电极层；
S2.将聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐旋涂或热蒸发在第一电极层上，制得第一传输层；
S3.将质量比为1：3.5～4.5的PCDTBT与PC71BM的混合物旋涂在第一传输层上制得光活性层，然后将TiO2旋涂在光活性层上制得第二传输层，再将Ag蒸镀在第二传输层上制得第二电极；
S4.将半导体氧化物MoO3蒸镀在第二电极上，再将催化剂Pt或Pd溅射到半导体氧化物层上制得催化剂层，半导体氧化物层的厚度为100-300nm，催化剂层的厚度为1～2nm，即制得可动态调控透明度的有机太阳能电池；所述有机太阳能电池的结构为电极材料/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC71BM/TiO2/Ag/氧化物气致变色MoO3层。
2.根据权利要求1所述的可动态调控透明度的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述溶液为去离子水、酒精或丙酮；所述基底为玻璃或PET，所述电极材料为ITO或石墨烯。
3.一种可动态调控半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述可动态调控半透明有机太阳能电池是通过权利要求1或2所述的方法制备得到。
4.根据权利要求3所述的可动态调控半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述可动态调控半透明有机太阳能电池包括基底，第一电极，第一传输层，光活性层，第二传输层和第二电极，所述第二电极上设有气致变色层，所述气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层。
5.权利要求3或4所述可动态调控半透明有机太阳能电池在智能光伏玻璃和光伏建筑一体化领域中的应用。
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