CN108899428A - 一种半透明有机太阳能电池器件制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半透明有机太阳能电池，包括铟锡氧化物(ITO)透明导电玻璃衬底、竖直生长的银纳米棒阵列、ZnO电子传输层、聚合物活性层、缓冲层MoO3、Al/Ca:Ag多层透明电极和Alq3有机透明封装层。本发明在太阳能电池顶部设置了混合蒸镀的钙银(Ca:Ag)透明电极，兼具优异的光透过率和电导率；同时，在底部透明导电铟锡氧化物电极(ITO)处设置了银纳米棒阵列，通过Ag纳米棒对光的散射，增加了太阳光在器件内部的传输距离，从而提高了光的捕获率，该半透明太阳能电池可广泛应用于太阳能建筑一体化及汽车玻璃视窗等。

Description

一种半透明有机太阳能电池器件制作方法
技术领域
本发明属于光电转换器件技术领域，涉及一种半透明有机太阳能电池器件制作方法。
背景技术
近年来，有机太阳能电池以其质量轻、成本低、制作工艺简单、可制备成大面积柔性器件等优点而备受关注。现有有机太阳能电池，主要是由一薄而透明导电的铟锡氧化物平板电极(ITO)、有机活性层、不透明的金属平板电极组成的“三明治”结构。但是，不透明的金属电极不利于其在太阳能建筑一体化及汽车玻璃视窗等方面的应用。即使可以通过减少金属电极(比如Ag电极)厚度制备出半透明太阳能电池等方式来解决，可是其缺点是：薄层金属电极的导电率很低，同时器件对光的捕获率大大降低，导致器件的光电转换效率不理想。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决金属透明电极电导率低以及半透明太阳能电池器件光捕获率低的问题，提出一种半透明有机太阳能电池器件的制作方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
S1：Ag纳米棒阵列在ITO(氧化铟锡)电极上的生长：在ITO玻璃基板上依次溅射黏合层Ti、成核层Au和Al膜，然后通过阳极氧化法形成Al2O3纳米孔模板，接下来，采用电化学沉积法在模板里沉积Ag纳米棒，最后通过碱液去除Al2O3模板,得到竖直生长在ITO玻璃基板上的的银纳米棒阵列；
S2：电子传输层的旋涂：将乙酸锌与2-甲氧乙醇混合，然后滴入乙醇胺作为稳定剂，配置Zn2+浓度为0.5M的前驱液；采用“预浸润-旋涂-退火”多次循环法制备无针孔共形ZnO包覆层；
S3:聚合物的旋涂：将样品浸在氯苯溶液中3min,然后取出样品；将80ul质量比为1：0.8的P3HT：PCBM聚合物的氯苯溶液均匀滴在样品表面，先以100rpm速度旋转2min,再以1500rpm旋转1min；
S4:缓冲层和透明电极的蒸镀：将样品放在设计好的掩模版上，然后放入真空蒸镀机(真空度～10-8mbarr),依次蒸镀缓冲层MoO3、种子层Al、钙银(Ca:Ag)混合透明电极、有机透明封装层Alq3。
优选地，S4中所述的缓冲层MoO3的蒸发沉积厚度为3-8nm，种子层Al的蒸发厚度约为1nm，钙银(Ca:Ag)混合透明电极的沉积厚度为9-14nm,有机透明封装层Alq3的蒸发沉积厚度为～60nm。
有益效果：
由于本发明中在太阳能电池顶部设置了混合蒸镀的钙银(Ca:Ag)透明电极，兼具优异的光透过率和电导率；同时，在底部透明导电铟锡氧化物电极(ITO)处设置了银纳米棒阵列，通过Ag纳米棒对光的散射，增加了太阳光在器件内部的传输距离，从而提高了光的捕获率，此外，高电导率Ag纳米棒为电子传输到电极提供了快速通道，能够提高电荷收集率，该半透明太阳能电池可广泛应用于太阳能建筑一体化及汽车玻璃视窗等。
附图说明
图1为本发明半透明有机太阳能电池结构示意图；
图2为本发明中纳米棒阵列的扫描电镜图。
其中，图2a为Ag纳米棒阵列扫描电镜图，图2b为Ag/ZnO核壳结构纳米棒阵列电极扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
一种半透明有机太阳能电池，如图1所示，由铟锡氧化物(ITO)导电玻璃衬底、银纳米棒阵列、ZnO电子传输层、P3HT:PCBM有机共轭聚合物活性层、MoO3缓冲层、Al/Ca:Ag多层结构透明电极、有机透明封装层Alq3组成并依次构成叠层结构。
所述一种半透明有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将ITO玻璃衬底(14mm x 14mm),依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇超声清洗10分钟，最后用干燥氮气吹干待用。
步骤二、Ag纳米棒阵列在ITO(氧化铟锡)电极上的生长：将ITO玻璃衬底放入真空溅射机(真空度～10-7mbarr),依次溅射黏合层Ti(5nm)、成核层Au(2nm)和Al膜(150nm)；在5℃的0.1M草酸水溶液中对以上样品进行阳极氧化(阴极为环形Pt电极)，外加电压60V，约5min,形成多孔Al2O3，然后放入5wt％磷酸溶液进行扩孔处理,80min,得到底部导电的多孔氧化铝模板(AAO),孔径约为80nm，高度约为300nm；电化学沉积过程在0.05M硫酸银和2.3M硫氰化钾的水溶液(50ml)中进行，溶液pH值通过加入0.2M磷酸二氢钾(40ml)和0.2M磷酸氢二钾(7ml)的缓冲溶液进行调控，pH值稳定在6.0,另外，通过加入20ml甲醇以增加氧化铝多孔模板在电解液中的浸润性。采用的电源为三电极系统，工作电极为多孔Al2O3模板，对电极采用2cm x 2cm铂片，两电极保持平行，间距为2cm，参考电极为Ag/AgCl(3M NaCl)，靠近工作电极。施加脉冲电压(沉积电压-0.5V，6ms；非沉积电压-0.157V，1s)，总时长20s,得到镶嵌于Al2O3模板中的Ag纳米棒阵列(AgNWs，高度约为150nm)；将样品放入0.1M NaOH的水溶液中50min，去除Al2O3模板，再用微弱气流的干燥氮气吹干，得到在ITO透明导电玻璃基板上竖直生长的Ag纳米棒阵列(如图2a所示)。
步骤三、ZnO电子传输层的旋涂：将0.328g乙酸锌与3ml的2-甲氧乙醇混合，然后滴入100ul乙醇胺作为稳定剂，配置Zn2+浓度为0.5M的前驱液；然后，采用“预浸润-旋涂-退火”四次循环法制备共形ZnO包覆层，将40ul的ZnO前驱液均匀滴在Ag纳米棒阵列样品上，浸润1min，使前驱液充分进入纳米棒之间的缝隙，然后，以5000rpm的转速旋涂40s，接下来，将样品放在加热台上(250℃)持续10min，在空气中进行退火，形成ZnO，以上步骤重复4次，得到厚度约为30nm的无针孔共形ZnO包覆层(如图2b所示)。
步骤四、聚合物的旋涂：将样品浸在氯苯溶液中3min,然后取出样品；将80ul质量比为1：0.8的P3HT：PCBM聚合物的氯苯溶液均匀滴在样品表面，先以100rpm速度旋转2min,再以1500rpm旋转1min。
步骤五、MoO3缓冲层和透明电极的蒸镀：将样品放在设计好的掩模版上，然后放入真空蒸镀机(真空度～10-8mbarr),缓冲层MoO3的蒸发沉积厚度为3nm，种子层Al的蒸发厚度约为1nm，钙银(Ca:Ag)混合透明电极的沉积厚度为10nm(其中钙和银的沉积速率比为2:1),有机透明封装层Alq3的蒸发沉积厚度为60nm。
步骤六、性能参数测试：1)透明电极电导率和光透过率的测试，将MoO3(3nm)/Al(1nm)/Ca:Ag(2:1；10nm)/Alq3(60nm)沉积在玻璃基板上，采用四探针系统测得其表面电阻率为20Ω/sq，采用Cary 5000UV-vis-NIR光谱仪测得其平均透过率为84％，其性能甚至优于实验室购买的ITO导电玻璃(表面电阻31Ω/sq，平均透过率为83％)；2)太阳能电池器件的光吸收和电荷收集率测试，采用含有积分球的Cary 5000UV-vis-NIR光谱仪，使光从顶部Ca:Ag电极入射，分别测试含有银纳米棒阵列的电池器件(实施例)和不含银纳米棒阵列的电池器件(对比例)的光吸收率，测试结果显示实施例的平均光吸收率是1.8倍，说明银纳米棒有益于电池器件光捕获率的提高；此外，采用电流电压曲线(J-V)测试系统，从-0.6V到0.2V对器件进行扫描，采用PCC＝J(V)/Jsat(其中PCC是电荷收集率，J(V)是电流随电压的函数，Jsat是反向饱和电流，此处选取电压为-0.6V处的电流作为反响饱和电流),实验结果表明实施例的电荷收集率在电池的实际工作电压处高于对比例，说明银纳米棒有益于电荷收集率的提高。
自此，就完成了/实现了一种半透明有机太阳能电池器件的制作。
虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种半透明有机太阳能电池器件制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：Ag纳米棒阵列在ITO(氧化铟锡)电极上的生长：在ITO玻璃基板上依次溅射黏合层Ti、成核层Au和Al膜，然后通过阳极氧化法形成Al2O3纳米孔模板，接下来，采用电化学沉积法在模板里沉积Ag纳米棒，最后通过碱液去除Al2O3模板,得到竖直生长在ITO玻璃基板上的的银纳米棒阵列；
S2:电子传输层的旋涂：将乙酸锌与2-甲氧乙醇混合，然后滴入乙醇胺作为稳定剂，配置Zn2+浓度为0.5M的前驱液；采用“预浸润-旋涂-退火”多次循环法制备无针孔共形ZnO包覆层；
S3：聚合物的旋涂：将样品浸在氯苯溶液中3min,然后取出样品；将80ul质量比为1：0.8的P3HT：PCBM聚合物的氯苯溶液均匀滴在样品表面，先以100rpm速度旋转2min,再以1500rpm旋转1min；
S4:缓冲层和透明电极的蒸镀：将样品放在设计好的掩模版上，然后放入真空蒸镀机(真空度～10-8mbarr),依次蒸镀缓冲层MoO3、种子层Al、钙银(Ca:Ag)混合透明电极、有机透明封装层Alq3。
2.根据权力要求1所述的制备方法，S4中所述的缓冲层MoO3的蒸发沉积厚度为3-8nm，种子层Al的蒸发厚度约为1nm，钙银(Ca:Ag)混合透明电极的沉积厚度为9-14nm,有机透明封装层Alq3的蒸发沉积厚度为～60nm。
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