CN110473967A - 基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚合物太阳能电池领域，特别公开了一种基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池及其制备方法。该聚合物太阳能电池，其特征在于：由下到上依次为带有OMO电极的柔性透明基底、纳米银片掺杂氧化锌电子传输层、非富勒烯体系光活性层、空穴缓冲层和阳极电极；氧化锌电子传输层上掺杂有片层状纳米银颗粒。本发明结构设计合理，制备步骤简单，利用纳米银片的LSPR效应和光散射效应显著提高了柔性电池器件的吸光性能，同时使电子传输层获得较高的电子传输率，即同时提高电池的光电流和填充因子，最终获得较高的光电转换效率。

Description

基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物 太阳能电池及其制备方法
（一）技术领域
本发明涉及聚合物太阳能电池领域，特别涉及一种基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池及其制备方法。
（二）背景技术
随着化石能源的枯竭与环境污染的日益严重，开发利用清洁可再生的能源迫在眉睫，其中太阳能清洁、可再生、便于就地利用，是各国研究的重点。太阳能电池是开发利用太阳能的核心设备，聚合物太阳能电池相比于无机太阳能电池具有质轻、制作工艺简单、廉价、可卷曲等优点，然而目前其光电转换效率和稳定性等问题仍然限制着其工业化生产。
为追求高的光电转化效率，目前，聚合物太阳能电池多在硬的玻璃/氧化铟锡透明基底上构建，这虽然获得了较高的光电转换效率，但是与其所追求的质轻、可卷曲等优点相悖。因而，在柔性透明基底上构建聚合物太阳能电池更有意义。受电池光活性材料光利用率较差、光活性材料电子、空穴传输效率较低等因素的影响，电池器件的吸光性能较差。如何在不降低电子/空穴传输效率的情况下，提高电池器件的吸光性能是提高柔性电池器件光电转化效率的关键。
纳米金属的局域表面等离子体共振效应（LSPR）和光散射效应可以显著提高光活性材料的吸光性能。然而，裸漏的纳米金属颗粒直接接触光活性材料会造成激子的淬灭，从而显著降低电池的光电转化效率。因此需要避免裸漏的纳米金属颗粒直接接触光活性材料。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构合理、电子传输率高、光吸收性好的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池及其制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：由下到上依次为带有OMO电极的柔性透明基底、纳米银片掺杂氧化锌电子传输层、非富勒烯体系光活性层、空穴缓冲层和阳极电极；氧化锌电子传输层上掺杂有片层状纳米银颗粒。
本发明在氧化锌电子传输层中掺入厚度较小的纳米饮片层颗粒，可以使其大部分包埋在电子传输层中，有效避免其淬灭光活性材料产生的激子，因而是其发挥LSPR效应和光散射作用，提高光吸收；另外，在氧化锌电子传输层中掺杂纳米银片可以有效提高电子传输率，进而提高器件的填充因子。
本发明的更优技术方案为：
所述柔性透明基底为PET或PC薄膜。
所述OMO电极为两无机氧化物层中间夹设金属层的三层结构电极；其中，所述金属层材料为Au、Ag或Cu，厚度为5-10nm；无机氧化物层的材料为半导体金属氧化物；OMO电极在可见光区保持较高光透过率的同事，保持较高的电荷传输效率。
所述纳米银片掺杂氧化锌电子传输层中，片层状纳米银颗粒掺杂到氧化锌纳米颗粒层中，其掺杂质量比为1-5%；氧化锌为颗粒状，粒径为4nm；片层状纳米银颗粒的尺寸为30-80nm，厚度为4nm。将纳米银片嵌入到氧化锌电子传输层中可以有效避免裸露的纳米金属颗粒淬灭光活性层激子，充分发挥纳米金属的LSPR效应和光散射作用，提高电池的吸光性能，同时也可以提高氧化锌电子传输层的电子传输效率，协同提高电池器件的光电流和填充因子，最终提高电池器件的光电转化效率。
所述非富勒烯体系光活性层的厚度为100nm，其中，给体材料为中间带隙聚合物给体材料J71或J61，受体材料为非富勒烯稠环衍生物ITIC或ITIC-m，给体材料和受体材料的共混比例为1:1。
所述空穴缓冲层的材料为MoO3，厚度为10nm；阳极电极的材料为Ag，厚度为100nm。
上述聚合物太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）通过磁控溅射法在柔性透明基底上溅射OMO阴极电极；
（2）在OMO阴极电极上直接旋涂一层掺杂片层状纳米银颗粒的氧化锌溶液，于60℃下退火10min，形成纳米银片掺杂氧化锌电子传输层；
（3）在氮气保护的手套箱中以1200-1400rpm的速度旋涂光活性层溶液60s；
（4）在真空镀膜设备中，将10nm的MoO3和100nm的Ag阳极分别蒸镀到光活性层上，在真空≤5×10-4Pa下形成阳极。
优选的，步骤（2）中，经液相还原法制得的氧化锌纳米颗粒经沉淀洗涤后，分散到体积比为60:35:5的正丁醇、甲醇、氯仿的混合溶液中，氧化锌溶液的浓度为10mg/mL；经还原法制得的片层状纳米银颗粒经离心洗涤、冷冻干燥后超声分散到氧化锌溶液中，得到纳米银片掺杂氧化锌溶液，在OMO电极表面以3000rpm的转速旋涂纳米银片掺杂氧化锌溶液30s，之后退火。
优选的，步骤（3）中，光活性层溶液为质量比为1:1的给体材料和受体材料在氯苯溶液中混合得到的聚合物共混溶液，其浓度为9-10mg/mL；聚合物共混溶液中还添加有1.5vol%的1,8-二碘辛烷。
本发明结构设计合理，制备步骤简单，利用纳米银片的LSPR效应和光散射效应显著提高了柔性电池器件的吸光性能，同时使电子传输层获得较高的电子传输率，即同时提高电池的光电流和填充因子，最终获得较高的光电转换效率。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明三角形纳米银片的透射电子显微镜照片图；
图3为本发明掺杂三角形纳米银片和未掺杂三角形纳米银片的聚合物太阳能电池的光电转化伏安特性曲线图。
图中，1柔性透明基底，2 OMO电极，3纳米银片掺杂氧化锌电子传输层，4非富勒烯体系光活性层，5空穴缓冲层，6阳极电极。
（五）具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的技术方案在于提供一种基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建柔性结构聚合物太阳能电池，如附图1所示，电池结构包括柔性透明基底1，OMO电极2，纳米银片掺杂氧化锌电子传输层3，非富勒烯体系光活性层4，空穴缓冲层5，阳极电极6。
本发明的柔性透明基底1是柔性的PET、PC等聚合物基底，作为柔性聚合物太阳能电池的基底，要求其在近紫外、可见光、近红外区范围内有较高的透过率，可以阻隔氧气和水，而且平整度较高。
本发明的OMO电极2是三层结构的阴极电极，其中氧化物为ZnO、TiO2等半导体金属氧化物，金属层为Au、Ag、Cu等，金属层厚度约为5-10nm，OMO电极2在可见光波长范围内保持较高光透过率的同时，同时保持较高的导电率。
本发明的纳米银片掺杂氧化锌电子传输层3由氧化锌纳米颗粒、片层状纳米银片混合而成。其中ZnO为颗粒状，尺寸约为4nm，纳米银片尺寸为30-80nm，厚度约为4nm，纳米银片的掺杂质量百分比为1%-5%。将纳米银片按一定质量直接掺杂到氧化锌纳米颗粒溶胶悬浮溶液中，充分超声混合均匀。通过旋涂方法，在OMO电极2上旋涂一层纳米银片掺杂氧化锌电子传输层3，低温退火去除溶剂。
本发明的非富勒烯体系光活性层4由聚合物给体材料、非富勒烯受体材料混合而成。聚合物给体材料如J71等，结构中具有不饱和结构，其带隙适中，与非富勒烯受体材料吸光互补，且能量匹配，可以吸收可见光产生激子。受体材料为非富勒烯稠环衍生物如ITIC、ITIC-m等，其相对于富勒烯受体材料具有能级可调，吸光范围宽，与给体材料共混稳定性好等优点，因此可以制作效率更高更稳定的柔性聚合物太阳能电池器件。
本发明的空穴缓冲层5为MoO3，是在真空蒸镀设备中，通过蒸镀形成一层厚度约为10nm的空穴传输层。
本发明的阳极电极6为Ag，其导电性好，功函数较高，稳定性较高。
实施例1：
基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建柔性结构聚合物太阳能电池的结构如图1所示。图中1为柔性PET透明基地；2阴极电极为OMO导电电极，由ZnO/Ag/ZnO组成，厚度分别为50nm、10nm、50nm；电子传输层3中含有ZnO纳米颗粒和3wt%的纳米银片，ZnO尺寸约为4nm，纳米银片尺寸为30-80nm，厚度约为4nm。光活性层4中给体材料为J71，非富勒烯受体材料为ITIC，光活性层的厚度为100nm；电子缓冲层5为MoO3，厚度为10nm；阳极电极6为Ag，厚度为100nm。
其具体制备方法如下：
（1）柔性PET透明基底上的OMO阴极电极由磁控溅射法获得，PET/OMO基底无需清洗，在OMO电极上直接旋涂一层电子传输层；
（2）ZnO纳米颗粒通过液相还原法制得，经多次沉淀洗涤后，再分散到正丁醇、甲醇、氯仿的混合溶液中（体积比60：35：5），氧化锌浓度约为10mg/mL。片层纳米银片通过还原法制得，其结构示意图如图2所示，离心洗涤3次，冷冻干燥，防止团聚。按3%质量称量纳米银片，分散到氧化锌溶液中，充分超声分散。在OMO电极上旋溶液，转速为3000rpm，时间为30s，然后60℃退火10min形成纳米银片掺杂的氧化锌电子传输层。将基底转入氮气保护的手套箱中进行光活性层的制备；
（3）光活性层溶液由J71、ITIC组成， J71和ITIC在氯苯溶液中的质量比为1:1，聚合物浓度为9mg·mL-1。此外，将1.5vol％的1,8-二碘辛烷（DIO）加入到光活性材料共混物溶液中，以在活性层中形成具有合适的给体和受体尺寸范围的理想的互穿网络，旋涂是以1200-1400rpm旋涂60s；
（4）在真空镀膜设备中，将10nm的MoO3和100nm的Ag阳极分别蒸镀到活性层上，在真空≤5×10-4Pa下形成阳极。
实施例2：
基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建柔性结构聚合物太阳能电池的结构如图1所示。图中1为柔性PET透明基地；2阴极电极为OMO导电电极，由ZnO/Ag/ZnO组成，厚度分别为50nm、10nm、50nm；电子传输层3中含有ZnO纳米颗粒和3wt%的纳米银片，ZnO尺寸约为4nm，纳米银片尺寸为30-80nm，厚度约为4nm。光活性层4中给体材料为J71，非富勒烯受体材料为ITIC，光活性层的厚度为100nm；电子缓冲层5为MoO3，厚度为10nm；阳极电极6为Ag，厚度为100nm。
其具体制作方法如下：
（1）柔性PET透明基底上的OMO阴极电极由磁控溅射法获得，PET/OMO基底无需清洗，在OMO电极上直接旋涂一层电子传输层；
（2）ZnO纳米颗粒通过液相还原法制得，经多次沉淀洗涤后，再分散到正丁醇、甲醇、氯仿的混合溶液中（体积比60：35：5），氧化锌浓度约为10mg/mL。片层纳米银片通过还原法制得，离心洗涤3次，冷冻干燥，防止团聚。按1.5%质量称量纳米银片，分散到氧化锌溶液中，充分超声分散。在OMO电极上旋溶液，转速为3000rpm，时间为30s，然后60℃退火10min形成纳米银片掺杂的氧化锌电子传输层。将基底转入氮气保护的手套箱中进行光活性层的制备；
（3）光活性层溶液由J71、ITIC组成， J71和ITIC-m在氯苯溶液中的质量比为1:1，聚合物浓度为10mg·mL-1。此外，将1.5vol％的1,8-二碘辛烷（DIO）加入到光活性材料共混物溶液中，以在活性层中形成具有合适的给体和受体尺寸范围的理想的互穿网络，旋涂是以1200-1400rpm旋涂60s；
（4）在真空镀膜设备中，将10nm的MoO3和100nm的Ag阳极分别蒸镀到活性层上，在真空≤5×10-4Pa下形成阳极；
（5）测试所制备柔性聚合物太阳能电池的光电转化效率，对应的I-V曲线如图3中所示。图3对应掺杂三角形纳米Ag片和未掺杂三角形纳米Ag片的电池的光电转化效率别为7.92%和7.03%，经三角形纳米Ag片掺杂后，器件效率明显提升，主要体现在填充因子由51.44%提升到53.83%，电流密度由14.69 mAcm-1提升到16.48 mAcm-1。填充因子和电流密度的显著提升证明三角形纳米Ag片的引入可以显著提升ZnO电子传输层的电子传输效率，和提升器件的光利用效率，从而提升电池器件的整体光电转化效率。

Claims (10)

1.一种基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：由下到上依次为带有OMO电极（2）的柔性透明基底（1）、纳米银片掺杂氧化锌电子传输层（3）、非富勒烯体系光活性层（4）、空穴缓冲层（5）和阳极电极（6）；氧化锌电子传输层（3）上掺杂有片层状纳米银颗粒。
2.根据权利要求1所述的基于聚乙二醇修饰的氧化锌电子传输层构建柔性结构的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述柔性透明基底（1）为PET或PC薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：所述OMO电极（2）为两无机氧化物层中间夹设金属层的三层结构电极。
4.根据权利要求1所述的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：所述纳米银片掺杂氧化锌电子传输层（3）中，片层状纳米银颗粒掺杂到氧化锌纳米颗粒层中，其掺杂质量比为1-5%；氧化锌为颗粒状，粒径为4nm；片层状纳米银颗粒的尺寸为30-80nm，厚度为4nm。
5.根据权利要求1所述的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：所述非富勒烯体系光活性层（4）的厚度为100nm，其中，给体材料为中间带隙聚合物给体材料J71或J61，受体材料为非富勒烯稠环衍生物ITIC或ITIC-m，给体材料和受体材料的共混比例为1:1。
6.根据权利要求1所述的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：所述空穴缓冲层（5）的材料为MoO3，厚度为10nm；阳极电极（6）的材料为Ag，厚度为100nm。
7.根据权利要求3所述的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池，其特征在于：所述金属层材料为Au、Ag或Cu，厚度为5-10nm；氧化物层的材料为半导体金属氧化物。
8.根据权利要求1所述的基于纳米银片掺杂氧化锌电子传输层构建的柔性结构聚合物太阳能电池的制备方法，其特征为，包括如下步骤：（1）通过磁控溅射法在柔性透明基底上溅射OMO阴极电极；（2）在OMO阴极电极上直接旋涂一层掺杂片层状纳米银颗粒的氧化锌溶液，于60℃下退火10min，形成纳米银片掺杂氧化锌电子传输层；（3）在氮气保护的手套箱中以1200-1400rpm的速度旋涂光活性层溶液60s；（4）在真空镀膜设备中，将10nm的MoO3和100nm的Ag阳极分别蒸镀到光活性层上，在真空≤5×10-4Pa下形成阳极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，经液相还原法制得的氧化锌纳米颗粒经沉淀洗涤后，分散到体积比为60:35:5的正丁醇、甲醇、氯仿的混合溶液中，氧化锌溶液的浓度为10mg/mL；经还原法制得的片层状纳米银颗粒经离心洗涤、冷冻干燥后超声分散到氧化锌溶液中，得到纳米银片掺杂氧化锌溶液，在OMO电极表面以3000rpm的转速旋涂纳米银片掺杂氧化锌溶液30s，之后退火。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，光活性层溶液为质量比为1:1的给体材料和受体材料在氯苯溶液中混合得到的聚合物共混溶液，其浓度为9-10mg/mL；聚合物共混溶液中还添加有1.5vol%的1,8-二碘辛烷。
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