CN111403611B - 等离激元金纳米结构对有机光伏薄膜相分离及电荷产生的调制方法 - Google Patents

等离激元金纳米结构对有机光伏薄膜相分离及电荷产生的调制方法 Download PDF

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Abstract

等离激元金纳米结构对有机光伏薄膜相分离及电荷产生的调制方法，属于有机太阳能电池领域。主要是利用化学手段制备特定大小的金纳米岛状结构，并在其上方旋涂有机聚合物混合薄膜，使有机聚合物分子在薄膜表面的分布产生调制，进而改变混合薄膜的相分离。又利用金纳米岛产生的等离子共振局域场，调制其周围分布的聚合物分子的电荷产生的方法。本发明具有成本低，易实现，工艺简单，可重复性好等优点，既可以实现有机太阳能电池器件中电荷产生的调制，又可以增强其对太阳光谱的利用。

Description

等离激元金纳米结构对有机光伏薄膜相分离及电荷产生的调 制方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种利用等离子激元金纳米岛状结构来调制有机太阳能电池器件聚合物混合薄膜相分离特性和电荷产生特性的方法，主要是在有机聚合物混合薄膜中制备特定大小的金纳米岛状结构，利用其产生的粒子等离子共振局域场作用，调制其周围的有机聚合物混合薄膜的相分离及其相分离界面上电荷产生特性的方法。
背景技术
聚合物混合薄膜是一种非常有前途的有机太阳能电池器件材料，它具有成本低，制备简单，可制备大尺寸、柔性器件等优势特点，是未来有机太阳能电池领域的发展趋势。然而，聚合物混合薄膜材料仍存在一些待解决的技术难题及科学问题，使得有机薄膜太阳能电池器件的工业化和商业化进程受到制约。这些关键问题包括：材料对太阳光谱的利用，光致激子的产生及迁移，激子分离或电荷产生，电荷传输，电荷收集五个主要部分。其中，电荷产生问题是影响有机薄膜太阳能电池器件效率的关键。现有的调制有机薄膜太阳能电池器件中电荷产生的主要方法有：改变混合薄膜材料的配比，改变混合薄膜的制备溶剂，对制备的混合薄膜进行退火处理等。这些方法在本质上都是通过改变混合薄膜的相分离特性来调制其电荷的产生。本发明将介绍一种采用等离子激元金纳米岛状结构来调制有机太阳能电池器件混合薄膜相分离和电荷产生的方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用金纳米岛状结构来调制有机太阳能电池器件聚合物混合薄膜的相分离，从而利用金纳米岛状结构产生的等离子共振局域场实现对器件电荷产生特性调制的目的。
本发明中有机太阳能电池器件聚合物混合薄膜电荷产生特性的调制是基于等离子激元金纳米岛状结构对混合薄膜相分离特性的改变实现的。其特征在于，将特定大小的金纳米岛状结构制备到有机半导体混合薄膜中，具体包括以下步骤：
1.等离激元金纳米结构对有机光伏薄膜相分离及电荷产生的调制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将直径为5-10nm的金纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成80-100mg/ml的金纳米胶体溶液；
2)将步骤1)中配制的金胶体溶液，以1000-3000rpm的转速，旋涂在玻璃或铟锡氧化物基底上，转速不同得到不同厚度的金膜；
3)将步骤2)中得到的不同厚度的金膜，在400-600℃马弗炉中加热退火10-30分钟，得到大小特定的离散的金纳米岛结构薄膜；
4)将有机太阳能电池器件聚合物材料溶解于有机溶剂中，浓度为5-25mg/ml,制备有机半导体混合溶液；
5)将步骤4)中制备的有机半导体混合溶液，以1000-3000rpm的转速，旋涂在步骤3)中得到的金纳米岛结构薄膜上，旋涂时间20-60秒，制备金纳米岛混合薄膜。
2、进一步，溶解金纳米颗粒的有机溶剂选用二甲苯，氯仿或氯苯。
3、进一步，旋涂金胶体所用的转速越大，金纳米岛结构的尺寸越小。
4、进一步，金膜的加热退火温度的温度越高金纳米岛结构尺寸越小。
5、进一步，制备有机半导体混合溶液的聚合物材料体系均应选用有机太阳能电池器件材料体系。
6、进一步，旋涂有机聚合物混合溶液的转速越大，聚合物薄膜的厚度越小。
本发明具有如下优点：
1)本发明无需使用昂贵的设备，成本低廉；
2)本发明要求的工艺简单，制备周期短；
3)本发明中的可控因素比较明显，可以通过改变金胶体溶液的浓度，旋涂金胶体溶液的转速，及其金膜加热退火的温度来调制制备的金纳米岛状结构的尺寸；
4)本发明可以实现大尺寸金纳米岛混合薄膜的制备；
5)本发明通过选用不同的有机聚合物材料，可以实现不同的金纳米岛结构聚合物混合薄膜；
6)本发明中如果选用柔性材料为基底制备金纳米岛混合薄膜，则可实现柔性的有机太阳能电池器件；
7)本发明的金纳米岛状结构引入的等离子共振局域场还可以增加混合薄膜对太阳光谱的吸收，提高有机太阳能电池器件对太阳光谱的利用；
8)本发明容易实现，重复性好。
附图说明
图1为金纳米岛的扫描电子显微图。图中金纳米岛分散在薄膜表面，没有团簇现象，金纳米岛的平均直径为100nm。
图2有无金纳米岛结构混合薄膜PCDTBT:PC70BM的吸收光谱。加入金纳米岛结构后混合薄膜的吸收显著增加。
图3为金纳米岛混合薄膜PCDTBT:PC70BM的原子力显微图，图中金纳米岛主要分布在PCDTBT相(图中亮的部分)和PC70BM相(图中暗的部分)的界面处。
图4为10K下测得的有无金纳米岛结构混合薄膜PCDTBT:PC70BM的光致吸收光谱。加入金纳米岛的混合薄膜在小于1.0eV的红外区域光致吸收增强，意味着加入金纳米岛结构后薄膜界面态电荷产生的增加。
图5为10K下测得的有无金纳米岛结构混合薄膜PCDTBT:PC70BM的延迟荧光光谱。该光谱表明加入金纳米岛的混合薄膜延迟荧光主要为界面态电荷的复合发光，而未加入金纳米岛的混合薄膜延迟荧光主要为给体材料PCDTBT的单重态的发光。从电荷重组的角度证明了加入金纳米岛结构后混合薄膜界面态电荷产生的增加。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于该实施例。
实施例：等离子激元金纳米岛状结构对PCDTBT:PC70BM混合薄膜相分离和电荷产生特性的调制方法。
1)将直径为10nm的金纳米颗粒溶解于二甲苯溶剂中，制成100mg/ml的金纳米胶体溶液；
2)将步骤1)中配制的金胶体溶液，以2000rpm的转速，旋涂在铟锡氧化物基底上，得到一定厚度的金膜；
3)将步骤2)中得到的金膜，在450℃马弗炉中加热退火10分钟，得到平均直径为100nm左右的离散的金纳米岛状结构薄膜，其扫描电子显微镜(SEM)照片如附图1所示；
4)将聚合物PCDTBT与富勒烯的衍生物PC70BM按1:4(摩尔比)溶解于氯仿溶剂中，浓度为23.3mg/ml,制备混合溶液；
5)将步骤4)中制备的混合溶液，以2000rpm的转速，旋涂在步骤3)中得到的金纳米岛状结构薄膜上，旋涂时间30秒，制备金纳米岛PCDTBT:PC70BM混合薄膜，其原子力显微镜(AFM)图如附图2所示；
6)将步骤5)得到的金纳米岛PCDTBT:PC70BM混合薄膜进行准稳态的光致吸收光谱(PIA)测试,测试的温度为10K。并将其与未掺入金纳米岛结构的混合薄膜的PIA光谱进行比较，以得到金纳米岛结构对混合薄膜光致电荷产生的调制，测得的PIA光谱如附图3所示。
7)将步骤5)得到的金纳米岛PCDTBT:PC70BM混合薄膜进行准稳态的延迟荧光(delay-PL)测试,测试的温度为10K。并将其与未掺入金纳米岛结构的混合薄膜的delay-PL光谱进行比较，从而从电荷复合的角度得到金纳米岛结构对混合薄膜光致电荷产生的调制，测得的dealy-PL光谱如附图4所示。

Claims (5)

1.等离激元金纳米结构对有机光伏薄膜相分离及电荷产生的调制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将直径为5-10nm的金纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成80-100mg/ml的金纳米胶体溶液；
2)将步骤1)中配制的金胶体溶液，以1000-3000rpm的转速，旋涂在玻璃或铟锡氧化物基底上，转速不同得到不同厚度的金膜；
3)将步骤2)中得到的不同厚度的金膜，在400-600℃马弗炉中加热退火10-30分钟，得到大小特定的离散的金纳米岛结构薄膜；
4)将有机太阳能电池器件聚合物材料溶解于有机溶剂中，浓度为5-25mg/ml,制备有机半导体混合溶液；
5)将步骤4)中制备的有机半导体混合溶液，以1000-3000rpm的转速，旋涂在步骤3)中得到的金纳米岛结构薄膜上，旋涂时间20-60秒，制备金纳米岛混合薄膜；
溶解金纳米颗粒的有机溶剂选用二甲苯，氯仿或氯苯。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，旋涂金胶体所用的转速越大，金纳米岛结构的尺寸越小。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，金膜的加热退火温度的温度越高金纳米岛结构尺寸越小。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，制备有机半导体混合溶液的聚合物材料体系均应选用有机太阳能电池器件材料体系。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，旋涂有机聚合物混合溶液的转速越大，聚合物薄膜的厚度越小。
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