CN112736203A - 一种有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种有机太阳能电池及其制备方法，该机太阳能电池包括：掺杂氟的SnO2导电玻璃FTO玻璃、在所述FTO玻璃上的电子传输层ETL、在所述ETL上的钙钛矿层、在所述钙钛矿层上的贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层、在所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子上的空穴传输层以及在所述空穴传输层上的电极；其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合。

Description

一种有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，能源资源的日益紧缺，开发新型能源受到人们越来越多的关注。太阳能作为一种清洁可再生能源主要有光伏利用和光热利用两方面。在最近兴起的太阳能电池中，有机太阳能电池由于效率高、容易制备受到人们的广泛关注。有机太阳能电池的工作原理分为三部分：1当太阳光照射到有源层时激发有源层产生电子和空穴；2电子和空穴分别向电子传输层和空穴传输层传输；3电子和空穴在电极界面被收集。
但是，现有技术中，有机太阳能电池有源层在吸收光子时产生的载流子有限，能够传输到电子传输层和空穴传输层的更加有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机太阳能电池及其制备方法，使有源层在光照下能够激发更多的载流子，提升有机太阳能电池的效率。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种有机太阳能电池的制备方法，包括：
步骤一，在FTO玻璃上旋涂电子传输层，然后在所述电子传输层上旋涂一钙钛矿层；
步骤二，在所述钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子；其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子包括Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合；
步骤三，在所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子旋涂层上旋涂空穴传输层，并在所述空穴传输层上蒸镀电极。
优选的，其中，步骤二包括：
步骤A，对贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液进行超声处理，将处理后的溶液倒入干净容器；
步骤B，将预先制备的单通AAO模板孔向上平铺在所述容器底部，保持预设时间后取出所述AAO模板进行真空干燥；
步骤C，将所述AAO模板放入饱和的四氯化锡溶液，去除AAO，等待溶液沉淀后，取出上清液离心分离并用丙酮和水进行清洗；
步骤D，利用清洗后得到的纳米壳核粒子溶液在所述钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子。
优选的，对贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液进行超声处理之前，还包括：
按1比1混合分别制备的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子，得到所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液。
优选的，对所述Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子分别执行所述步骤A至步骤D的操作，在所述钙钛矿层上得到依次旋涂的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。
本发明实施例还提供一种有机太阳能电池，包括：FTO玻璃、在所述FTO玻璃上的电子传输层ETL、在所述ETL上的钙钛矿层、在所述钙钛矿层上的贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层、在所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子上的空穴传输层以及在所述空穴传输层上的电极；
其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合。
优选的，其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括按1比1混合的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。
优选的，其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括依次叠加的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子子层。
与现有技术相比，本发明至少具有下述优点：
在有源层的钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子，在光照射时能够产生局域表面等离子体，激发更多的载流子，同时化学惰性的SiO2壳可以防止金属核俘获载流子造成损失，从而能够有效的提升有机太阳能电池的效率。
附图说明
图1示出本发明实施例提供的一种有机太阳能电池的制备方法的流程示意图。
图2示出本发明实施例提供的有机太阳能电池的制备方法中旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的流程示意图。
图3示出本发明实施例提供的有机太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
在不冲突的情况下，本发明各实施例及各实施方式中的技术特征可以相互组合，并不局限于该技术特征所在的实施例或实施方式中。
图1示出本发明实施例提供的一种有机太阳能电池的制备方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括：
步骤101，在掺杂氟的SnO2导电玻璃FTO玻璃上旋涂电子传输层(例如旋涂一层SnO2)，然后在所述电子传输层上(例如在手套箱中)旋涂一钙钛矿层；
步骤102，在所述钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子；其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子包括Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合；其中，贵金属核二氧化硅壳纳米粒子指的是具有核壳(Core-shell)结构的纳米粒子，被包裹在中心的核为贵金属，外层的壳为二氧化硅。
步骤103，在所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子旋涂层上旋涂空穴传输层，并在所述空穴传输层上蒸镀电极。
其中，如图2所示，步骤102可以包括：
步骤1021，对贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液进行超声处理，将处理后的溶液倒入干净容器；
步骤1022，将预先制备的单通AAO模板孔向上平铺在所述容器底部，保持预设时间后取出所述AAO模板进行真空干燥；
步骤1023，将所述AAO模板放入饱和的四氯化锡溶液，去除AAO，等待溶液沉淀后，取出上清液离心分离并用丙酮和水进行清洗；
步骤1024，利用清洗后得到的纳米壳核粒子溶液在所述钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子。
其中，在一实施方式中，在步骤1021中对贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液进行超声处理之前，还包括：按1比1混合分别制备的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子，得到所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液。
在一个示例中，采用AAO模板将壳核材料诱导成二维平面阵列，再与有机太阳能电池有源层进行掺杂。具体操作如下：首先，用阳极氧化法制作单通的AAO模板，然后将制作的纳米壳核材料经过超声处理15min后，倒入干净的烧杯，接着把制作的单通AAO模板孔向上平铺在装有纳米壳核材料烧杯的底部静止24h后取出并进行真空干燥。然后用饱和的四氯化锡溶液出去AAO，等待溶液沉淀，取出上清液离心分离，用丙酮和水各分离三次。然后将所得到的壳核纳米粒子分别进行1:1和1:1:1混合。接下来在干净的FTO玻璃上旋涂一层SnO2，然后在手套箱中旋涂一层钙钛矿层，接着用移液枪抽取70ul的所得溶液滴在FTO玻璃的正中心，设置低转速1500r时间10s，高转速4000r时间30s进行旋涂纳米壳核材料。接着旋涂空穴传输层然后在干燥的空气中氧化12h后开始蒸镀金电极完成器件的制备。
在另一实施方式中，对Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子分别执行步骤1021-1024的操作，在钙钛矿层上得到依次旋涂的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。例如，依次得到Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子层。应当理解，在旋涂厚度不够时，得到的可能不是严谨的各纳米粒子层，例如旋涂Ag@SiO2后并未得到一层Ag@SiO2纳米粒子，而是分散的众多Ag@SiO2纳米粒子，在旋涂Au@SiO2时，Au@SiO2纳米粒子与Ag@SiO2纳米粒子可能在部分位置处于同一层，即Au@SiO2纳米粒子被旋涂到不存在Ag@SiO2纳米粒子的位置，当Au@SiO2纳米粒子被旋涂到存在Ag@SiO2纳米粒子的位置时，则叠加到Ag@SiO2纳米粒子上。
在一个示例中，采用匀胶机进行旋涂成膜，具体操作如下：首先，在干净的FTO玻璃上旋涂一层SnO2，然后在手套箱中旋涂一层钙钛矿层，接着用移液枪抽取70ul的经过超声分散壳核溶液滴在FTO玻璃的正中心，设置低转速1500r时间10s，高转速4000r时间30s，分别依次旋涂纳米壳核材料Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2、Cu@SiO2，接着旋涂空穴传输层然后在干燥的空气中氧化12h后开始蒸镀金电极完成有源层的制备。
本发明实施例中，需要预先分别制备Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子，其制备过程的示例如下。
一、Ag@SiO2壳核的制备过程包括：
1.取130ml纯水放入烧杯待用。
2.称取102mg的无水柠檬酸钠配加10ml纯水配成溶液。
3.取18mgAgNO3加130ml纯水，放在转速机上转动。
4.将100mlAgNO3倒入三口瓶，设定温度为99°放在加热搅拌器上，装配好冷凝装置并固定，将三口瓶的三个口用薄膜封好，转速设置为420。
5.等到温度为99°时，取2ml柠檬酸钠溶液，并设定转速为600，逐滴加入2ml柠檬酸钠，完成后调回转速400。
6. 30min后，转速设置为600，逐滴加入10mlAgNO3，完毕回归转速。
7. 15min转速600，逐滴加入10mlAgNO3，完毕回归转速。
8. 15min转速600，逐滴加入10mlAgNO3，完毕回归转速。
9.等待90min，后Ag胶体制备完成。
10.取4ml制备好的银胶加入20ml的异丙醇，期间不断搅拌。
11.将0.5ml的氨水加入到银胶和异丙醇的混合溶液。
12.将1ul的TEOS(正硅酸乙酯)加入混合溶液室温搅拌1h之后得到Ag@SiO2壳核纳米结构。其中，通过控制TEOS的量可以控制壳的厚度，8ul的TEOS约对应30nm厚的壳。
二、Au@SiO2壳核结构的制备过程包括：
1.金种合成：将40mL 1mmol/L HAuCl4溶液加至150mL圆底烧瓶中，加热至沸腾，再加入6mL 1％柠檬酸钠溶液，继续沸腾约10min，溶液呈透明酒红色，放入冰水中快速冷却，反应后的金种子溶液经0.22μm滤膜过滤，4℃下储存。
2.壳核结构的制备：取4ml制备好的金种子加入20ml的异丙醇，期间不断搅拌；然后0.5ml的氨水加入到混合溶液，1ul的TEOS加入混合溶液室温搅拌1h之后得到Au@SiO2壳核纳米结构。
三、Pt@SiO2壳核结构的制备过程包括：
1.Pt种子的合成：称取一定量的PVP于烧瓶中，加入0.025mmol的H2PtCl6和25mlEG，磁力搅拌混合均匀氮气气氛下升温到176℃保温3h，反应结束后冷却并离心分离，用水和乙醇各洗3次。
2.Pt@SiO2纳米粒子的制备：EG-PVP体系下合成的Pt纳米粒子分散于己醇和水中，滴加0.65ml氨水作为催化剂，搅拌均匀后滴加0.79ml的TEOS水解作为硅源，体系在常温下搅拌16h，最终得到的混合溶液离心分离，用水和己醇各洗3次。
四、Cu@SiO2纳米壳核粒子的制备过程包括：
称取约3.369g BrjjR58(约3mmol)、15ml环己院于两口烧瓶中，加热、控制温度在50℃，电磁搅拌400r。待液体澄清透明后，加入0.45ml 0.3M的硝酸铜水溶液与三乙醇胺的混合溶液，体系(即液体)呈蓝色；待体系稳定后约1h，向体系加入0.1g NaBH4，有气泡生成，体系迅速由蓝色变为黑色；还原1h后，加入0.2ml 0.02M的NaCN水溶液于体系中；待2h后，量取1.2ml浓氨水加入体系中，体系黏度上升；适当提高转速，搅拌1h后，加入1.7g正硅酸乙酯，50℃下反应2h，溶液由黑色逐渐变为深蓝色，再加入15ml异丙醇进行破乳，停止反应，超声、离心分离(6000rpm)；将离心得到的固体用异丙醇洗涤，再离心，重复洗涤两次。以异丙醇：水＝3：1的溶液洗涤一次。最后将离心得到的固体放在电热恒温干燥箱中100℃烘10h，冷却至室温后，放入管式炉，空气通入量为10-15ml/min，升温速率为5℃/min，450℃下焙烧2h。
其中，SiO2外壳的厚度均可通过TEOS的量来调控，核的大小可通过所用原材料来控制。
本发明实施例还提供一种有机太阳能电池，图3示出该太阳能电池的结构示意图。如图3所示，本发明实施例提供的太阳能电池包括：FTO玻璃(掺杂氟的SnO2导电玻璃)、ETL(电子传输层)、电子传输层上的钙钛矿层(Perovskite)、在钙钛矿层上的贵金属核二氧化硅壳纳米粒子(core-shell)层、在贵金属核二氧化硅壳纳米粒子上的空穴传输层(HTL)以及在空穴传输层上的电极(例如Au电极)；其中，贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合。
在一个可选实施方式中，贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括按1比1混合的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。即，将混合后的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子一起旋涂在钙钛矿层上，四种纳米粒子的数量比例大致相同。
在另一个可选实施方式中，贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括依次叠加的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子子层。即，在钙钛矿层上依次旋涂Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子，在一个示例中，得到的是四个子层，即Ag@SiO2纳米粒子子层、Au@SiO2纳米粒子子层、Pt@SiO2纳米粒子子层和Cu@SiO2纳米粒子子层，四个子层叠加在钙钛矿层上。在另一个示例中，通过依次旋涂Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子，得到的还可以是一个子层，该子层中包括通过四次旋涂分别设置在钙钛矿层上的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。在其它示例中，可以得到介于四个子层和一个子层之间的效果。
通过采用本发明实施例提供的有机太阳能电池，在钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子，在光照射时能够产生局域表面等离子体，激发更多的载流子，同时化学惰性的SiO2壳可以防止金属核俘获载流子造成损失，从而能够有效的提升有机太阳能电池的效率。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一，在FTO玻璃(掺杂氟的SnO2导电玻璃)上旋涂电子传输层，然后在所述电子传输层上旋涂一钙钛矿层；
步骤二，在所述钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子；其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子包括银核SiO2壳Ag@SiO2、金核SiO2壳Au@SiO2、铂金核SiO2壳Pt@SiO2和铜核SiO2壳Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合；
步骤三，在所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子旋涂层上旋涂空穴传输层，并在所述空穴传输层上蒸镀电极。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤二包括：
步骤A，对贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液进行超声处理，将处理后的溶液倒入干净容器；
步骤B，将预先制备的单通AAO模板孔向上平铺在所述容器底部，保持预设时间后取出所述AAO模板进行真空干燥；
步骤C，将所述AAO模板放入饱和的四氯化锡溶液，去除AAO，等待溶液沉淀后，取出上清液离心分离并用丙酮和水进行清洗；
步骤D，利用清洗后得到的纳米壳核粒子溶液在所述钙钛矿层上旋涂贵金属核二氧化硅壳纳米粒子。
3.如权利要求2所述的方法，其中，对贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液进行超声处理之前，还包括：
按1比1混合分别制备的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子，得到所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子的溶液。
4.如权利要求2所述的方法，其中，对所述Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子分别执行所述步骤A至步骤D的操作，在所述钙钛矿层上得到依次旋涂的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。
5.一种有机太阳能电池，包括：FTO玻璃(掺杂氟的SnO2导电玻璃)、在所述FTO玻璃上的电子传输层ETL、在所述ETL上的钙钛矿层、在所述钙钛矿层上的贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层、在所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子上的空穴传输层以及在所述空穴传输层上的电极；
其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括银核SiO2壳Ag@SiO2、金核SiO2壳Au@SiO2、铂金核SiO2壳Pt@SiO2和铜核SiO2壳Cu@SiO2纳米粒子按预设比例的混合。
6.如权利要求5所述的有机太阳能电池，其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括按1比1混合的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子。
7.如权利要求5所述的有机太阳能电池，其中，所述贵金属核二氧化硅壳纳米粒子层包括依次叠加的Ag@SiO2、Au@SiO2、Pt@SiO2和Cu@SiO2纳米粒子子层。
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