CN115312663A - 一种银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池及其制备方法。所述银纳米线复合电极由底层氧化锌、中间层银纳米线和顶层氧化锌叠层复合而成,并在银纳米线复合电极上依次制备光活性层、空穴传输层和顶电极构成有机太阳能电池。本发明的银纳米线复合电极,不仅增强了银纳米线在衬底基板上的附着力,还提高了银纳米线薄膜表面平整均匀度,降低了其表面层方阻。此电极具有良好的导电性、高透光率和雾度低等优点,可以取代传统的氧化铟锡电极,制备高性能的有机太阳能电池器件。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域,尤其涉及一种银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池。
背景技术
21世纪以来,科技发展日新月异,对能源和电力的需求也在大大增加,常用的煤、石油、天然气等都是不可再生能源,而且在使用过程中会对环境造成污染,因此新能源尤其太阳能得到国内外的关注,而太阳能电池更是国内外科研的一个热点。有机太阳能电池作为太阳能电池的一员,也是吸收太阳光转换成电能的器件。透明电极作为有机太阳能电池的入射电极,对器件的光电性能起到了至关重要的作用,因此入射电极不仅要透光率高,还应该具备良好的导电性。目前铟锡氧化物(ITO)是太阳能电池的主流电极材料,ITO具有较好的可见光透过率和较低的表层方阻,这使得它在光电领域得到很大的应用。
然而,ITO的原料铟属于稀土元素,资源稀缺,而且ITO制作的工艺复杂,成本高,柔韧性差,有毒等缺陷极大地限制了它的应用发展,不足以满足未来的需求,因此新型透明导电电极备受研究者们关注。银纳米线由于兼具高电导率、优良的机械柔韧性、化学性质稳定和良好的光学性能,是ITO的理想替代品,被广大学者认可和研究。然而银纳米线具有表面粗糙度大,附着能力差等缺陷,要将其有效地应用于电极中,甚至应用于太阳能电池中,仍待进一步研究以解决。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术问题而提供一种银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池及其制备方法,本发明且制备方法简单高效,电极平均透过率为 85%,方阻为20Ω/sq,达到了良好的光电综合能力。本发明还将此复合电极应用于有机太阳能电池,以提高有机太阳能电池的光电转换效率。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种银纳米线复合电极,银纳米线复合电极包括底层氧化锌、中间层银纳米线和顶层氧化锌,其特征在于:所述底层氧化锌是由氧化锌溶液直接旋涂于衬底上形成;所述中间层银纳米线是基于PH1000掺杂的银纳米线。
作为优选,所述的底层氧化锌薄膜的厚度是20-100nm,顶层氧化锌薄膜的厚度是20-60nm。
作为优选,所述中间层银纳米的厚度是100-800nm,银纳米的长度为30-60μm,
直径为30-60nm,掺杂的PH1000的浓度为0-2mg/ml。
一种由上述银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池,其结构由下到上依次是银纳米线复合电极、光活性层、空穴传输层和顶电极,其制备方法具体包括以下步骤:
S1.对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;
S2.在玻璃衬底上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃-200℃温度下进行退火处理1h;
S3.用移液枪取40-60μl的浓度为5mg/ml-10mg/ml的银纳米线乙醇(掺杂PH1000)溶液旋涂于氧化锌薄膜上,旋涂次数为4-8次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;
S4.在氧化锌-银纳米线复合薄膜表面上旋涂一层氧化锌薄膜,然后将其在170℃-200℃的温度下进行退火处理1h,形成氧化锌-银纳米线-氧化锌复合电极。
S5.在氧化锌-银纳米线-氧化锌复合电极表面上旋涂光活性层。
S6.在光活性层上真空蒸镀空穴传输层;最后,在空穴传输层上真空蒸镀顶电极。
作为优选,所述的空穴传输层的材料为MoO3或PEDOT:PSS。
作为优选,所述的光活性层为电子给体和电子受体复合薄膜,电子给体为
P3HT或PTB7-Th;所述的电子受体为PC71BM或IEICO-4F。
作为优选,所述的光活性层为PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液,PTB7-Th
与IEICO-4F的质量比为1:1.5。
作为优选,所述的顶电极的材料为Ag、Cu或Au。
本发明具有如下有益效果:
本发明设计的银纳米线复合电极,采用氧化锌-银纳米线-氧化锌的叠层结构。
衬底上的氧化锌薄膜作为底层,不仅增强了银纳米线的在衬底上的附着力,还由于氧化锌合适的表面能,使得银纳米线可以完全地沉降在其上面形成平整均匀的导电薄膜;在银纳米线薄膜上的一层氧化锌薄膜能够降低银纳米线薄膜表面粗糙度,从而降低其表面层方阻,增强其导电性和透过率。本发明的银纳米线复合电极制得的有机太阳能电池具有良好的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明的银纳米线复合电极的示意图;
图2是本发明的有机太阳能电池的结构示意图;
图3是本发明的实例7的有机太阳能电池器件I-V曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例,并结合附图,对发明的技术方案作进一步具体的说明
在本发明中,若非特指,所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的,下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域常规方法。
本发明一种银纳米线复合电极,银纳米线复合电极包括底层氧化锌1、中间层银纳米线2和顶层氧化锌3,所述底层氧化锌是由氧化锌溶液直接旋涂于衬底上形成;所述中间层银纳米线是基于PH1000掺杂的银纳米线。
实施例1:
本实施例中采用的银纳米线的长度为30μm,直径为30nm,底层氧化锌的厚度为20nm,顶层氧化锌的厚度为40nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取60μl的浓度为5mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为4次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在170℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为8.3%。
实施例2:
本实施例中采用的银纳米线的长度为40μm,直径为40nm,底层氧化锌的厚度为30nm,顶层氧化锌的厚度为50nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在180℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取60μl的浓度为7mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为5次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在180℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为8.5%。
实施例3:
本实施例中采用的银纳米线的长度为30μm,直径为50nm,掺杂PH1000的浓度为1mg/ml,底层氧化锌的厚度为40nm,顶层氧化锌的厚度为40nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取60μl的浓度为8mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为6次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在170℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为8.6%。
实施例4:
本实施例中采用的银纳米线的长度为60μm,直径为30nm,掺杂PH1000的浓度为2mg/ml,底层氧化锌的厚度为80nm,顶层氧化锌的厚度为40nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取50μl的浓度为6mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为8次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在200℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为8.7%。
实施例5:
本实施例中采用的银纳米线的长度为50μm,直径为60nm,掺杂PH1000的浓度为0.5mg/ml,底层氧化锌的厚度为100nm,顶层氧化锌的厚度为40nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在200℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取40μl的浓度为10mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为4次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在170℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为8.6%。
实施例6:
本实施例中采用的银纳米线的长度为60μm,直径为60nm,掺杂PH1000的浓度为1.5mg/ml,底层氧化锌的厚度为100nm,顶层氧化锌的厚度为60nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取60μl的浓度为5mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为4次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在180℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为8%。
实施例7:
本实施例中采用的银纳米线的长度为30μm,直径为60nm,底层氧化锌的厚度为100nm,顶层氧化锌的厚度为60nm。
对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;在玻璃衬底表面上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃温度下进行退火处理1h;用移液枪取60μl的浓度为8mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于有一层氧化锌薄膜的衬底,旋涂次数为6次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;在氧化锌-银纳米线复合薄膜上旋涂一层氧化锌薄膜,并将其在170℃的温度下进行退火处理,形成如图1所示的银纳米线复合电极。
在银纳米线复合电极表面上旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液, PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5,得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与 IEICO-4F的混合膜(光活性层);然后在活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的 MoO3(空穴传输层);最后,在空穴传输层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为顶电极,从而得到如图2所示的有机太阳能电池,其光电转换效率为9%。该实施例的有机太阳能电池器件的I-V曲线图如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (9)
1.一种银纳米线复合电极,其特征在于:银纳米线复合电极包括底层氧化锌、中间层银纳米线和顶层氧化锌,所述底层氧化锌是由氧化锌溶液直接旋涂于衬底上形成;所述中间层银纳米线是基于PH1000掺杂的银纳米线。
2.根据权利要求1所述的银纳米线复合电极,其特征在于:所述底层氧化锌薄膜的厚度是20-100nm,顶层氧化锌薄膜的厚度是20-60nm。
3.根据权利要求1所述的银纳米线复合电极,其特征在于:所述中间层银纳米的厚度是100-800nm,银纳米的长度为30-60μm,直径为30-60nm;掺杂的PH1000的浓度为0-2mg/ml。
4.根据权利要求1所述的银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池,由下到上依次是银纳米线复合电极、光活性层、空穴传输层和顶电极。
5.根据权利要求4所述的银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池,其特征在于:所述的空穴传输层的材料为MoO3或PEDOT:PSS。
6.根据权利要求4所述的银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池,其特征在于:所述的光活性层为电子给体和电子受体复合薄膜,电子给体为P3HT或PTB7-Th;所述的电子受体为PC71BM或IEICO-4F。
7.根据权利要求4所述的银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池,其特征在于:所述的顶电极的材料为Ag、Cu或Au。
8.根据权利要求4所述的银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池的制备方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
S1.对玻璃衬底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗,清洗后用氮气吹干;
S2.在玻璃衬底上旋涂一层氧化锌薄膜,在170℃-200℃温度下进行退火处理1h;
S3.用移液枪取40-60μl的浓度为5mg/ml-10mg/ml的银纳米线乙醇溶液旋涂于氧化锌薄膜上,旋涂次数为4-8次,形成氧化锌-银纳米线复合薄膜,然后将其在160℃的温度下进行退火处理;其中银纳米线乙醇溶液中掺杂PH1000,PH1000的浓度0-2mg/ml;
S4.在氧化锌-银纳米线复合薄膜表面上旋涂一层氧化锌薄膜,然后将其在170℃-200℃的温度下进行退火处理1h,形成氧化锌-银纳米线-氧化锌复合电极;
S5.在氧化锌-银纳米线-氧化锌复合电极表面上旋涂光活性层;
S6.在光活性层上真空蒸镀空穴传输层;最后,在空穴传输层上真空蒸镀顶电极。
9.根据权利要求8所述的一种银纳米线复合电极构成的有机太阳能电池的制备方法,其特征在于:所述的光活性层为PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液,PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5。
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CN110473967B (zh) * | 2019-07-31 | 2023-04-18 | 青岛大学 | 基于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 |
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