一種具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)電池制造技術(shù)

一種具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)電池，以非晶態(tài)的鍺納米顆粒作為給體，富勒烯衍生物PC70BM作為受體，給-受體形成“核-殼”結(jié)構(gòu)。鍺納米顆粒采用低成本的平板電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)制備而成，緊密堆積于電池的活性層中。本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：寬光譜吸收、高吸收系數(shù)、高載流子遷移率的鍺納米顆粒取代傳統(tǒng)的聚合物，為有機(jī)電池的制備提供一種新的給體材料。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及有機(jī)太陽(yáng)電池的制備，特別是一種具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)電池的制備。
技術(shù)介紹
有機(jī)太陽(yáng)電池被稱為第三代太陽(yáng)電池，它原材料豐富、制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，最主要的優(yōu)點(diǎn)是與柔性襯底相兼容，可以利用卷對(duì)卷技術(shù)大面積成產(chǎn)，制備成質(zhì)量輕、易于集成、可制成透明及半透明電池，成本低廉，在柔性電子等領(lǐng)域有很大的發(fā)展及應(yīng)用前景。目前，有機(jī)太陽(yáng)電池主要為體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于給體和受體形成均勻混合的、雙連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)。其有益效果在于:有效的減小了激子擴(kuò)散至給/受體界面的距離，抑制了激子的淬滅；并且增加了給/受體界面的有效面積，促進(jìn)了激子的分離；同時(shí)，雙連續(xù)互穿的網(wǎng)絡(luò)更加有利于自由電子和空穴的傳輸。相對(duì)于平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的提出很好的解決了有機(jī)材料載流子迀移率低和平均自由程小的問(wèn)題。有機(jī)電池的活性層由給體材料和受體材料組成。當(dāng)前，受體主要使用的是富勒烯衍生物等小分子材料，它們具有很好的溶解和較高的電子迀移率，是較為理想的受體材料；給體主要使用的是聚合物材料，如聚3-己基噻吩(P3HT)，它們的優(yōu)勢(shì)在于:種類(lèi)繁多，分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)容易修飾，制備、提純和生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。目前有機(jī)太陽(yáng)電池主要有兩類(lèi):第一類(lèi)是有機(jī)型聚合物太陽(yáng)電池(0PSC)，由作為給體的共軛聚合物和作為受體的富勒烯衍生物共混組成電池的活性層；第二類(lèi)是雜化型聚合物太陽(yáng)電池(HPSC)，由作為給體的共軛聚合物和作為受體的無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)共混組成電池的活性層。兩種類(lèi)型的電池均以聚合物作為給體材料。然而，聚合物材料自身的特性卻在很大程度上制約了有機(jī)太陽(yáng)電池的性能。如常用的聚合物給體材料P3HT的吸收峰在350-650nm范圍內(nèi)，而AM1.5的太陽(yáng)光譜最大光子流量在600-800nm波段，光譜的不匹配制約了對(duì)太陽(yáng)光的吸收，而且P3HT屬于寬帶隙材料，光譜吸收的截止波長(zhǎng)為650nm，對(duì)太陽(yáng)光譜的利用率較低；此外，P3HT的載流子迀移率較低，空穴迀移率僅為0.lcm2/Vs，與無(wú)機(jī)材料的空穴迀移率相比存在很大的差距，如晶體鍺材料的空穴迀移率為1900cm2/Vs。因此，作為吸收光子和傳輸空穴的給體材料而言，如P3HT等聚合物材料還存在不少弊端，制約了有機(jī)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的:針對(duì)上述存在的問(wèn)題，專利技術(shù)一種具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)電池。本專利技術(shù)的技術(shù)方案:結(jié)合鍺材料寬光譜吸收、高吸收系數(shù)、高載流子迀移率(尤其是相對(duì)極高的空穴迀移率)的性能以及納米顆粒材料與溶液法工藝相兼容的特點(diǎn)，將鍺納米顆粒作為一種給體材料引入有機(jī)太陽(yáng)電池。鍺納米顆粒采用平板電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)制備而成，顆粒具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，顆粒為球形并且表面由氫鍵鈍化，顆粒直徑為40-100nm (如圖一和圖二所示)。將鍺納米顆粒分散于1，2- 二氯苯中制成膠體溶液(如圖三所示)，并將其作為溶解受體材料PC7QBM的溶劑。PC7QBM為小分子材料，分子直徑為1.5nm，鍺納米顆粒的直徑為40-100nm，兩者尺寸相差27-67倍且均為球形結(jié)構(gòu)，因此大量的PC7QBM分子將吸附于鍺納米顆粒表面形成給-受體“核-殼”結(jié)構(gòu)，如圖四所示，其中1為鍺納米顆粒，2為PC7(]BM分子。鍺納米顆粒具有很大的比表面積，大量的PC7(]BM分子吸附之后將產(chǎn)生數(shù)量可觀的接觸界面，這些界面將實(shí)現(xiàn)電子與空穴的高效分離。最后，由鍺納米顆粒密堆積而成的活性層中將存在大量的電子和空穴傳輸?shù)耐ǖ溃鐖D五所示，電子通過(guò)PCTOBM分子形成的連續(xù)通道輸運(yùn)至電極處，而空穴則以隧穿的方式通過(guò)密堆積的鍺納米顆粒輸運(yùn)至電極處，從而實(shí)現(xiàn)電子和空穴的高效抽取。所述的具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)電池，當(dāng)電池為倒結(jié)構(gòu)時(shí)，電池在玻璃襯底上的制備順序?yàn)?如圖六所示):第一層為氧化銦錫(ΙΤ0)透明導(dǎo)電層，第二層為氧化鋅(ZnO)電子傳輸層，第三層為“核-殼”結(jié)構(gòu)的鍺納米顆粒-PC7(]BM密堆積活性層，第四層為氧化鉬(Mo03)空穴傳輸層，第五層為銀(Ag)電極。其中電子傳輸層和活性層采用旋涂法制備，空穴傳輸層和電極采用熱蒸鍍法制備；當(dāng)電池為正結(jié)構(gòu)時(shí)，電池在玻璃襯底上的制備順序?yàn)?如圖七所示):第一層為氧化銦錫(ΙΤ0)透明導(dǎo)電層，第二層為聚(3，4-已烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PED0T:PSS)空穴傳輸層，第三層為“核-殼”結(jié)構(gòu)的鍺納米顆粒_PC7QBM密堆積活性層，第四層為鈣(Ca)電子傳輸層，第五層為鋁(A1)電極。其中空穴傳輸層和活性層采用旋涂法制備，電子傳輸層和電極采用熱蒸鍍法制備。倒結(jié)構(gòu)電池和正結(jié)構(gòu)電池中電子與空穴具體的輸運(yùn)機(jī)制如下:如圖八所示為倒結(jié)構(gòu)電池中的輸運(yùn)機(jī)制，其中虛線為晶體鍺的價(jià)帶與導(dǎo)帶位置。本專利技術(shù)中的鍺納米顆粒為非晶態(tài)，帶隙為1.55eV，鍺納米顆粒/PC7(]BM界面處將形成階梯狀的能級(jí)排列，電子通過(guò)鍺納米顆粒/PCTOBM/Zn0/IT0輸運(yùn)至電極處，空穴則通過(guò)鍺納米顆粒間的輸運(yùn)并最終隧穿至電極處，從而實(shí)現(xiàn)光生電子與空穴的分離與收集；同理，如圖九所示為正結(jié)構(gòu)電池中的輸運(yùn)機(jī)制，其中虛線為晶體鍺的價(jià)帶與導(dǎo)帶位置。光生電子通過(guò)鍺納米顆粒/PC7(]BM/Ca輸運(yùn)至電極處，光生空穴則通過(guò)鍺納米顆粒/PED0T:PSS/IT0輸運(yùn)至電極處，從而實(shí)現(xiàn)光生電子與空穴的分離與收集。本專利技術(shù)的有益效果:提出了一種具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的新型有機(jī)太陽(yáng)電池，采用寬光譜吸收、高吸收系數(shù)、高載流子迀移率的鍺納米顆粒取代傳統(tǒng)的聚合物材料，為有機(jī)電池的制備提供一種新的窄帶隙給體材料，拓展了有機(jī)電池給體材料的選擇范圍。【【附圖說(shuō)明】】 圖1是直徑為40nm的鍺納米顆粒的透射電鏡照片。圖當(dāng)前第1頁(yè)1 2 本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種具有納米顆粒密堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)電池，其特征如下：（1）活性層由非晶態(tài)的、表面氫鍵鈍化的、PC70BM小分子包覆的、直徑40?100nm的、球形的鍺納米顆粒密堆積排列而成；（2）以非晶態(tài)的、表面氫鍵鈍化的、大小40?100nm的、球形的鍺納米顆粒作為給體，富勒烯衍生物PC70BM作為受體，給?受體形成“核?殼”結(jié)構(gòu)。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：倪牮，李昶，張建軍，孫小香，蔡宏琨，張德賢，李娟，王欣宇，李正龍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南開(kāi)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：天津;12