一種聚合物太陽(yáng)能電池及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域的一種新型結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池及其制備方法。該聚合物太陽(yáng)能電池的電子收集層分為兩層，第一電子收集層為覆蓋在所述透明導(dǎo)電基板上的二維平面薄膜，第二電子收集層設(shè)在所述第一電子收集層上，所述第二電子收集層為具有一維納米陣列結(jié)構(gòu)的薄膜。第二電子收集層制備方法包括但不限于溶劑熱法、模板法、電沉積法、陽(yáng)極氧化法等制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)將一維納米陣列結(jié)構(gòu)薄膜生長(zhǎng)在二維平面薄膜上，作為電子收集層材料，利用本發(fā)明專利技術(shù)方法制備的聚合物太陽(yáng)能電池，除電池的光電性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢(shì)以外，特別地有助于載荷的分離以及在分離后載荷傳遞的定向性，能夠有效地提高光電流密度和電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于太陽(yáng)能電池
，特別涉及一種新型結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池及其制備方法。
技術(shù)介紹
聚合物太陽(yáng)能電池又被稱為有機(jī)太陽(yáng)能電池。有機(jī)高分子聚合物具有加工容易，價(jià)格便宜，具有能夠制作大面積柔性器件的特性。使用有機(jī)共軛高分子制作的聚合物太陽(yáng)能電池具有全固態(tài)的特征，易于制備，并且其中的納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和表面性質(zhì)可用化學(xué)方法調(diào)節(jié)，極具潛在的應(yīng)用價(jià)值。聚合物太陽(yáng)能電池目前是太陽(yáng)能電池研究熱點(diǎn)之一。然而由于聚合物太陽(yáng)能電池電荷分離機(jī)理及載荷傳輸距離的限制，目前聚合物太陽(yáng)能電池普遍采用有機(jī)共軛聚合物和富勒烯衍生物組成的被稱為體異質(zhì)結(jié)的雙貫穿結(jié)構(gòu)作為活性層完成光電轉(zhuǎn)換，這種結(jié)構(gòu)最早是由Yu和Heeger等(G. Yu, J. Gao, J. C.Hummelen, Science, 1995, 270, 1789)創(chuàng)造性地使用的,但仍受制于載荷傳輸距離的限制不能制作活性層厚度較大的電池。同時(shí)，由于在傳統(tǒng)的聚合物太陽(yáng)能電池工藝中，活性層在旋涂有PEDOT:PSS (—種空穴傳遞材料)的ITO透明導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行旋涂，上層熱蒸鍍覆蓋一層低功函數(shù)的金屬作為負(fù)極，在這種結(jié)構(gòu)上酸性的PED0T:PSS與ITO的直接接觸以及低功函數(shù)金屬的使用會(huì)降低電池的壽命。由此出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)電池的結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中ITO玻璃上為一層低功函數(shù)材料，而作為空穴收集材料的PED0T:PSS或其他高功函數(shù)材料則轉(zhuǎn)移到了相對(duì)的電極，這樣ITO玻璃成為負(fù)極，相對(duì)的正電極材料通常為金或者銀。直接覆蓋在透明導(dǎo)電玻璃上的載荷收集層可以采用堿金屬化合物或者過(guò)渡金屬化合物，如Cs2CO3、ZnO、TiO2。此外，沉積在透明導(dǎo)電玻璃上的電子收集材料可以具有一定的納米結(jié)構(gòu)，例如TiO2納米管結(jié)構(gòu)(G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese,C. A. Grimes, AppI. Phys. Lett. 2007, 91, 152111),有助于載荷的分離以及在分離后載荷傳遞的定向性，有效地提高了光電流密度和電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 德克薩斯州大學(xué)及分子制膜有限公司申請(qǐng)了使用壓印光刻技術(shù)制作納米結(jié)構(gòu)用于太陽(yáng)能電池的專利(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN101952970A);江蘇華創(chuàng)光電科技有限公司申請(qǐng)了一維陣列納米材料在半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的專利(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN101820010A)。目前在科研領(lǐng)域納米材料的結(jié)構(gòu)研究也是熱點(diǎn)，但對(duì)于適用簡(jiǎn)易方法生長(zhǎng)獲得的半導(dǎo)體氧化物納米棒陣列結(jié)構(gòu)在體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用目前仍未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提出一種新型結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池及其制備方法，特點(diǎn)在于提出一種聚合物太陽(yáng)能電池載荷收集層材料的制備方法并應(yīng)用于反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)電池中，以改善聚合物太陽(yáng)能電池活性層的載荷分離以及載荷的傳輸和收集，抑制復(fù)合，增大電池的短路電流密度，最終獲得效率明顯改善的聚合物太陽(yáng)能電池。本專利技術(shù)提出的聚合物太陽(yáng)能電池為反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，包括以下部分(1)透明導(dǎo)電基板；(2)電子收集層；(3)活性層；(4)空穴收集層；(5)金屬電極，其特征在于該聚合物太陽(yáng)能電池的電子收集層分為兩層，第一電子收集層為覆蓋在所述透明導(dǎo)電基板上的二維平面薄膜，第二電子收集層設(shè)在所述第一電子收集層上，所述第二電子收集層為具有一維納米陣列結(jié)構(gòu)的薄膜。上述電池結(jié)構(gòu)中，一維納米陣列結(jié)構(gòu)薄膜空隙中填充所述活性層，且活性層厚度高于一維納米陣列長(zhǎng)度10 200nm。上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的一維納米陣列結(jié)構(gòu)包括但不限于納米棒陣列、納米線陣列等柱體陣列結(jié)構(gòu)。該陣列其一維結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為50 2000nm,直徑為10 200nm,陣列的間隙尺寸為10 lOOOnm。上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的第一電子收集層厚度為Inm 200nm。 上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的電子收集層(第一電子收集層及第二電子收集層)材料包括但不限于TiO2、ZnO、SnO2等半導(dǎo)體氧化物及其摻雜物。上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的透明導(dǎo)電基板包括但不限于FTO玻璃、ITO玻璃、AZO玻璃等剛性基板，以及ITO-PEN等柔性基板。上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的活性層由作為給體的共軛高分子材料及作為受體的富勒烯衍生物構(gòu)成。其中，所述的共軛高分子材料包括但不限于聚噻吩或其衍生物(如P3HT)、聚苯撐乙烯或其衍生物(如MDM0-PPV)等P型材料及上述至少兩種的混合物。所述的富勒烯衍生物包括但不限于C6tl或其衍生物(如PCBM, PCBM)及上述至少兩種的混合物。上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的空穴收集層功函數(shù)高于4. 4eV，所述的空穴收集層材料包括但不限于石墨烯氧化物(GO)、PEDOT:PSS、MoO3、V2O5等材料。 上述電池結(jié)構(gòu)中，所述的金屬電極材料包括但不限于Al、Ag等金屬材料，金屬電極厚度為10 300nm。本專利技術(shù)提出的新型結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟在透明導(dǎo)電基板上制備第一電子收集層，在第一電子收集層上制備第二電子收集層，第一電子收集層為覆蓋在透明導(dǎo)電基板上的二維平面薄膜，第二電子收集層設(shè)在第一電子收集層上，第二電子收集層為具有一維納米陣列結(jié)構(gòu)的薄膜，再將一維納米陣列結(jié)構(gòu)薄膜空隙中填充活性層，并使活性層厚度高于一維納米陣列長(zhǎng)度，然后在活性層上依次制備空穴收集層和金屬電極。第二電子收集層制備方法包括但不限于溶劑熱法、模板法、電沉積法、陽(yáng)極氧化法等制備方法。一維納米陣列結(jié)構(gòu)在制作后可直接使用或通過(guò)高溫?zé)Y(jié)提高結(jié)晶性后使用。在第一電子收集層上，生長(zhǎng)獲得半導(dǎo)體一維納米陣列薄膜。上述制備方法中，活性層厚度高于一維納米陣列長(zhǎng)度10 200nm。上述制備方法中，所述的在透明導(dǎo)電基板上制備第一電子收集層的方法包括但不限于熱解法、前驅(qū)體旋涂法、電沉積法、熱蒸鍍法、磁控濺射法、氣相沉積法等制備方法，其厚度為Inm 200nm。上述制備方法中，所述的溶劑熱法的溶劑包括但不限于水、乙醇、甲醇等標(biāo)準(zhǔn)條件下沸點(diǎn)O 300°C的溶劑及其相互混合的情況，溶液中可添加控制水熱晶體生長(zhǎng)取向的有機(jī)物、氟化物、鹽酸等調(diào)節(jié)晶面能的化合物，使用的溶劑熱前驅(qū)體金屬源包括但不限于鈦、鋅、錫的金屬單質(zhì)、有機(jī)金屬化合物、無(wú)機(jī)鹽，及其水解后的溶膠-凝膠，舉例如鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、四氯化鈦、硫酸鈦、硝酸鋅、金屬錫等。上述制備方法中，所述的模板法的模板包括但不限于氧化鋁、氧化硅等模板，使用的模板法前驅(qū)體金屬源包括但不限于鈦、鋅、錫的金屬單質(zhì)、有機(jī)金屬化合物、無(wú)機(jī)鹽，及其水解后的溶膠-凝膠。 上述制備方法中，所述的電沉積法前驅(qū)體金屬源包括但不限于鈦、鋅、錫的金屬單質(zhì)、有機(jī)金屬化合物、無(wú)機(jī)鹽，及其水解后的溶膠-凝膠。上述制備方法中，所述的陽(yáng)極氧化法基板包括但不限于鈦、鋅、錫的金屬單質(zhì)及其氧化物情況。本專利技術(shù)提出的新型結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池的制備方法，將一維納米陣列結(jié)構(gòu)薄膜生長(zhǎng)在二維平面薄膜上，作為電子收集層材料，使活性層物質(zhì)良好填充于一維納米陣列結(jié)構(gòu)薄膜空隙中，并完全包覆住納米棒陣列結(jié)構(gòu)，使用高功函數(shù)材料作為空穴收集層材料，制作金屬電極。這種材料選擇及組合為反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即電子在外電路中由透明導(dǎo)電玻璃流向金屬電極方向。利用本專利技術(shù)方法制備的聚合物太陽(yáng)能電池，除電池的光電性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢(shì)以外，特別地有助于載荷的分離以及本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種聚合物太陽(yáng)能電池，為反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，包括以下部分：（1）透明導(dǎo)電基板；（2）電子收集層；（3）活性層；（4）空穴收集層；（5）金屬電極，其特征在于：該聚合物太陽(yáng)能電池的電子收集層分為兩層，第一電子收集層為覆蓋在所述透明導(dǎo)電基板上的二維平面薄膜，第二電子收集層設(shè)在所述第一電子收集層上，所述第二電子收集層為具有一維納米陣列結(jié)構(gòu)的薄膜。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：林紅，張永昌，保戶塚梢，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：