一種有機無機雜化太陽能電池及制備工藝制造技術

一種有機無機雜化太陽能電池及制備工藝，屬于雜化太陽能電池技術領域。整體結構層次依次為透明導電基底、氧化鋅晶種層、一維氧化鋅和有機半導體材料混合層、有機半導體層和金屬薄膜；依據太陽能電池結構進行逐層制備，在金屬薄膜時采用膠帶掩膜工藝，本發明專利技術所得太陽能電池的光電轉化效率得到極大的提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于雜化太陽能電池
，具體涉及以一維氧化鋅納米材料作為光陽極，制備的有機無機雜化太陽能電池。
技術介紹
全球性的能源短缺、環境污染、氣候變暖正日益嚴重地困擾著人類社會。“尋求綠色替代能源，實現可持續發展”已成為世界各國面臨的共同課題。太陽能以其儲量的“無限性”、存在的普遍性、開發利用的清潔性等優勢成為理想的替代能源。因此，各國都投入巨大的財力物力研制更多新材料制備“零排放”綠色太陽能電池，其中，新型有機無機雜化太陽能電池(HSC)成為光電能量轉換領域最引人注目的一個研究方向。在HSC中有機半導體作為電子供體，無機半導體作為電子受體，有機半導體被光激發，在異質結處產生電子和空穴，電子定向收集到電池負極，空穴收集到電池正極。HSC可分為三種類型，分別為:雙層異質結太陽能電池，體異質結太陽能電池和有序異質結太陽能電池。雙層異質結HSC有連續的載流子轉移通道，但是異質結面積過小限制了此類電池效率進一步的提高。針對雙層異質結HSC，荷蘭的Janssen研究小組探索了共軛聚合物/ZnO雜化體系界面微結構特性。值得指出的是，在他們的研究體系中所用的ZnO材質僅局限于直接和聚合物形成界面層的實體納晶粒子，且他們的研究僅僅局限于材料的結構上，而對電池的制備工藝并未作深入研究。體異質結HSC中兩相有充分的混合，能提供足夠大的異質結面積，但是不連續的載流子轉移路徑成為限制此類電池效率進一步提高的瓶頸。有序異質結太陽能電池兼顧了載流子轉移通道和異質結面積問題，在理論上具有更大的光電轉化效率。綜合國內外的文獻和專利，對于HSC的制備工藝主要集中在前兩類，特別是第二類電池的制備工藝研究上，對于第三類電池的制備工藝很少涉及。本專利技術在文獻的基礎上，針對第三類有機無機雜化太陽能電池提供了 一種經濟、簡單、重復性強的電池制備工藝。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供基于一維氧化鋅納米材料的有機無機雜化太陽能電池的制備工藝。本專利技術提供的有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，整體結構層次依次為透明導電基底、氧化鋅晶種層、一維氧化鋅和有機半導體材料混合層、有機半導體層和金屬薄膜；其中導電基底上劃分為四部分:1、2、3和4，I部分導電基底的導電層被刻蝕掉，其上結構層次依次為氧化鋅晶種層(d)、一維氧化鋅(C)和有機半導體材料(b)混合層、有機半導體層(b)和金屬薄膜(a);2部分導電基底的導電層(e)上的結構層次為氧化鋅晶種層(d)、一維氧化鋅(c)和有機半導體材料(b)混合層、有機半導體層(b)和金屬薄膜(a)，3部分導電基底的導電層(e )上的結構層次為氧化鋅晶種層(d)、一維氧化鋅(c )和有機半導體材料(b)混合層、有機半導體層(b)，4部分導電基底的導電層(e)上則為金屬薄膜(a)，且4部分的金屬薄膜(a)是獨立的(可參見圖4)。所述的有機半導體材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚(2-甲氧基_5_ (2_乙基己氧基)-1,4-亞苯基乙撐)(MEH-PPV)、聚對苯乙烯(PPV)、聚苯并二噻吩(PTB7)、PCPDTBT,F8T2、PCDTBT、PDDTT 或 PBTTQ。所述的金屬薄膜為鉬、金、銀或鋁。導電基底I和2部分所對應的金屬薄膜的寬度一般小于導電基底的寬度。本專利技術中ZnO晶種層由粒徑為5-100nm的ZnO納晶組成，厚度為10_500nm ;—維氧化鋅和有機半導體材料混合層由長度為IOnm-1 μ m、直徑為50_200nm、棒間距為10_500nm的ZnO納米棒與在棒間充分滲透的有機半導體組成，其中ZnO納米棒生長在氧化鋅晶種層上；有機半導體層的厚度為10_200nm ;金屬正極的厚度為10_200nm。本專利技術所提供的有機無機雜化太陽能電池的制備，包括以下步驟:(1)氧化鋅晶種層及一維氧化鋅納米材料的制備:將導電基底一端上的導電層以鹽酸溶液刻蝕出一條形狀，此部分為導電基底的1，導電基底分別在去離子水、丙酮、異丙醇中超聲處理10-60min ;摩爾比為1:1的鋅源和氨源加入到乙二醇甲醚中，室溫攪拌l_24h制備晶種溶膠，鋅源和氨源的濃度均控制在0.·1-1M ;溶膠以1000-3000rpm旋涂于上述導電基底上，然后在馬弗爐中250-500° C焙燒0.1-5.0h，冷卻至室溫得到致密的ZnO晶種層；將涂有晶種層的導電基底倒置于生長液中，80-95° C下水熱反應0.2-5h，得到ZnO納米棒薄膜，而后置于馬弗爐中于100-200° C熱處理0.2-5h ;水熱反應的生長液為摩爾比1:1的鋅源和氨源的水溶液，鋅源和氨源的濃度均為10-50mM。(2)旋涂有機半導體:將有機半導體材料超聲溶解在溶劑中，配成5_50mg/ml的溶液，在步驟(2)所得的染料修飾后ZnO納米棒膜上旋涂，然后置于黑暗密閉的環境中干燥0.2-10h，干燥過程中有機半導體材料在氧化鋅納米棒間滲透形成活化層；未滲透的部分作為有機半導體層，作為空穴收集層在電池起作用；(3)電池正極和負極的制備:將步驟(2)得到的導電基底的另一端除去其上的氧化鋅晶種層、一維氧化鋅和有機半導體材料混合層以及有機半導體層，得到導電基底的4，并以膠帶遮蔽步驟(2)所得到的有機半導體層上不需要制備金屬薄膜的部分，根據需求在上述步驟(2)所制備有機半導體層上留出工作面積，然后在工作面和導電基底的4的導電層上制備金屬膜。其中，步驟(1)所述的導電基底優選為FTO導電玻璃、ITO導電玻璃或柔性導電基。步驟(1)所述的制備晶種溶膠的鋅源為醋酸鋅或硝酸鋅；氨源為氫氧化四甲銨或乙醇胺。所述的生長液中鋅源為硝酸鋅或硫酸鋅；氨源為環六亞甲基四胺、氨水或氯化銨。步驟(2)所述的有機半導體材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚(2-甲氧基_5_(2_乙基己氧基)-1,4-亞苯基乙撐)(MEH-PPV)、聚對苯乙烯(PPV)、聚苯并二噻吩(PTB7)、PCPDTBT、F8T2、PCDTBT、PDDTT 或 PBTTQ。步驟(2)所述的溶解有機半導體材料的溶劑為三氯甲烷、鄰二氯代苯、氯苯、甲苯、四氫呋喃或二硫化碳。步驟(3)所述的金屬膜為鉬、金、銀或鋁。膜制備方法為真空蒸鍍法、磁控濺射或離子濺射，優選真空蒸鍍法，真空蒸鍍條件為壓力小于lXl(T3Pa。進一步上述有機無機雜化太陽能電池的制備，還包括以下步驟:染料修飾ZnO納米棒:將步驟(I)制備得到的氧化鋅晶種層及一維氧化鋅納米薄膜材料浸于染料的有機溶劑中，染料的濃度為0.l-lmM，50-80° C敏化l_2h，取出，沖洗納米棒表面多余的染料，晾干。所述的染料為N3、N719、Z907、黑染料、MK-2、D149、D205 或 C203，優選 D205。溶解染料的有機溶劑為乙腈或叔丁醇。與現有技術相比較，本專利技術具有以下優點:( I)本專利技術所提供的方法簡單易操作，可控性和重復性強。(2)納米棒倒置生長支架簡單易加工，適合各種尺寸的基底，且制得的一維氧化鋅薄膜材料有良好的均勻性和取向性。(3)膠帶掩膜工藝能夠簡單準確控制蒸鍍區域，使其不與電池的負極或活化層相連接，造成電池短路。(4)—維氧化鋅納米棒制備有機無機雜化太陽能電池相比于納米粒子制備的體異質結雜化太陽能電池能為電子的轉移提供直接連續的通道，有效的減少電子在轉移時的損耗，并且相比于雙層本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，整體結構層次依次為透明導電基底、氧化鋅晶種層、一維氧化鋅和有機半導體材料混合層、有機半導體層和金屬薄膜；其中導電基底上劃分為四部分：1、2、3和4，1部分導電基底的導電層被刻蝕掉，其上結構層次依次為氧化鋅晶種層（d）、一維氧化鋅（c）和有機半導體材料（b）混合層、有機半導體層（b）和金屬薄膜（a）；2部分導電基底的導電層（e）上的結構層次為氧化鋅晶種層（d）、一維氧化鋅（c）和有機半導體材料（b）混合層、有機半導體層（b）和金屬薄膜（a），3部分導電基底的導電層（e）上的結構層次為氧化鋅晶種層（d）、一維氧化鋅（c）和有機半導體材料（b）混合層、有機半導體層（b），4部分導電基底的導電層（e）上則為金屬薄膜（a），且4部分的金屬薄膜（a）是獨立的。

【技術特征摘要】
1.一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，整體結構層次依次為透明導電基底、氧化鋅晶種層、一維氧化鋅和有機半導體材料混合層、有機半導體層和金屬薄膜；其中導電基底上劃分為四部分:1、2、3和4，I部分導電基底的導電層被刻蝕掉，其上結構層次依次為氧化鋅晶種層(d)、一維氧化鋅(C)和有機半導體材料(b)混合層、有機半導體層(b)和金屬薄膜(a) ;2部分導電基底的導電層(e)上的結構層次為氧化鋅晶種層(d)、一維氧化鋅(c)和有機半導體材料(b)混合層、有機半導體層(b)和金屬薄膜(a)，3部分導電基底的導電層(e)上的結構層次為氧化鋅晶種層(d)、一維氧化鋅(C)和有機半導體材料(b)混合層、有機半導體層(b)，4部分導電基底的導電層(e)上則為金屬薄膜(a)，且4部分的金屬薄膜(a)是獨立的。2.權利要求1的一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，所述的有機半導體材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)_1，4-亞苯基乙撐)(MEH_PPV)、聚對苯乙烯(PPV)、聚苯并二噻吩(PTB7 )、PCPDTBT、F8T2、PCDTBT、PDDTT 或 PBTTQ。3.權利要求1的一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，ZnO晶種層由粒徑為5-1OOnm的ZnO納晶組成，厚度為10_500nm。4.權利要求1的一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，一維氧化鋅和有機半導體材料混合層由長度為IOnm-1 μ m、直徑為50-200nm、棒間距為10-500nm的ZnO納米棒與在棒間充分滲透的有機半導體組成，其中ZnO納米棒生長在氧化鋅晶種層上。5.權利要求1的一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，有機半導體層的厚度為10_200nm。6.權利要求1的一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，金屬正極的厚度為10_200nm。7.權利要求1的一種有機無機雜化太陽能電池，其特征在于，所述的金屬薄膜為鉬、金、銀或招。8.制備權利要求1所述的一種有機無機雜化太陽能電池的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)氧化鋅晶種層及一維氧化鋅納米材料的制備:將導電基底一端上的導電層以鹽酸溶液刻蝕出一條形狀，此部分為導電基底的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陶霞，劉玉，鄭言貞，陳建峰，
申請(專利權)人：北京化工大學，
類型：發明
國別省市：