等離激元增強的有機光伏電池的製作方法
2023-06-06 23:07:26
本發明涉及一種在界面引入金納米棒的有機太陽能電池及其製備方法，既屬於薄膜材料與器件領域，也屬於新能源材料領域。
背景技術：
人類進入二十一世紀以來，能源與環境已成為全球關注的焦點。世界各國都在開發綠色環保的新能源。太陽能的開發和利用是人類解決能源危機的有效途徑之一。矽基太陽能電池已有廣泛的應用,但矽的提純對環境是一個重汙染過程。而有機太陽能電池因具備成本低、輕便、可柔性、易加工、可大面積生產等優點受到廣泛關注。
一般而言，在太陽能電池中，吸收層膜厚越大，光吸收越多。但是在有機電池中，吸收層材料的載流子遷移率相對較低、激子擴散長度短，這限制了吸收層的厚度。因此，活性層的厚度只可折中選擇在100~200nm之間。為了充分利用太陽能，增強電池的光吸收，研究人員探索各種可以應用在太陽能電池中的光捕獲技術，比如：製備疊層結構的電池，使電池的吸收譜與太陽光譜更加匹配；或製備絨面、微槽面等具有更大光接收面積的特殊表面結構等，使電池的光吸收增強。其中，在電池中引入利用金屬納米結構也成為眾多學者研究的熱點。對於金屬納米顆粒(如：au，ag，cu，ni等)，當入射光的頻率與其吸收光的頻率相互匹配時，金屬表面的自由電子將發生共振，金屬表面的局域電磁場將會增強，進而電池的光吸收將得到相應的增強。與此同時，一定尺寸的金屬納米顆粒可以散射光，將光散射到活性層中的各個位置，從而增加光在活性層中的光程，也可以達到增強光吸收的目的，從而提高電池的光電流。
技術實現要素：
本發明是利用長徑比為1.5~3.5的金納米棒分布於空穴傳輸層與活性層之間時對電池性能的改善。本發明中等離激元增強有機光伏電池的電池結構為ito/pedot：pss/au納米棒/p3ht:pcbm/al。具體而言，包括透明導電的襯底、空穴傳輸層、有機活性層和金屬電極，金納米棒是用旋塗的方法分布在空穴傳輸層和有機活性層之間。
本發明提供了等離激元增強有機光伏電池的製備方法，包括：
（1）用種子生長法合成金納米棒；
（2）清洗ito玻璃襯底並烘乾，對ito薄膜進行氧等離子體清洗；
（3）通過旋塗法在透明導電薄膜ito上旋塗pedot：pss水溶液，並在空氣中進行20分鐘的退火固化，以形成有機光伏電池的空穴傳輸層；
（4）在空穴傳輸層上旋塗長徑比為1.5~3.5的金納米棒，並在空氣中120℃加熱固化15分鐘；
（5）p3ht(聚3-已基噻吩)與pcbm(c60衍生物)以一定的比例溶解於氯苯溶劑中，攪拌48小時，然後通過旋塗活性層溶液形成電池的有機活性層；
（6）通過熱蒸發法在有機活性層表面鍍上金屬電極，在惰性氣體保護下對整個器件進行熱退火（150℃下快速熱退火15min）。
本發明的顯著優點在於：
本產品把長徑比為1.5~3.5的金納米棒置於空穴傳輸層與吸光層之間，-提高有機太陽能電池的短路電流密度，進而提升電池的轉換效率，可更高效地將光能轉換為電能。
附圖說明：
圖1為等離激元增強的有機光伏電池結構示意圖：1為鋁電極，2為p3ht：pcbm，3為pedot:pss，4為ito，5為分布在pedot:pss與p3ht:pcbm界面的金納米棒。
圖2無金納米棒時太陽能電池j-v曲線。
圖3金納米棒長徑比為1.5時太陽能電池j-v曲線。
圖4金納米棒長徑比為2.5時太陽能電池j-v曲線。
圖5金納米棒長徑比為3.5時太陽能電池j-v曲線。
具體實施方式
為進一步公開而不是限制本發明，以下結合實例對本發明作進一步的詳細說明。
1金納米棒溶液的製備
本發明中金納米棒的合成方法是種子生長法:
（1）在10ml0.1m表面活性劑ctab的保護下，用0.6ml0.01m新製冰nabh4還原0.25ml0.01mhaucl4，獲得金種溶液，30℃水浴下孵育2小時。
（2）在40ml0.1m表面活性劑ctab的保護下，用0.32ml0.1m弱還原劑aa還原2ml0.01mhaucl4，製得無色的生長液。
（3）取0.096ml種子液加入生長液中，金種在ctab模板與ag+作用下生長成一定長徑比的金納米棒。
（4）將生長好的金納米棒離心清洗三次，分散於去離子水中待用。
2襯底處理
依次用去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗生長著透明導電薄膜ito的玻璃襯底20min並在烤箱中100℃烘烤1h，接著對ito薄膜進行氧等離子體清洗以改善ito的親水性。
3太陽能電池製備
（1）用0.22um的水性過濾頭過濾掉pedot：pss水溶液中的大顆粒，通過旋塗法在透明導電薄膜ito上製備pedot：pss薄膜，並在空氣中進行20分鐘的退火固化，以形成有機光伏電池的空穴傳輸層；
（2）在空穴傳輸層上旋塗長徑比為1.5~3.5的金納米棒水溶液，並在空氣中120℃加熱固化15分鐘；
（3）p3ht(聚3-已基噻吩)與pcbm(c60衍生物)以10mg：10mg比例溶解於0.5ml的氯苯溶劑中，攪拌48小時待用。通過旋塗活性層溶液形成電池的有機活性層。旋塗的參數是前轉650轉/分鐘，時間為12s，後轉2000轉/分鐘，時間為20s。
（4）通過熱蒸發法在有機活性層表面鍍上金屬電極，在惰性氣體（ar2）保護下對整個器件進行熱退火（150℃下快速熱退火15min）。
上述用旋塗法在電池空穴傳輸層與活性層界面引入長徑比為1.5~3.5的金納米棒的條件為：
（1）合成金納米棒，離心清洗得到金納米棒的水溶液；
（2）旋塗的參數是前轉650轉/分鐘，時間為9s，後轉4000轉/分鐘，時間為15s；
（3）退火溫度是120℃；
（4）退火時間是15min。
電池結構如附圖1所示：1為鋁電極，2為p3ht：pcbm，3為pedot:pss，4為ito，5為分布在pedot:pss與p3ht:pcbm界面的金納米棒。
4材料及器件性能測試
實施例一：
（1）用種子生長法合成金納米棒；
（2）清洗ito玻璃襯底並烘乾，對ito薄膜進行氧等離子體清洗；
（3）通過旋塗法在透明導電薄膜ito上旋塗pedot水溶液，並在空氣中進行20分鐘的退火固化，以形成40nm的空穴傳輸層；
（4）p3ht(聚3-已基噻吩)與pcbm(c60衍生物)以10mg：10mg的比例溶解於0.5ml的氯苯溶劑中，攪拌48小時待用。通過旋塗活性層溶液形成電池的有機活性層；
（5）通過熱蒸發方法在有機活性層表面鍍上金屬電極，在惰性氣體保護下對整個器件進行熱退火（150℃下快速熱退火15min）。
（6）無金納米棒時電池的性能參數為：短路電流密度是5.40ma/cm2,開路電壓629mv，ff為40%，pce為1.34%。
實施例二：
（1）用種子生長法合成金納米棒；
（2）清洗ito玻璃襯底並烘乾，對ito薄膜進行氧等離子體清洗；
（3）通過旋塗法在透明導電薄膜ito上旋塗pedot水溶液，並在空氣中進行20分鐘的退火固化，以形成40nm的空穴傳輸層；
（4）在空穴傳輸層上旋塗0.25ml長徑比為1.5的金棒的水溶液，並在空氣中120℃加熱固化15分鐘；
（5）p3ht(聚3-已基噻吩)與pcbm(c60衍生物)以10mg：10mg的比例溶解於0.5ml的氯苯溶劑中，攪拌48小時待用。通過旋塗活性層溶液形成電池的有機活性層
（6）通過熱蒸發方法在有機活性層表面鍍上金屬電極，在惰性氣體保護下對整個器件進行熱退火（150℃下快速熱退火15min）。
（7）金納米棒長徑比為1.5時電池的性能參數為：電流密度為6.15ma/cm2，開路電壓639mv，ff為40%，pce為1.57%。
實施例三：
（1）用種子生長法合成金納米棒；
（2）清洗ito玻璃襯底並烘乾，對ito薄膜進行氧等離子體清洗；
（3）通過旋塗法在透明導電薄膜ito上旋塗pedot水溶液，並在空氣中進行20分鐘的退火固化，以形成40nm的空穴傳輸層；
（4）在空穴傳輸層上旋塗0.25ml長徑比為2.5的金棒的水溶液，並在空氣中120℃加熱固化15分鐘；
（5）p3ht(聚3-已基噻吩)與pcbm(c60衍生物)以10mg：10mg溶解於0.5ml的氯苯溶劑中，攪拌48小時待用。通過旋塗活性層溶液形成電池的有機活性層；
（6）通過熱蒸發法在有機活性層表面鍍上金屬電極，在惰性氣體保護下對整個器件進行熱退火（150℃下快速熱退火15min）。
（7）金納米棒長徑比為2.5時電池的性能參數為：電流密度7.75ma/cm2，開路電壓為639mv，ff為43%，pce為2.14%。
實施例四：
（1）用種子生長法合成金納米棒；
（2）清洗ito玻璃襯底並烘乾，對ito薄膜進行氧等離子體清洗；
（3）通過旋塗法在透明導電薄膜ito上旋塗pedot水溶液，並在空氣中進行20分鐘的退火固化，以形成40nm的空穴傳輸層；
（4）在空穴傳輸層上旋塗0.25ml長徑比為3.5的金棒的水溶液，並在空氣中120℃加熱固化15分鐘；
（5）p3ht(聚3-已基噻吩)與pcbm(c60衍生物)以10mg：10mg溶解於0.5ml的氯苯溶劑中，攪拌48小時待用。通過旋塗活性層溶液形成電池的有機活性層；
（6）通過熱蒸發方法在有機活性層表面鍍上金屬電極，在惰性氣體保護下對整個器件進行熱退火（150℃下快速熱退火15min）。
（7）金納米棒長徑比為3.5時電池的性能參數為：電流密度為5.89ma/cm2，開路電壓為630mv，ff為38%，pce為1.41%.
以上實施例得到的數據說明，不同長徑比的金納米棒分布密度旋塗電池的界面後，從圖2~5可以看出，電池的短路電流和能量轉換效率都有所提高。