一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製法的製作方法

2023-05-22 19:15:31 1

專利名稱：：一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製法的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製法。
背景技術：
：利用共軛聚合物作為電子給體、無機半導體納米晶作為電子受體的聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池結合了有機半導體材料溶液加工和無機半導體載流子遷移率高的優點，成為近年來該領域的研究熱點。氧化鋅(Zn0)是環境友好材料，電子遷移率高，製備方法簡單，這些優點使得Zn0在聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池中有著廣闊的應用前景。2004年J.Janssen第一次採用氧化鋅納米粒子和[2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)-對-苯乙烯撐](MDM0-PPV)共混(Adv.Mater.2004，16，1009-1013)構造體異質結雜化太陽能電池，在lOOmW/cm2的AMI.5模擬太陽光條件下電池轉換效率為1.6%。然而目前的聚合物-無機納米晶薄膜太陽能電池的能量轉換效率還比較低，其中的一個主要問題是同無機半導體納米晶相比，共軛聚合物的載流子遷移率較低，限制了光生載流子的有效收集，因此導致電池的能量轉換效率較低。如果解決此類電池中空穴的收集效率問題，能夠使電池的能量轉換效率有較大提高。
發明內容為了解決已有技術存在的電池的能量轉換效率低的問題，本發明提供了一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製法。通過在銦錫氧化物(IT0)陽極表面引入高載流子遷移率的p型半導體氧化亞銅納米晶作為空穴收集層提高電池的載流子收集效率。氧化亞銅(Cu20)納米晶空穴收集層表面具有粗糙的表面結構，增大了與共軛聚合物的接觸面積，從而形成有效的空穴傳輸通道提高共軛聚合物中空穴的收集效率，降低載流子的複合；進而提高電池的短路電流、開路電壓、填充因子和能量轉換效率。如附圖1所示，一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池，其玻璃基板1和IT0陽極層2連接；共軛聚合物和氧化鋅的共混物構成的光敏層4和陰極鋁5連接；其特徵在於，還有氧化亞銅空穴收集層3，所述的氧化亞銅空穴收集層3分別與IT0陽極層2和共軛聚合物和氧化鋅的共混物構成的光敏層4連接；所述的銦錫氧化物陽極層2的厚度為80-150納米；氧化亞銅空穴收集層3厚度為30-80納米；光敏層4的厚度為100-200納米；陰極鋁5的厚度為80-200納米。一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製備方法，其步驟及條件如下在惰性氣氛手套箱中，將聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-苯乙烯撐](MEH-PPV)與Zn0以1:3.3的質量比溶解於氯苯甲醇體積比為95:5的混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個小時；所述的MEH-PPV的濃度為3.5毫克/毫升；Zn0的粒徑為5納米，Zn0的濃度為11.55毫克/毫升；將在玻璃基板1上厚度為80-150納米的IT0陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細條狀，將刻蝕好細條狀的IT0玻璃清洗乾淨，放入烘箱中在120'C下烘乾，再將其放置在塗膜機的託架上，通過0.45微米的過濾頭將氧化亞銅乙二醇分散液均勻塗在ITO基板上，氧化亞銅納米晶的粒徑在20-100納米之間，該分散液的濃度為7毫克/毫升，在450-4000轉/分鐘的轉速下旋轉一分鐘，在ITO表面形成一層厚度為30-80納米的氧化亞銅空穴收集層3，放入真空度為0.1帕斯卡的真空烘箱抽真空1小時除去乙二醇溶劑，再將塗有空穴收集層3的襯底轉移到手套箱中，放置在塗膜機的託架上，把攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻塗在氧化亞銅空穴收集層3的上面，以900轉每分鐘的轉速旋轉塗膜，得到厚度為100-200納米的光敏層4的襯底；將塗有光敏層4的襯底用轉移瓶自手套箱中取出，放入真空鍍膜機中抽真空，當真空度達4Xl(r帕斯卡時，蒸鍍80-200納米的鋁作為陰極5;通過以上步驟製成結構為IT0(120nm)/Cu20(30-80nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80n邁)的聚合物-無機納米晶雜化雜化太陽能電池。該電池的有效面積為12平方毫米。在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試本發明的聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池的性能，包括開路電壓、短路電流、能量轉換效率和填充因子。表l列出了對比例l、2和實施例1、2、3、4、5聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池的性能參數。從表1中可以看出短路電流隨氧化亞銅旋塗轉速增加而增加，當氧化亞銅旋塗轉速為2000轉每分鐘時，短路電流最大為4.15毫安/平方釐米，最大能量轉化效率為2.22%。當氧化亞銅旋塗轉速繼續增加時短路電流和能量轉化效率均減小。而開路電壓隨氧化亞銅旋塗轉速增加變化不大。同對比例1相比，實施例3的開路電壓提高了32.5%;短路電流提高了49%;能量轉換效率提高了171%;同對比例2相比，實施例3的開路電壓提高了55.9%;短路電流提高了57.2%;能量轉換效率提高了222%。有益效果本發明涉及一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池。具體為通過在IT0基板上旋塗空穴收集層氧化亞銅，一方面提高了空穴收集效率，使得空穴和電子遷移率傳輸更加平衡從而減少了載流子複合，提高了電池的短路電流；另一方面提高ITO功函，增加了聚合物-無機納米晶太雜化陽能電池的開路電壓，這兩方面作用提高了聚合物無機納米晶雜化太陽能電池能量轉換效率。同使用聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)做空穴傳輸層的器件相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的電池的串聯電阻由165歐姆平方釐米下降到17歐姆平方釐米，減少了89.7%。開路電壓由0.80伏特增加到1.06伏特，提高了32.5%。短路電流由2.78毫安/平方釐米增大到4.15毫安/平方釐米，提高了49%，能量轉化效率由0.82%增大到2.22%，提高了171%。同未使用空穴傳輸層的器件相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的電池的串聯電阻由283歐姆平方釐米下降到17歐姆平方釐米，減少了94%，開路電壓由0.68伏特增加到1.06伏特，提高了55.9%，短路電流由2.64毫安/平方釐米增大到4.15毫安/平方釐米，提高了57.2%，能量轉化效率由0.69%增大到2.22%，提高了222%。圖1是對比例1和實施例1、2、3、4、5採用的電池結構示意圖。圖中l層是玻璃基板；2層是IT0陽極層；4層是MEH-PPV:ZnO光敏層；5層是鋁陰極層；對比例1的3層是PEDOT:PSS，實施例1、2、3、4和5的3層是Cii20空穴收集層。圖2是對比例2的電池結構示意圖。其中1層是玻璃基板；2層是ITO陽極層；4層是MEH-PPV:ZnO光敏層；5層是鋁陰極層。圖3是對比例1、2和實施例1、2、3、4、5在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。其中，曲線A是對比例1在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。曲線B是對比例2在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。曲線C是實施例1在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。曲線D是實施例2在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。曲線E是實施例3在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。曲線F是實施例4在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。曲線G是實施例5在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下測試的電流-電壓特性曲線圖。具體實施方式對比例1在惰性氣氛手套箱中，將聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-苯乙烯撐](MEH-PPV)與Zn0以1:3.3的質量比溶解於氯苯甲醇體積比為95:5的混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個小時；所述的MEH-PPV的濃度為3.5毫克/毫升；Zn0的粒徑為5納米，Zn0的濃度為11.55毫克/毫升；將在玻璃基板1上厚度為120納米的銦錫氧化物陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細條狀，將刻蝕好細條狀的ITO玻璃清洗乾淨，放入烘箱，12(TC烘乾，再將該加工件放置在塗膜機的託架上，通過0.45微米的過濾頭，將聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PED0T:PSS)的溶液均勻塗滿整個片子，以3000轉每分鐘的轉速旋塗成膜，在IT0表面形成一層40納米厚的薄膜，作為陽極修飾層3，再放入烘箱，120。C加熱30分鐘；將塗有PEDOT:PSS的加工件轉移到手套箱中，待基底冷卻後放置在旋塗機託架上，把攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻塗在PED0T:PSS的表面，以900轉每分鐘的速度旋轉一分鐘，得到140納米厚的光敏層；將塗有光敏層4的樣品用轉移瓶從手套箱中取出，放入真空鍍膜機中，抽真空，當真空度達4X10—4帕斯卡時，蒸鍍80納米厚的鋁陰極層5。將蒸完鋁電極之後的器件轉移到手套箱中，封裝起來，完成聚合物-無機納米晶雜化太陽能電池的製作。製成結構為ITO(120nm)/PEDOT:PSS(40nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80nm)聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池。對比例2器件結構及製備方法同對比例1，不同的是在ITO陽極表面直接旋塗攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液，製成結構為IT0(120mn)/MEH-PPV:Zn0(140nm)/Al(80nm)的聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池。實施例l在惰性氣氛手套箱中，將MEH-PPV與ZnO以1:3.3的質量比溶解於氯苯甲醇體積比為95:5混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個小時；所述的MEH-PPV的濃度為3.5毫克每毫升；ZnO的粒徑為5納米，ZnO的濃度為11.55毫克每毫升；將在玻璃基板1上厚度為120nm的銦錫氧化物陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細條狀，將刻蝕好細條狀的ITO玻璃清洗乾淨，放入烘箱，12(TC烘乾，再將該加工件放置在塗膜機的託架上，通過0.45微米的過濾頭，將Cu20的分散液均勻塗滿整個片子，以450轉每分鐘的轉速旋塗成膜，在該該加工件表面形成一層厚度為80納米的Cu20空穴收集層3，再放入真空度為0.1帕斯卡的真空烘箱抽真空1小時除去乙二醇溶劑；將烘好的製備有Cu20空穴收集層3的樣品轉移到手套箱中，將其放置在塗膜機的託架上，將攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻塗在Cu20空穴傳輸層3的上面，旋轉塗膜，轉速為每分鐘900轉，得到厚度為140納米的光敏層4;將塗有光敏層4的加工件用轉移瓶從手套箱中取出，放入真空鍍膜機中，抽真空，當真空度達4X10—4帕斯卡時，蒸鍍80納米厚的鋁陰極層5。將蒸完鋁電極之後的器件轉移到手套箱中，封裝起來，完成聚合物/無機納米晶太陽能電池的製作。器件結構為ITO(120nm)/Cu20(80nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80nm)。實施例2器件結構及製備方法同實施例1，不同的是Cu20旋塗轉速為每分鐘1000轉，得到厚度為50納米的Cu20空穴收集層。器件結構為ITO(120nm)/Cu20(50nm)/MEH-PPV:Zn0(140訓)/Al(80nm)。實施例3器件結構及製備方法同實施例1，不同的是Cu20旋塗轉速為每分鐘2000轉，得到厚度為40納米的Cu20空穴收集層。器件結構為ITO(120nm)/Cu20(40nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80nm)。器件結構及製備方法同實施例1，不同的是Cu20旋塗轉速為每分鐘3000轉，得到厚度為35納米的Cu20空穴收集層。器件結構為ITO(120nm)/Cu20(35nm)/MEH—PPV:Zn0(140nm)/Al(80nm)。實施例5器件結構及製備方法同實施例1，不同的是0120旋塗轉速為每分鐘4000轉，得到厚度為30納米的Cu20空穴收集層。器件結構為ITO(120nm)/Cu20(30nm)/MEH-PPV:Zn0(140nm)/Al(80nm)。表ltableseeoriginaldocumentpage12表1是在強度為100毫瓦/平方釐米的AM1.5G模擬太陽光下對比例1、2和實施例1、2、3、4、5的器件性能參數對比，包括開路電壓、短路電流、填充因子、能量轉換效率和串聯電阻。權利要求1.一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池，其特徵在於，其構成如下玻璃基板(1)和銦錫氧化物陽極層(2)連接；共軛聚合物和氧化鋅的共混物構成的光敏層(4)和陰極鋁(5)連接；其特徵在於，還有氧化亞銅空穴收集層(3)，所述的氧化亞銅空穴收集層(3)分別與ITO陽極層(2)和共軛聚合物和氧化鋅的共混物構成的光敏層(4)連接；所述的銦錫氧化物陽極層(2)的厚度為80-150納米；氧化亞銅空穴收集層(3)厚度為30-80納米；光敏層(4)的厚度為100-200納米；陰極鋁(5)的厚度為80-200納米。2.如權利要求所述的一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製備方法，其步驟及條件如下在惰性氣氛手套箱中，將聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-l，4-苯乙烯撐]與Zn0以1:3.3的質量比溶解於氯苯甲醇體積比為95:5的混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個小時；所述的聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-l,4-苯乙烯撐]的濃度為3.5毫克/毫升；Zn0的粒徑為5納米，Zn0的濃度為11.55毫克/毫升；將在玻璃基板1上厚度為120納米的銦錫氧化物陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細條狀，將刻蝕好細條狀的銦錫氧化物的玻璃基板清洗乾淨，放入烘箱中在12(TC下烘乾，再將其放置在塗膜機的託架上，通過0.45微米的過濾頭將氧化亞銅乙二醇分散液均勻塗在銦錫氧化物的玻璃基板上，氧化亞銅納米晶的粒徑在20-100納米之間，該分散液的濃度為7毫克/毫升，在450-4000轉/分鐘的轉速下旋轉一分鐘，在銦錫氧化物表面形成一層厚度為30-80納米的氧化亞銅空穴收集層3，放入真空度為0.1帕斯卡的真空烘箱抽真空1小時除去乙二醇溶劑，再將塗有空穴收集層3的襯底轉移到手套箱中，放置在塗膜機的託架上，把攪拌好的聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-l，4-苯乙烯撐/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻塗在氧化亞銅空穴收集層3的上面，旋轉塗膜得到光敏層4;將塗有光敏層4的襯底用轉移瓶自手套箱中取出，放入真空鍍膜機中抽真空，當真空度達4X10—4帕斯卡時，蒸鍍鋁作為陰極5，得到聚合物/無機納米晶雜化雜化太陽能電池。全文摘要本發明提供了本發明涉及一種聚合物/無機納米晶雜化太陽能電池及其製法。引入p型無機納米晶氧化亞銅做空穴收集層。氧化亞銅納米晶提高了ITO表面功函數，進而增加了開路電壓，最終提高了電池的能量轉換效率。與使用傳統的聚(3，4-環二氧乙基噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽做空穴傳輸層的電池相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的電池開路電壓提高了32.5％，短路電流提高了49％，能量轉換效率提高了171％；與不使用空穴傳輸層的電池相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的器件開路電壓提高了55.9％，短路電流提高了57.2％，能量轉換效率提高了222％。文檔編號H01G9/20GK101640133SQ20091006742公開日2010年2月3日申請日期2009年8月24日優先權日2009年8月24日發明者付瑩瑩,劉鳳敏,謝志元,邵書豔申請人:中國科學院長春應用化學研究所