使用對齊磁性納米顆粒的增強效率聚合物太陽能電池的制作方法
【專利說明】使用對齊磁性納米顆粒的増強效率聚合物太陽能電池
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2012年3月23日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/614, 741的權(quán)益， 此申請的內(nèi)容W引用的方式并入本文。
技術領域
[0003] 總體上，本發(fā)明設及聚合物太陽能電池。具體地說，本發(fā)明設及使用對齊磁性納米 鏈的聚合物太陽能電池。更具體地說，本發(fā)明設及使用對齊化3〇4納米鏈的聚合物太陽能電 池，所述納米鏈通過在所施加靜磁場的存在下化3〇4納米顆粒的自組裝來誘導，W提高太陽 能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【背景技術】
[0004] 聚合物太陽能電池任SC)有希望成為成本效益合算、重量輕的太陽能轉(zhuǎn)換平臺， 它提供了優(yōu)于無機娃太陽能電池的顯著好處。已經(jīng)開發(fā)新的材料組合和太陽能電池設計來 實現(xiàn)具有提高的能量轉(zhuǎn)換效率的本體異質(zhì)結(jié)炬町）太陽能電池。具體地說，該樣的努力集 中于確定聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的=個操作參數(shù)的改善，該些參數(shù)包括：開路電壓 (VJ、短路電流密度QJ和填充系數(shù)腫)，其表示電流密度-電壓特性曲線的曲率。迄今 為止，聚合物太陽能電池（PSC)已達到約7-8%的能量轉(zhuǎn)換效率，方法是減少形成太陽能電 池的半導體聚合物的光學帶隙和最高占據(jù)分子軌道（HOMO)，W及通過熱和溶劑退火來優(yōu)化 聚合物太陽能電池的活性層的聚合物/富勒締滲合薄膜的形態(tài)。雖然聚合物太陽能電池的 開路電壓（VJ和填充系數(shù)（F巧參數(shù)幾乎達到了與無機娃太陽能電池的水平相等的水平， 但是相對于無機太陽能電池，聚合物太陽能電池的性能仍然較低，該是由于在無機和聚合 物太陽能電池任SC)之間存在的短路電流密度（JJ的性能差距。此外，因為聚合物太陽能 電池任SC)中的電荷載流子沿著整個內(nèi)部收集通路經(jīng)受界面重組，所W通過有機聚合物太 陽能電池的電荷輸送通常要比在無機太陽能電池中慢幾個數(shù)量級。該樣的界面重組是由有 機材料在吸收光時產(chǎn)生的移動激發(fā)態(tài)或激子的形成所引起的，該與在無機太陽能電池中產(chǎn) 生的自由電子-空穴（e-h)對是相反的。
[0005] 因此，由有機和無機太陽能電池呈現(xiàn)的基本物理過程是完全不同的。例如，在有機 B町太陽能電池裝置中的基本物理過程如下：來自太陽光的光子被吸收于太陽能電池內(nèi)部 并且激發(fā)供體，導致在太陽能電池單元的共輛聚合物活性層中產(chǎn)生激子。產(chǎn)生的激子開始 在供體相內(nèi)擴散，如果它們遇到與受體的界面，就會發(fā)生快速解離，從而導致電荷分離。橫 跨供體/受體值/A)界面形成的所得亞穩(wěn)態(tài)電子-空穴對被庫侖束縛，并且需要電場來將 它們分離成自由電荷。因此，在典型的操作條件下，聚合物太陽能電池的光子至自由電子的 轉(zhuǎn)換效率沒有最大化。隨后，在使用具有不同功函數(shù)的電極形成的內(nèi)部電場的輔助下，分離 的自由電子（空穴）被輸送至陰極（陽極），其中該些電子由電極收集并且被驅(qū)動至外部電 路中。然而，如果激子距離供體/受體值/A)界面太遠而產(chǎn)生，那么激子可能衰減，從而導 致發(fā)光。因此，激子應在界面的擴散長度范圍內(nèi)形成，所述擴散長度是有機B町太陽能電池 的共輛聚合物相的大小的上限。
[0006] 正因為如此，存在有機光伏（OPV)裝置諸如基于聚合物B町的太陽能電池中的有 限能量轉(zhuǎn)換效率的幾個主要原因，包括：能量水平失準；光捕獲和吸收不足；低激子擴散長 度；電荷或電荷轉(zhuǎn)移激子（CTE)的非福射重組，它包括通過庫侖引力束縛的受體的電子和 供體的空穴；和低載流子遷移率。在最有效的聚合物-富勒締有機光伏裝置中，能量損耗的 50 %或更多是由電荷轉(zhuǎn)移激子的重組而引起的。
[0007] 因此，需要一種能夠通過利用對齊磁性納米鏈，諸如化3〇4納米鏈（NC)來實現(xiàn)更高 短路電流密度CU的有機聚合物太陽能電池，該些納米鏈是在所施加垂直靜磁場的存在 下通過磁性納米顆粒，如化3〇4納米顆粒（N巧的自組裝來誘導的。此外，需要具有增加的光 電轉(zhuǎn)換效率（PCE)的有機聚合物太陽能電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引在鑒于上述情況，本發(fā)明的第一方面是提供一種太陽能電池，它包括產(chǎn)少部分透 光電極；布置在所述至少部分透光電極上的活性層，所述活性層由作為電子供體的至少一 種共輛聚合物、作為電子受體的至少一種富勒締，和由沿著它們的磁偶極矩對齊的化304納 米顆粒形成的Fe304納米鏈的復合物形成；W及布置在所述活性層上的第二電極。
[0009] 本發(fā)明的另一個方面提供一種形成太陽能電池的方法，包括：提供至少部分透明 的電極；提供作為電子供體的至少一種聚合物、作為電子受體的至少一種富勒締和化3〇4納 米顆粒的混合物；將所述混合物布置在所述至少部分透明的電極上，W形成活性層；使所 述混合物暴露于磁場，W使得化3〇4納米鏈由化3〇4納米顆粒形成，并沿著它們的磁偶極矩是 對齊的；W及將第二電極布置在所述活性層上。
[0010] 在本發(fā)明的另一個方面，太陽能電池包括；至少部分地透光電極；布置在所述至 少部分透明電極上的活性層，所述活性層由至少一種電子供體、至少一種電子受體及沿著 它們的磁偶極矩對齊的磁性納米顆粒的復合物形成；和布置在所述活性層上的第二電極。
[0011] 在本發(fā)明的另一個方面，一種形成太陽能電池的方法包括；提供至少部分透光電 極；提供至少一種聚合物、至少一種富勒締和磁性納米顆粒的混合物；將所述混合物布置 在所述至少部分地透光襯底上W形成活性層；使所述混合物暴露于磁場，W使得所述磁性 納米顆粒沿著它們的磁偶極矩對齊；W及將第二電極布置在所述活性層上。
【附圖說明】
[0012] 參考W下描述、附加權(quán)利要求和附圖將更好地理解本發(fā)明的該些和其它特征和優(yōu) 點，其中：
[0013] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的概念的聚合物太陽能電池的示意圖；
[0014] 圖2是用于形成根據(jù)本發(fā)明的概念的聚合物太陽能電池的活性層的與對齊Fe3〇4 納米鏈組合使用的聚合物/富勒締復合材料的示意圖；
[0015] 圖3是展示根據(jù)本發(fā)明概念在聚合物太陽能電池中通過將化3〇4納米顆粒極化來 誘導的外部磁場對齊化3〇4納米鏈的示意圖；
[0016] 圖3A是展示根據(jù)本發(fā)明的概念在暴露于磁場時在太陽能電池的活性層的聚合物 /富勒締復合物中形成通道的對齊磁性納米顆粒的示意圖；
[0017] 圖4A是根據(jù)本發(fā)明的概念由原始P3HT:PC61BM形成的活性層的TEM (透射電子顯 微鏡）圖像的示意圖；
[00化]圖48是根據(jù)本發(fā)明的概念由口3肥口〔6181+。63〇4形成的活性層的了61(透射電子 顯微鏡）圖像的示意圖；
[0019] 圖4C是根據(jù)本發(fā)明的概念由通過外部磁場對齊的P3HT:PC61BM納米鏈形成的活 性層的TEM(透射電子顯微鏡）圖像的示意圖；
[0020] 圖5A是展示根據(jù)本發(fā)明的概念使用原始PTB7-F20: P口 IBM活性層、沒 有外部磁場對齊處理的PTB7-F20: PC7 l+Fe3〇4活性層和具有外部磁場對齊處理的 PTB7-F20:PC71BM+Fe3〇4活性層的聚合物太陽能電池在照明條件下的J-V曲線的圖；
[002U 圖5B是展示根據(jù)本發(fā)明的概念使用原始PTB7-F20: P口 IBM活性層、沒 有外部磁場對齊處理的PTB7-F20: PC7l+Fe304活性層和具有外部磁場對齊