一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池及其制備方法。目的在于利用銀納米線的散射和等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)太陽能電池中活性層的光吸收能力，提高聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和解決利用以旋涂法或噴涂法制備的銀納米線薄膜存在堆積的問題，從而減小銀納米線薄膜的表面粗糙度與電池器件短路。該制備方法的實(shí)現(xiàn)過程為：采用浸漬提拉法在ITO上形成有序的銀納米線薄膜，并通過旋凃或浸漬提拉一層ZnO層覆蓋銀納米線層獲得銀納米線/ZnO疊層，將銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層制備倒置聚合物太陽能電池，提高電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】
一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及有機(jī)太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，新興的太陽能電池技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中，與無機(jī)半導(dǎo)體相比，有機(jī)聚合物太陽能電池的光吸收和載流子傳輸層兼具了高分子材料的可加工性、柔韌性以及半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性，可以使用旋涂、涂布、噴墨打印、絲網(wǎng)印刷，卷對(duì)卷印刷等濕法制備;另外，電池的襯底可以采用鍍有透明電極的柔性、材料，這就使得其在大面積柔性制備上具有廣闊的前景。然而與成熟的無機(jī)太陽能電池相比，其轉(zhuǎn)換效率還相對(duì)較低。因此，設(shè)計(jì)與合成寬吸收范圍和高迀移率的太陽能電池材料、優(yōu)化太陽能電池的結(jié)構(gòu)、改善電池的界面收集電荷能力是目前聚合物太陽能電池的重要研究方向。
[0003]目前研究較多的一種電池結(jié)構(gòu)為氧化銦錫(ITO)沉積于襯底上作為陽極，最后沉積金屬鋁作為陰極，電極之間為阻擋層與活性層，這種結(jié)構(gòu)被稱為正置太陽能電池結(jié)構(gòu)。因ITO作為陽極與給體聚合物之間存在能級(jí)失配，電極需要引入表面修飾層(空穴傳輸層或電子阻擋層)PEDOT: PSSWEDOt = PSS具有酸性會(huì)腐蝕ΙΤ0，導(dǎo)致界面具有較差的化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致器件整體性能的下降。一種解決上述正置電池缺陷的方式為采用倒置電池結(jié)構(gòu)，即選擇ITO電極作為陰極，選擇具有更高功函數(shù)的惰性金屬作為陽極。一方面惰性金屬能避免電極氧化的問題，另一方面不用苛求其透光性也使得陽極材料的選擇有了更大的空間。
[0004]目前還有一種提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的方法是采用金屬納米線對(duì)光的散射與表面等離子體效應(yīng)來增強(qiáng)電池活性層對(duì)光的吸收能力。表面等離子體效應(yīng)是指金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子和光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿ā＝陙?，已?jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在聚合物太陽能電池的空穴收集層中摻入銀納米線可以提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]綜上所述，本發(fā)明基于上述提高聚合物有機(jī)電池穩(wěn)定性及光電轉(zhuǎn)換效率的方案，提出使用有序銀納米線自組裝并用ZnO覆蓋作為電子收集層的倒置電池結(jié)構(gòu)中，以提高倒置聚合物太陽能電池效率的方法。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出了一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池及其制備方法，通過提拉一層有序的銀納米線并用ZnO覆蓋，利用銀納米線的表面等離子體效應(yīng)及對(duì)光的散射增強(qiáng)電池對(duì)太陽光的吸收能力，增強(qiáng)聚合物電池的光電轉(zhuǎn)換效率和解決聚合物太陽能電池PEDOT: PSS對(duì)ITO的腐蝕問題。
[0008]—種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，包括如下步驟:
1)在玻璃ITO襯底的ITO面一側(cè)制備一層有序銀納米線薄膜；
2)在有序銀納米線薄膜上，通過溶液加工方法制備得到ZnO薄膜，覆蓋形成聚合物太陽電池的電子收集層；
3)在ZnO薄膜上面旋涂聚噻吩與富勒烯混合物溶液，形成聚合物太陽電池的活性層；
4)在活性層上通過熱蒸發(fā)沉積一層氧化鉬或氧化釩薄膜，形成聚合物太陽電池的空穴收集層；
5)通過熱蒸發(fā)，在氧化鉬或氧化釩薄膜上沉積銀或鋁層，形成陽極，完成倒置聚合物太陽能電池的制備。
[0009]進(jìn)一步地，所述的有序銀納米線薄膜的制備是采用浸漬提拉法，先將銀納米線進(jìn)行分散處理，于50?90°C的水浴輔助溶劑流誘導(dǎo)銀納米線在水/空氣界面上自組裝，再通過提拉機(jī)將自組裝后的銀納米線轉(zhuǎn)移到ITO表面，通過水浴溫度來調(diào)節(jié)有序銀納米線間的距離;利用銀納米線的等離子共振效應(yīng)和對(duì)光的散射來增強(qiáng)活性層對(duì)光的吸收能力;較之旋涂或噴涂所得到的銀納米線薄膜，浸漬提拉法所得到的有序銀納米線薄膜有著較低的表面粗糙度，解決了薄膜的堆積問題，提高電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0010]更進(jìn)一步地，所述分散處理的分散劑為易揮發(fā)的醇類溶劑，包括甲醇、乙醇和異丙醇;所述溶劑流的溶劑為水，所述銀納米線的直徑為25?60 nm。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述銀納米線的直徑為25?60 nm。
[0012]進(jìn)一步地，所述溶液加工方法包括旋涂或浸漬提拉法，所述ZnO薄膜的厚度為30?40 nmD
[0013]進(jìn)一步地，所述聚噻吩與富勒烯混合物溶液中，聚噻吩與富勒烯質(zhì)量比為I?1.25，活性層的厚度為100?200 nm。
[OOM]進(jìn)一步地，所述氧化鉬或氧化fji薄膜的厚度為4?10 nm。
[0015]進(jìn)一步地，所述銀層或鋁層的厚度為100?200 nm。
[0016]由上述制備方法制得的倒置聚合物太陽能電池。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益結(jié)果:
1、通過浸漬提拉法制得的有序銀納米線，降低銀納米線膜層的粗糙度和避免銀納米線發(fā)生堆積；同時(shí)，利用銀納米線的表面等離子體效應(yīng)及對(duì)光的散射來增強(qiáng)電池對(duì)太陽光的吸收能力。
[0018]2、采用本發(fā)明方法制備的倒置電池結(jié)構(gòu)，可解決正置結(jié)構(gòu)中ITO電極的腐蝕氧化問題；用銀納米線/ZnO疊層作為陰極表面修飾層，代替了PED0T:PSS作為正置電池中陽極阻擋層對(duì)ITO的腐蝕，同時(shí)還避免了水對(duì)活性層的影響。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖；
圖2為自組裝有序銀納米線薄膜；
圖3為銀納米線/ZnO疊層電子收集層的倒置聚合物太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4分別為ZnO和銀納米線(AgNWs)/ZnO作為電子收集層的倒置聚合物太陽能電池器件在AMl.5太陽模擬光源照射下的J-V特性曲線；
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明所述的一種銀納米線/ZnO疊層電子收集層的倒置聚合物太陽電池及其制備方法做進(jìn)一步詳細(xì)描述。但本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍并不局限于實(shí)施例所涉及的范圍。
[0021]本發(fā)明所述的通過浸漬提拉法在ITO玻璃襯底上引入有序銀納米線層，并用ZnO覆蓋制備倒置聚合物太陽能電池，工藝流程如圖1所示。
[0022]實(shí)施例1
Cl)按質(zhì)量比為1:0.8分別稱量20 mg聚噻吩和16 mg富勒稀溶于I ml二氯苯中，并加入20 ul D10，所述溶解過程在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行，將溶液置于50°C熱臺(tái)攪拌加熱12小時(shí)；
(2)將直徑為30nm的銀納米線相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的銀納米溶液分散在異丙醇中，銀納米溶液與異丙醇的體積比為1:7，并用微孔濾膜進(jìn)行真空抽濾，得到均勻分散且無明顯團(tuán)聚的銀納米線分散液；
(3)對(duì)玻璃襯底依次進(jìn)行以下步驟清洗:丙酮超聲10分鐘、去離子水超聲10分鐘、異丙醇超聲10分鐘，烘干后待用；
(4)采用水浴法，將燒杯中45ml的超純水加熱到80°C，并始終維持超純水這一溫度，然后在超純水表面逐滴滴加步驟(2)得到的銀納米線分散液，直到超純水表面自組裝成一層銀納米線薄膜；
(5)選取兩片步驟(3)處理后的玻璃片，背靠背夾持，采用浸漬提拉法，以2000μπι/s的提拉速率將自組裝后的銀納米線薄膜轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，得到單向有序的銀納米線膜如圖2所示；
(6)在銀納米線層上采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的ZnO溶液旋涂一層氧化鋅層，隨后在120°C熱臺(tái)上熱處理10 min。所制得的氧化鋅層的厚度為40 nm；
(7)在氧化鋅層上旋涂(I)中制備的聚噻吩與富勒稀混合物溶液，轉(zhuǎn)速為800rpm，時(shí)間為45 S，在靜置7小時(shí)后在150 °C熱臺(tái)上退火15 min;得到聚噻吩和富勒烯混合物的活性層，厚度為120 nm；
(8)用真空蒸鍍機(jī)先蒸鍍氧化鉬層，厚度為5nm，接下來蒸鍍銀層，銀層厚度為100 nm,并完成倒置聚合物太陽能電池的制備。
[0023]得到的倒置聚合物太陽能電池器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0024]圖4分別為ZnO和銀納米線(AgNWs)/ZnO作為電子收集層的倒置聚合物太陽能電池器件在AMl.5太陽模擬光源照射下的J-V特性曲線，可以看出，采用浸漬提拉法在ITO上形成有序的銀納米線膜層，并將ZnO覆蓋銀納米線層作為電子收集層應(yīng)用在倒置聚合物電池結(jié)構(gòu)中，倒置聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了提升。
[0025]實(shí)施例2
(1)按質(zhì)量比為1:1分別稱量20 mg聚噻吩和20mg富勒烯溶于I ml 二氯苯中，并加入20ul D10，所述溶解過程在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行，將溶液置于50°C熱臺(tái)攪拌加熱12小時(shí)；
(2)將直徑為60nm的銀納米線相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的銀納米溶液分散在異丙醇中，銀納米溶液與異丙醇的體積比為1:7，并用微孔濾膜進(jìn)行真空抽濾，得到均勻分散且無明顯團(tuán)聚的銀納米線分散液；
(3)對(duì)玻璃襯底依次進(jìn)行以下步驟清洗:丙酮超聲10分鐘、去離子水超聲10分鐘、異丙醇超聲10分鐘，烘干后待用；
(4)采用水浴法，將燒杯中45ml的超純水加熱到50°C，并始終維持超純水這一溫度，然后在超純水表面逐滴滴加步驟(2)得到的銀納米線分散液，直到超純水表面自組裝成一層銀納米線薄膜；
(5)選取兩片步驟(3)處理后的玻璃片，背靠背夾持，采用浸漬提拉法，以2000μπι/s的提拉速率將自組裝后的銀納米線薄膜轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，得到單向有序的銀納米線膜如圖2所示；
(6)在銀納米線層上采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的ZnO溶液旋涂一層氧化鋅層，隨后在120°C熱臺(tái)上熱處理10 min。所制得的氧化鋅層的厚度為30 nm；
(7)在氧化鋅層上旋涂(I)中制備的聚噻吩與富勒稀混合物溶液，轉(zhuǎn)速為800rpm，時(shí)間為45 S，在靜置7小時(shí)后在150 °C熱臺(tái)上退火15 min;得到聚噻吩和富勒烯混合物的活性層，厚度為200nm;
(8)用真空蒸鍍機(jī)先蒸鍍氧化鉬層，厚度為10nm，接下來蒸鍍銀層，銀層厚度為160nm,并完成倒置聚合物太陽能電池的制備。
[0026]采用實(shí)施例1相同的測(cè)試方法，可參見圖4，采用浸漬提拉法在ITO上形成有序的銀納米線膜層，并將ZnO覆蓋銀納米線層作為電子收集層應(yīng)用在倒置聚合物電池結(jié)構(gòu)中，倒置聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了提升。
[0027]實(shí)施例3
(1)按質(zhì)量比為1.2:1分別稱量24mg聚噻吩和20mg富勒稀溶于I ml二氯苯中，并加入20 ul D10，所述溶解過程在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行，將溶液置于50°C熱臺(tái)攪拌加熱12小時(shí)；
(2)將直徑為25nm的銀納米線相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的銀納米溶液分散在異丙醇中，銀納米溶液與異丙醇的體積比為1:7，并用微孔濾膜進(jìn)行真空抽濾，得到均勻分散且無明顯團(tuán)聚的銀納米線分散液；
(3)對(duì)玻璃襯底依次進(jìn)行以下步驟清洗:丙酮超聲10分鐘、去離子水超聲10分鐘、異丙醇超聲10分鐘，烘干后待用；
(4)采用水浴法，將燒杯中45ml的超純水加熱到90°C，并始終維持超純水這一溫度，然后在超純水表面逐滴滴加步驟(2)得到的銀納米線分散液，直到超純水表面自組裝成一層銀納米線薄膜；
(5)選取兩片步驟(3)處理后的玻璃片，背靠背夾持，采用浸漬提拉法，以2000μπι/s的提拉速率將自組裝后的銀納米線薄膜轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，得到單向有序的銀納米線膜如圖2所示；
(6)在銀納米線層上采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的ZnO溶液旋涂一層氧化鋅層，隨后在120°C熱臺(tái)上熱處理10 min。所制得的氧化鋅層的厚度為37 nm；
(7)在氧化鋅層上旋涂(I)中制備的聚噻吩與富勒稀混合物溶液，轉(zhuǎn)速為800rpm，時(shí)間為45 S，在靜置7小時(shí)后在150 °C熱臺(tái)上退火15 min;得到聚噻吩和富勒烯混合物的活性層，厚度為10nm; (8)用真空蒸鍍機(jī)先蒸鍍氧化鉬層，厚度為4nm，接下來蒸鍍銀層，銀層厚度為200 nm,并完成倒置聚合物太陽能電池的制備。
[0028]采用實(shí)施例1相同的測(cè)試方法，可參見圖4，采用浸漬提拉法在ITO上形成有序的銀納米線膜層，并將ZnO覆蓋銀納米線層作為電子收集層應(yīng)用在倒置聚合物電池結(jié)構(gòu)中，倒置聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了提升。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在玻璃ITO襯底的ITO面一側(cè)制備一層有序銀納米線薄膜； (2)在有序銀納米線薄膜上采用ZnO溶液通過溶液加工方法制備得到ZnO薄膜，覆蓋形成聚合物太陽電池的電子收集層； (3)在ZnO薄膜上面旋涂聚噻吩與富勒烯混合物溶液，形成聚合物太陽電池的活性層； (4)在活性層上通過熱蒸發(fā)沉積一層氧化鉬或氧化釩薄膜，形成聚合物太陽電池的空穴收集層； (5)通過熱蒸發(fā)，在氧化鉬或氧化釩薄膜上沉積銀層或鋁層，形成陽極，完成倒置聚合物太陽能電池的制備。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述的有序銀納米線薄膜的制備是采用浸漬提拉法，先將銀納米線進(jìn)行分散處理，并于50?90°C下水浴輔助溶劑流誘導(dǎo)銀納米線在水/空氣界面上自組裝，再通過提拉機(jī)將自組裝后的銀納米線轉(zhuǎn)移到ITO表面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述分散處理的分散劑為易揮發(fā)的醇類溶劑，包括甲醇、乙醇和異丙醇;所述溶劑流的溶劑為水。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述銀納米線的直徑為25?60 nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述溶液加工方法包括旋涂或浸漬提拉法，所述ZnO薄膜的厚度為30~40 nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述聚噻吩與富勒烯混合物溶液中，聚噻吩與富勒烯質(zhì)量比為I?1.25，活性層的厚度為10(^200 nm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述氧化鉬或氧化銀薄膜的厚度為4?1 nm。8.根據(jù)權(quán)利要求1一種銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于，所述銀層或鋁層的厚度為100?200 nm。9.由權(quán)利要求1?8任一項(xiàng)所述制備方法制得的銀納米線/ZnO疊層作為電子收集層的倒置聚合物太陽電池。
【文檔編號(hào)】H01L51/42GK105990527SQ201610527049
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】章勇, 吳巧玲, 張琪倫, 周永田
【申請(qǐng)人】華南師范大學(xué)