专利名称：聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
近几年来，有机聚合物太阳能电池由于其重量轻、成本低、制备简单及可制备成柔性器件等优点，已经成为国内外科学工作者研究的焦点，越来越多的工作者致力于聚合物太阳能电池相关材料和器件工艺的研究。受限于聚合物材料低的载流子迁移率，聚合物太阳电池光敏层的厚度通常较薄，有相当部分入射光不能被光敏层吸收。通过近场增强效应和光散射作用，金属纳米颗粒表面等离激元可增强光敏层对太阳光的吸收，从而提高聚合物太阳电池的光电转换效率。近年来，金属表面等离激元作为一种陷光结构，用于提高太阳电池光吸收的研究受到国内外科研界和产业界的普遍重视。不同的金属纳米颗粒由于其自由电子密度不同，其表面等离激元共振峰的峰位不同，可应用到不同的材料的太阳能电池中。将金属表面等离激元陷光结构应用到有机聚合物太阳能电池中，其主要通过近场增强和光散射两种机制作用于太阳能电池。金属纳米颗粒近场增强的作用范围大约为几十纳米，而受限于聚合物材料低的载流子迁移率，聚合物太阳电池光敏层的厚度通常较薄，例如为100-110纳米，近场增强作用的范围均不到光敏层厚度的一半，金属纳米颗粒的近场增强光吸收的效果有限，难以充分发挥其近场增强的效果。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种聚合物太阳能电池及其制备方法。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种聚合物太阳能电池，该聚合物太阳能电池包括:衬底；透明导电电极，形成于衬底上；空穴传输层，形成于透明导电电极上，其内镶嵌金属纳米颗粒；光敏层，形成于空穴传输层上；电子传输层，形成于光敏层上，其内含金属纳米颗粒；以及两金属电极，分别形成于透明导电电极和电子传输层上。根据本发明的另一个方面，还提供了一种聚合物太阳能电池的制备方法，该制备方法包括:在衬底上生长透明导电电极；在透明导电电极上生长金属纳米颗粒；在透明导电电极上生长空穴传输层，从而将金属纳米颗粒镶嵌于其内；在空穴传输层上生长光敏层；在光敏层上生长内含金属纳米颗粒的电子传输层；以及在透明导电电极和电子传输层上分别生长金属电极，从而制备出聚合物太阳能电池。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明聚合物太阳能电池及其制备方法具有以下有益效果:
(I)将金属纳米颗粒同时置于空穴传输层以及ZnO电子传输层中，光敏层上下表面的金属纳米颗粒均可以产生近场增强作用，克服单一结构中近场增强作用距离远小于光敏层厚度的不足，从而有利于提高光敏层的光吸收；(2)将金属纳米颗粒同时置于透明电极与PED0T:PSS (聚(3，4_亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))层之间以及ZnO电子传输层中，光敏层上下表面的金属纳米颗粒均可对入射光产生反复散射作用，增加其在光敏层中的传播光程，进一步提高光吸收；(3)通过调控Au纳米颗粒的尺寸及面密度，使纳米颗粒的光散射作用的效果最强，从而电池的效率能够有效提闻。
图1为根据本发明实施例聚合物太阳能电池的结构示意图；图2为根据本发明制备实施例聚合物太阳能电池方法的流程图。本发明主要元件符号说明10-玻璃衬底；20-1T0; 30-Au 纳米颗粒；40_PED0T:PSS ；50-P3HT/PCBM(聚噻吩/富勒烯衍生物)共混层；60-Zn0电子传输层；70-Au纳米颗粒；80-Α1电极。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。本发明在ITO与空穴传输层之间加入金属纳米颗粒增强聚合物太阳能电池效率的基础上，同时在电子传输层中加入金属纳米颗粒，从而光敏层上下表面的金属纳米颗粒均可以产生近场增强作用，克服单一结构中近场增强作用距离远小于光敏层厚度的不足。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种聚合物太阳能电池。该聚合物太阳能电池自上而下包括:衬底10 ;透明导电电极20，形成于衬底上；空穴传输层40，形成于透明导电电极20上，其内镶嵌金属纳米颗粒30 ;光敏层50，形成于空穴传输层40上；电子传输层60，形成于光敏层50上，其内含金属纳米颗粒；两金属电极80，分别形成于透明导电电极和电子传输层上。本实施例聚合物太阳能电池中，一方面，空穴传输层与电子传输层中的金属纳米颗粒近场增强作用的叠加，可以克服单一结构中近场增强作用距离远小于光敏层厚度的不足。另一方面，光敏层上下表面的金属纳米颗粒可对入射光产生反复散射作用，增加其在光敏层中的传播光程，进一步提高光吸收，从而提高聚合物太阳能电池的效率。本实施例中，金属纳米颗粒层为金纳米颗粒层，其直径介于10纳米至60纳米之间。选用金纳米颗粒的原因在于，Au纳米颗粒稳定性高，制备工艺简单，其表面等离激元吸收峰位于光敏层材料的吸收范围内。上述金属纳米颗粒层是通过溶胶凝胶法制备于透明导电电极上的。需要说明的是，当镶嵌于PEDOT =PSS空穴传输层的金属纳米颗粒直径大于空穴传输层厚度时，金属纳米颗粒会形成凸起，但由于PEDOT:PSS层具有很好的包覆性，凸起的金属纳米颗粒表面会覆盖一层10-20纳米厚的PEDOT =PSS层，因此仍然形成金属纳米颗粒镶嵌于PEDOT =PSS空穴传输层的结构。此外，本领域技术人员应当清楚，本发明还可以采用Ag、Al等金属纳米颗粒，同样不影响本发明的实施。金属纳米颗粒层的制备还可以采用气相沉积方法、电沉积方法等来制备该金属纳米颗粒层。上述方案中，电子传输层采用ZnO薄膜，通过氢氧化钾的甲醇溶液与醋酸锌的甲醇溶液反应得到ZnO纳米颗粒，并分散在正丁醇溶液中，将含有金属纳米可以的溶液混合，将混合液通过旋涂法形成厚度为30-40纳米的薄膜。当然,本发明还可以采用1102、]/
本实施例中，透明导电电极为ITO电极。当然，本发明还可以采用AZ0、FT0等透明导电电极，同样不影响本发明的实施。金属电极采用热蒸发的Al电极，厚度为100-120纳米。本实施例中，空穴传输层为PEDOT:PSS，厚度为35-45纳米。光敏层采用P3HT:PCBM共混膜，厚度约为100-110纳米。当然，本发明还可以采用P3HT-1CBA、PH1 =PPV-PCBM,P⑶TBT-PCBM等共混膜作为光敏层。在图1所示的聚合物太阳能，衬底为玻璃衬底。当然，本发明还可以采用PET、PEN等衬底，同样不影响本发明的实施。以下以上述实施例的聚合物太阳能电池为例，介绍本发明聚合物太阳能电池的制备方法。请参照图1和图2，本实施例包括:步骤A，清洗图案化的ITO 20/玻璃10衬底，此衬底已经按照所需的电池有效面积进行光刻，此为电池的阳极，其中IT020层的方块电阻为7-15欧姆/方块；步骤B，将Au纳米颗粒的水溶液旋涂在ITO 20/玻璃10衬底上，制备Au纳米颗粒30 ；本步骤中，Au纳米颗粒的水溶液是通过柠檬酸钠还原氯金酸的水溶液而得到的，Au纳米颗粒的直径可通过柠檬酸钠的用量在10-60纳米范围调控。旋涂转速为700-4000转/分钟，Au纳米颗粒的面密度可通过旋涂的转速调节，典型的面密度介于I X IO8至2X IO9/cm2之间。步骤C，在含Au纳米颗粒层30的ITO 20/玻璃10衬底上旋涂制备一层PEDOT =PSS40，作为空穴传输层，该层厚度为35-45纳米，从而将所述金属纳米颗粒镶嵌于其内；步骤D，擦除一侧的PEDOT:PSS 40和Au纳米颗粒层30，至露出部分ITO 20表面，作为电池的阳极；步骤E，在PEDOT =PSS层40上旋涂制备一层光敏层，即聚噻吩(P3HT) /富勒烯衍生物(PCBM)共混层50，该层的厚度约为100-110纳米； 步骤F，制备一层含Au纳米颗粒70的ZnO电子传输层60 ；本步骤又可以包括:子步骤Fl，将氢氧化钾的甲醇溶液与醋酸锌的甲醇溶液反应，得到ZnO纳米颗粒，并将其分散在正丁醇溶液中；子步骤F2，将柠檬酸钠还原氯金酸的水溶液，而得到Au纳米颗粒的水溶液；子步骤F3，将直径为10-30纳米的Au纳米颗粒的水溶液与ZnO的正丁醇溶液均匀混合，并旋涂在聚噻吩(P3HT)/富勒烯衍生物(PCBM)共混层50上，生成ZnO电子传输层60，旋涂转速为700-4000转/分钟。本步骤中，该层厚度为30-40纳米；Au纳米颗粒在ZnO电子传输层中的面密度通过调控Au纳米颗粒的水溶液与ZnO的正丁醇溶液的质量比来实现，典型的面密度介于1\108至2父1070112之间；步骤G，在含Au纳米颗粒70的ZnO电子传输层60上制备Al电极80，作为电池的阴极，其中制备Al电极80的厚度为100-120纳米；步骤H,退火。电池制备完毕，其中退火在充满高纯氮气的手套箱中进行，手套箱中的水含量和氧含量均低于Ippm,退火温度为130-15CTC,退火时间为10_15min。至此，本实施例聚合物太阳能电池的制备方法介绍完毕。根据上述说明，本领域技术人员应当清楚其他类型的聚合物太阳能电池的制备方法，此处不再详细说明。需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。综上所述，本发明聚合物太阳能电池及其制备方法中，通过底部和顶部的两层Au纳米颗粒，即分别位于ITO电极与空穴传输层PEDOT =PSS之间以及ZnO电子传输层，一方面，两层金属纳米颗粒近场增强作用的叠加，可以克服单一结构中近场增强作用距离远小于光敏层厚度的不足；另一方面，光敏层上下表面的金属纳米颗粒可对入射光产生反复散射作用，增加其在光敏层中的传播光程，进一步提高光吸收，从而有效地提高了聚合物太阳能电池的光电转换效率。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种聚合物太阳能电池，其特征在于，包括: 衬底； 透明导电电极，形成于所述衬底上； 空穴传输层，形成于所述透明导电电极上，其内镶嵌金属纳米颗粒； 光敏层，形成于所述空穴传输层上； 电子传输层，形成于所述光敏层上，其内含金属纳米颗粒；以及 两金属电极，分别形成于 所述透明导电电极和所述电子传输层上。
2.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层与电子传输层中金属纳米颗粒的材料选自于以下材料中的一种:金、银和铝。
3.根据权利要求2所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层的厚度介于35纳米至45纳米之间，其内镶嵌直径为10-60纳米的金属纳米颗粒，其面密度介于1\108至2父1070112之间。
4.根据权利要求2所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的厚度介于30纳米至40纳米之间，其内含直径10-30纳米的金属纳米颗粒，其面密度介于I X IO8至2X109/cm2 之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的聚合物太阳能电池，其特征在于: 所述空穴传输层的材料为PEDOT:PSS共混膜； 所述电子传输层的材料选自于以下材料中的一种:ZnO、Ti02、Mo03 ； 所述透明导电电极的材料选自于以下材料中的一种:IT0、AZ0、FT0 ； 所述光敏层的材料选自于以下材料中的一种:P3HT:PCBM共混膜、P3HT-1CBA共混膜、PEH: PPV-PCBM 共混膜、PCDTBT-PCBM 共混膜。
6.一种聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括: 在衬底上生长透明导电电极； 在所述透明导电电极上生长金属纳米颗粒； 在所述透明导电电极上生长空穴传输层，从而将所述金属纳米颗粒镶嵌于其内； 在所述空穴传输层上生长光敏层； 在所述光敏层上生长内含金属纳米颗粒的电子传输层；以及 在所述透明导电电极和所述电子传输层上分别生长金属电极，从而制备出聚合物太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用以下方法中的之一在透明导电电极上生长金属纳米颗粒:溶胶凝胶法、气相沉积方法和电沉积方法。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述采用溶胶凝胶法在透明导电电极上生长金属纳米颗粒的步骤包括: 通过柠檬酸钠还原氯金酸的水溶液得到金纳米颗粒的水溶液； 将金纳米颗粒的水溶液旋涂于所述透明导电电极上，形成金属纳米颗粒。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在光敏层上生长内含金属纳米颗粒的电子传输层的步骤包括: 将氢氧化钾的甲醇溶液与醋酸锌的甲醇溶液反应，得到ZnO纳米颗粒，并将其分散在正丁醇溶液中；用柠檬酸钠还原氯金酸的水溶液，而得到Au纳米颗粒的水溶液； 将Au纳米颗粒的水溶液与ZnO的正丁醇溶液均匀混合； 将混合溶液旋涂在光敏层上，生成内含金纳米颗粒的ZnO电子传输层。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的制备方法，其特征在于: 所述在衬底上生长透明导电电极的步骤中，所述透明导电电极选自于以下材料中的一种:ΙΤ0, ΑΖ0, FTO ； 所述在透明导电电极上生长空穴传输层的步骤中，所述空穴传输层的材料为PEDOT: PSS 共混膜； 所述在空穴传输层上生长光敏层的步骤中，所述光敏层选自于以下材料中的一种:P3HT:PCBM 共混膜、 P3HT-1CBA 共混膜、PEH:PPV-PCBM 共混膜、PCDTBT-PCBM 共混膜。
全文摘要
本发明提供了一种聚合物太阳能电池及其制备方法。该聚合物太阳能电池包括衬底；透明导电电极，形成于衬底上；空穴传输层，形成于透明导电电极上，其内镶嵌金属纳米颗粒；光敏层，形成于空穴传输层上；电子传输层，形成于光敏层上，其内含金属纳米颗粒；以及两金属电极，分别形成于透明导电电极和电子传输层上。本发明将金属纳米颗粒同时置于空穴传输层以及ZnO电子传输层中，光敏层上下表面的金属纳米颗粒均可以产生近场增强作用，克服单一结构中近场增强作用距离远小于光敏层厚度的不足，从而有利于提高光敏层的光吸收。
文档编号H01L51/42GK103094480SQ20131001823
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者张兴旺, 高红丽, 谭海仁, 尹志岗, 吴金良 申请人:中国科学院半导体研究所