專利名稱：聚合物太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能技術領域，尤其涉及一種聚合物太陽能電池及其制備方法。
背景技術：
近幾年來，有機聚合物太陽能電池由于其重量輕、成本低、制備簡單及可制備成柔性器件等優(yōu)點，已經(jīng)成為國內(nèi)外科學工作者研究的焦點，越來越多的工作者致力于聚合物太陽能電池相關材料和器件工藝的研究。受限于聚合物材料低的載流子遷移率，聚合物太陽電池光敏層的厚度通常較薄，有相當部分入射光不能被光敏層吸收。通過近場增強效應和光散射作用，金屬納米顆粒表面等離激元可增強光敏層對太陽光的吸收，從而提高聚合物太陽電池的光電轉換效率。近年來，金屬表面等離激元作為一種陷光結構，用于提高太陽電池光吸收的研究受到國內(nèi)外科研界和產(chǎn)業(yè)界的普遍重視。不同的金屬納米顆粒由于其自由電子密度不同，其表面等離激元共振峰的峰位不同，可應用到不同的材料的太陽能電池中。將金屬表面等離激元陷光結構應用到有機聚合物太陽能電池中，其主要通過近場增強和光散射兩種機制作用于太陽能電池。金屬納米顆粒近場增強的作用范圍大約為幾十納米，而受限于聚合物材料低的載流子遷移率，聚合物太陽電池光敏層的厚度通常較薄，例如為100-110納米，近場增強作用的范圍均不到光敏層厚度的一半，金屬納米顆粒的近場增強光吸收的效果有限，難以充分發(fā)揮其近場增強的效果。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術問題為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種聚合物太陽能電池及其制備方法。( 二 )技術方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種聚合物太陽能電池，該聚合物太陽能電池包括:襯底；透明導電電極，形成于襯底上；空穴傳輸層，形成于透明導電電極上，其內(nèi)鑲嵌金屬納米顆粒；光敏層，形成于空穴傳輸層上；電子傳輸層，形成于光敏層上，其內(nèi)含金屬納米顆粒；以及兩金屬電極，分別形成于透明導電電極和電子傳輸層上。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種聚合物太陽能電池的制備方法，該制備方法包括:在襯底上生長透明導電電極；在透明導電電極上生長金屬納米顆粒；在透明導電電極上生長空穴傳輸層，從而將金屬納米顆粒鑲嵌于其內(nèi)；在空穴傳輸層上生長光敏層；在光敏層上生長內(nèi)含金屬納米顆粒的電子傳輸層；以及在透明導電電極和電子傳輸層上分別生長金屬電極，從而制備出聚合物太陽能電池。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明聚合物太陽能電池及其制備方法具有以下有益效果:
(I)將金屬納米顆粒同時置于空穴傳輸層以及ZnO電子傳輸層中，光敏層上下表面的金屬納米顆粒均可以產(chǎn)生近場增強作用，克服單一結構中近場增強作用距離遠小于光敏層厚度的不足，從而有利于提高光敏層的光吸收；(2)將金屬納米顆粒同時置于透明電極與PED0T:PSS (聚(3，4_亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))層之間以及ZnO電子傳輸層中，光敏層上下表面的金屬納米顆粒均可對入射光產(chǎn)生反復散射作用，增加其在光敏層中的傳播光程，進一步提高光吸收；(3)通過調(diào)控Au納米顆粒的尺寸及面密度，使納米顆粒的光散射作用的效果最強，從而電池的效率能夠有效提聞。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例聚合物太陽能電池的結構示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明制備實施例聚合物太陽能電池方法的流程圖。本發(fā)明主要元件符號說明10-玻璃襯底；20-1T0; 30-Au 納米顆粒；40_PED0T:PSS ；50-P3HT/PCBM(聚噻吩/富勒烯衍生物)共混層；60-Zn0電子傳輸層；70-Au納米顆粒；80-Α1電極。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。本發(fā)明在ITO與空穴傳輸層之間加入金屬納米顆粒增強聚合物太陽能電池效率的基礎上，同時在電子傳輸層中加入金屬納米顆粒，從而光敏層上下表面的金屬納米顆粒均可以產(chǎn)生近場增強作用，克服單一結構中近場增強作用距離遠小于光敏層厚度的不足。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種聚合物太陽能電池。該聚合物太陽能電池自上而下包括:襯底10 ;透明導電電極20，形成于襯底上；空穴傳輸層40，形成于透明導電電極20上，其內(nèi)鑲嵌金屬納米顆粒30 ;光敏層50，形成于空穴傳輸層40上；電子傳輸層60，形成于光敏層50上，其內(nèi)含金屬納米顆粒；兩金屬電極80，分別形成于透明導電電極和電子傳輸層上。本實施例聚合物太陽能電池中，一方面，空穴傳輸層與電子傳輸層中的金屬納米顆粒近場增強作用的疊加，可以克服單一結構中近場增強作用距離遠小于光敏層厚度的不足。另一方面，光敏層上下表面的金屬納米顆?？蓪θ肷涔猱a(chǎn)生反復散射作用，增加其在光敏層中的傳播光程，進一步提高光吸收，從而提高聚合物太陽能電池的效率。本實施例中，金屬納米顆粒層為金納米顆粒層，其直徑介于10納米至60納米之間。選用金納米顆粒的原因在于，Au納米顆粒穩(wěn)定性高，制備工藝簡單，其表面等離激元吸收峰位于光敏層材料的吸收范圍內(nèi)。上述金屬納米顆粒層是通過溶膠凝膠法制備于透明導電電極上的。需要說明的是，當鑲嵌于PEDOT =PSS空穴傳輸層的金屬納米顆粒直徑大于空穴傳輸層厚度時，金屬納米顆粒會形成凸起，但由于PEDOT:PSS層具有很好的包覆性，凸起的金屬納米顆粒表面會覆蓋一層10-20納米厚的PEDOT =PSS層，因此仍然形成金屬納米顆粒鑲嵌于PEDOT =PSS空穴傳輸層的結構。此外，本領域技術人員應當清楚，本發(fā)明還可以采用Ag、Al等金屬納米顆粒，同樣不影響本發(fā)明的實施。金屬納米顆粒層的制備還可以采用氣相沉積方法、電沉積方法等來制備該金屬納米顆粒層。上述方案中，電子傳輸層采用ZnO薄膜，通過氫氧化鉀的甲醇溶液與醋酸鋅的甲醇溶液反應得到ZnO納米顆粒，并分散在正丁醇溶液中，將含有金屬納米可以的溶液混合，將混合液通過旋涂法形成厚度為30-40納米的薄膜。當然,本發(fā)明還可以采用1102、]/
本實施例中，透明導電電極為ITO電極。當然，本發(fā)明還可以采用AZ0、FT0等透明導電電極，同樣不影響本發(fā)明的實施。金屬電極采用熱蒸發(fā)的Al電極，厚度為100-120納米。本實施例中，空穴傳輸層為PEDOT:PSS，厚度為35-45納米。光敏層采用P3HT:PCBM共混膜，厚度約為100-110納米。當然，本發(fā)明還可以采用P3HT-1CBA、PH1 =PPV-PCBM,P⑶TBT-PCBM等共混膜作為光敏層。在圖1所示的聚合物太陽能，襯底為玻璃襯底。當然，本發(fā)明還可以采用PET、PEN等襯底，同樣不影響本發(fā)明的實施。以下以上述實施例的聚合物太陽能電池為例，介紹本發(fā)明聚合物太陽能電池的制備方法。請參照圖1和圖2，本實施例包括:步驟A，清洗圖案化的ITO 20/玻璃10襯底，此襯底已經(jīng)按照所需的電池有效面積進行光刻，此為電池的陽極，其中IT020層的方塊電阻為7-15歐姆/方塊；步驟B，將Au納米顆粒的水溶液旋涂在ITO 20/玻璃10襯底上，制備Au納米顆粒30 ；本步驟中，Au納米顆粒的水溶液是通過檸檬酸鈉還原氯金酸的水溶液而得到的，Au納米顆粒的直徑可通過檸檬酸鈉的用量在10-60納米范圍調(diào)控。旋涂轉速為700-4000轉/分鐘，Au納米顆粒的面密度可通過旋涂的轉速調(diào)節(jié)，典型的面密度介于I X IO8至2X IO9/cm2之間。步驟C，在含Au納米顆粒層30的ITO 20/玻璃10襯底上旋涂制備一層PEDOT =PSS40，作為空穴傳輸層，該層厚度為35-45納米，從而將所述金屬納米顆粒鑲嵌于其內(nèi)；步驟D，擦除一側的PEDOT:PSS 40和Au納米顆粒層30，至露出部分ITO 20表面，作為電池的陽極；步驟E，在PEDOT =PSS層40上旋涂制備一層光敏層，即聚噻吩(P3HT) /富勒烯衍生物(PCBM)共混層50，該層的厚度約為100-110納米； 步驟F，制備一層含Au納米顆粒70的ZnO電子傳輸層60 ；本步驟又可以包括:子步驟Fl，將氫氧化鉀的甲醇溶液與醋酸鋅的甲醇溶液反應，得到ZnO納米顆粒，并將其分散在正丁醇溶液中；子步驟F2，將檸檬酸鈉還原氯金酸的水溶液，而得到Au納米顆粒的水溶液；子步驟F3，將直徑為10-30納米的Au納米顆粒的水溶液與ZnO的正丁醇溶液均勻混合，并旋涂在聚噻吩(P3HT)/富勒烯衍生物(PCBM)共混層50上，生成ZnO電子傳輸層60，旋涂轉速為700-4000轉/分鐘。本步驟中，該層厚度為30-40納米；Au納米顆粒在ZnO電子傳輸層中的面密度通過調(diào)控Au納米顆粒的水溶液與ZnO的正丁醇溶液的質量比來實現(xiàn)，典型的面密度介于1\108至2父1070112之間；步驟G，在含Au納米顆粒70的ZnO電子傳輸層60上制備Al電極80，作為電池的陰極，其中制備Al電極80的厚度為100-120納米；步驟H,退火。電池制備完畢，其中退火在充滿高純氮氣的手套箱中進行，手套箱中的水含量和氧含量均低于Ippm,退火溫度為130-15CTC,退火時間為10_15min。至此，本實施例聚合物太陽能電池的制備方法介紹完畢。根據(jù)上述說明，本領域技術人員應當清楚其他類型的聚合物太陽能電池的制備方法，此處不再詳細說明。需要說明的是，上述對各元件的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換。綜上所述，本發(fā)明聚合物太陽能電池及其制備方法中，通過底部和頂部的兩層Au納米顆粒，即分別位于ITO電極與空穴傳輸層PEDOT =PSS之間以及ZnO電子傳輸層，一方面，兩層金屬納米顆粒近場增強作用的疊加，可以克服單一結構中近場增強作用距離遠小于光敏層厚度的不足；另一方面，光敏層上下表面的金屬納米顆?？蓪θ肷涔猱a(chǎn)生反復散射作用，增加其在光敏層中的傳播光程，進一步提高光吸收，從而有效地提高了聚合物太陽能電池的光電轉換效率。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種聚合物太陽能電池，其特征在于，包括: 襯底； 透明導電電極，形成于所述襯底上； 空穴傳輸層，形成于所述透明導電電極上，其內(nèi)鑲嵌金屬納米顆粒； 光敏層，形成于所述空穴傳輸層上； 電子傳輸層，形成于所述光敏層上，其內(nèi)含金屬納米顆粒；以及 兩金屬電極，分別形成于 所述透明導電電極和所述電子傳輸層上。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層與電子傳輸層中金屬納米顆粒的材料選自于以下材料中的一種:金、銀和鋁。
3.根據(jù)權利要求2所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層的厚度介于35納米至45納米之間，其內(nèi)鑲嵌直徑為10-60納米的金屬納米顆粒，其面密度介于1\108至2父1070112之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述電子傳輸層的厚度介于30納米至40納米之間，其內(nèi)含直徑10-30納米的金屬納米顆粒，其面密度介于I X IO8至2X109/cm2 之間。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的聚合物太陽能電池，其特征在于: 所述空穴傳輸層的材料為PEDOT:PSS共混膜； 所述電子傳輸層的材料選自于以下材料中的一種:ZnO、Ti02、Mo03 ； 所述透明導電電極的材料選自于以下材料中的一種:IT0、AZ0、FT0 ； 所述光敏層的材料選自于以下材料中的一種:P3HT:PCBM共混膜、P3HT-1CBA共混膜、PEH: PPV-PCBM 共混膜、PCDTBT-PCBM 共混膜。
6.一種聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括: 在襯底上生長透明導電電極； 在所述透明導電電極上生長金屬納米顆粒； 在所述透明導電電極上生長空穴傳輸層，從而將所述金屬納米顆粒鑲嵌于其內(nèi)； 在所述空穴傳輸層上生長光敏層； 在所述光敏層上生長內(nèi)含金屬納米顆粒的電子傳輸層；以及 在所述透明導電電極和所述電子傳輸層上分別生長金屬電極，從而制備出聚合物太陽能電池。
7.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，采用以下方法中的之一在透明導電電極上生長金屬納米顆粒:溶膠凝膠法、氣相沉積方法和電沉積方法。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述采用溶膠凝膠法在透明導電電極上生長金屬納米顆粒的步驟包括: 通過檸檬酸鈉還原氯金酸的水溶液得到金納米顆粒的水溶液； 將金納米顆粒的水溶液旋涂于所述透明導電電極上，形成金屬納米顆粒。
9.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述在光敏層上生長內(nèi)含金屬納米顆粒的電子傳輸層的步驟包括: 將氫氧化鉀的甲醇溶液與醋酸鋅的甲醇溶液反應，得到ZnO納米顆粒，并將其分散在正丁醇溶液中；用檸檬酸鈉還原氯金酸的水溶液，而得到Au納米顆粒的水溶液； 將Au納米顆粒的水溶液與ZnO的正丁醇溶液均勻混合； 將混合溶液旋涂在光敏層上，生成內(nèi)含金納米顆粒的ZnO電子傳輸層。
10.根據(jù)權利要求6至9中任一項所述的制備方法，其特征在于: 所述在襯底上生長透明導電電極的步驟中，所述透明導電電極選自于以下材料中的一種:ΙΤ0, ΑΖ0, FTO ； 所述在透明導電電極上生長空穴傳輸層的步驟中，所述空穴傳輸層的材料為PEDOT: PSS 共混膜； 所述在空穴傳輸層上生長光敏層的步驟中，所述光敏層選自于以下材料中的一種: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
本發(fā)明提供了一種聚合物太陽能電池及其制備方法。該聚合物太陽能電池包括襯底；透明導電電極，形成于襯底上；空穴傳輸層，形成于透明導電電極上，其內(nèi)鑲嵌金屬納米顆粒；光敏層，形成于空穴傳輸層上；電子傳輸層，形成于光敏層上，其內(nèi)含金屬納米顆粒；以及兩金屬電極，分別形成于透明導電電極和電子傳輸層上。本發(fā)明將金屬納米顆粒同時置于空穴傳輸層以及ZnO電子傳輸層中，光敏層上下表面的金屬納米顆粒均可以產(chǎn)生近場增強作用，克服單一結構中近場增強作用距離遠小于光敏層厚度的不足，從而有利于提高光敏層的光吸收。
文檔編號H01L51/42GK103094480SQ20131001823
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權日2013年1月17日
發(fā)明者張興旺, 高紅麗, 譚海仁, 尹志崗, 吳金良 申請人:中國科學院半導體研究所