本发明专利技术属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于等离子体背散射效应提高的聚合物太阳能电池及其制备方法。通过溶液旋涂ZnO纳米颗粒的甲醇分散液来制作背侧的ZnO电子传输层，并利用金(Au)纳米棒对ZnO层进行掺杂。这种方法一方面在电池背部引入Au纳米棒的等离子共振激元，利用其等离子体背散射效应实现活性层对光的多次吸收，提高对光的利用率；另一方面可以有效提高ZnO层对电子的传输和抽取，使电子‑空穴传输更加平衡，防止空间电荷积累。采用醇溶的ZnO纳米颗粒，很容易实现Au纳米棒的可控掺杂，利用溶液旋涂的方式来制备电子传输，也能够有效地简化工艺，降低能耗。利用本发明专利技术所述方法能够使器件的光学和电学性能都有很大提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于聚合物太阳能电池
，具体涉及一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
近年来，在对太阳能的利用方面，聚合物太阳能电池以其低成本、制作工艺简单、可大面积柔性制备等优点，逐渐成为热点研究领域。然而相比于硅基无机太阳能电池，聚合物太阳能电池的能量转换效率偏低。在几个制约其能量转换效率的因素中，聚合物分子相对短的激子扩散长度和低的载流子迁移率，迫使聚合物太阳能电池普遍采用薄吸光层的器件构型，以降低光生载流子的复合，这将不可避免地导致器件对光的吸收利用率降低。另外，聚合物太阳能电池器件内部载流子的传输、复合以及在电极界面处电荷抽取、收集等动力学过程的效率也影响器件最终的光伏性能。寻找一种能够同时提高电池对入射光子的吸收效率以及器件内光生载流子传输、收集效率的方法对提高聚合物太阳能电池能量转换效率至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池及其制备方法。本专利技术所制备的基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池，其特征在于：自下而上依次由ITO导电玻璃阳极、PEDOT:PSS阳极修饰层、PTB7:PC71BM吸光活性层、Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层、Al阴极组成，即器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PC71BM/ZnO(Au NRs)/Al的典型正型结构；Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层是在ZnO纳米颗粒的甲醇分散液中掺入是ZnO纳米颗粒和Au纳米棒溶胶质量和1～4wt％的Au纳米棒溶胶，并利用溶液旋涂的方式制备得到；此结构可以实现在电池的背部引入等离子体背散射效应的目的，从而提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。在所制备的聚合物太阳能电池器件中，PEDOT:PSS阳极修饰层的厚度为40～50nm，PTB7：PC71BM吸光活性层的厚度为90～100nm，Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层的厚度为25～35nm，Al阴极的厚度为80～120nm。其中，Au纳米棒的横向尺寸为20～25nm，纵向尺寸为50～55nm，其横向和纵向的等离子共振吸收峰分别位于513～516nm和678～691nm处，能够与PTB7:PC71BM活性层的吸收光谱很好地匹配。在本专利技术中，利用溶液旋涂的方式来制备电池背部的阴极修饰层。掺入的Au纳米棒与金属Al电极之间形成背部散射体，实现对透过吸光活性层而未被利用的光的多次散射，从而增加光程，提高吸光活性层对入射光的利用率。另外，ZnO阴极修饰层中掺杂的Au纳米棒通过等离子体共振效应，引起从Au纳米棒到ZnO的电荷转移，填补了ZnO中存在的电子陷阱，从而有效提高ZnO层对电子的传输和抽取，防止器件内部空间电荷积累，降低载流子在界面处复合的几率，提高金属Al电极对光生载流子的收集效率。在电池背部的ZnO层中掺杂Au纳米棒，能够同时改善器件的光吸收以及器件内多个载流子动力学过程，有利于提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。本专利技术中Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层，采用溶液旋涂的方式来制备，与传统的真空蒸镀法比较，制作工艺更加简便，并且能够降低能耗，具有较大的实际应用价值。本专利技术所述基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池的制备方法，其具体步骤与条件如下：1)将ITO导电玻璃(电阻率10～15Ω/□，透过率≥95％)用去污粉、去离子水、丙酮、异丙醇分别超声处理15～30分钟，然后用氮气吹干待用；2)将ITO导电玻璃衬底置于60～80℃下烘烤3～8分钟，冷却至室温后，用功率为150～200瓦的375nm紫外光处理衬底5～15分钟；3)在ITO导电玻璃衬底上，首先1000～1500rpm、3～8秒，然后4000～6000rpm、40～60秒旋涂PEDOT:PSS(P VP AI 4083)的水溶液，再在120～150℃条件下热退火处理20～40分钟得到厚度为40～50nm的PEDOT:PSS阳极修饰层；PEDOT:PSS水溶液在旋涂前需经过0.45微米尺寸的水相过滤头过滤；4)在室温条件下，将给体材料PTB7(加拿大1-Material试剂公司)与受体材料PC71BM(富勒烯衍生物，Nichem精密科技有限公司)按照质量比1：1.5的比例溶于有机溶剂氯苯(北京百灵威试剂公司)中，配制成给体浓度为5～15mg/mL的溶液，再向该溶液中加入体积分数最终为1～5％的1,8-二碘辛烷(西格玛奥德里奇试剂公司)作为溶剂添加剂，然后在氮气气氛条件下搅拌24～48小时，得到PTB7:PC71BM活性层溶液；5)氮气气氛条件下，在PEDOT:PSS阳极修饰层上旋涂步骤4)所得的PTB7:PC71BM活性层溶液，旋涂转速为1000～1500rpm，旋涂时间为45～50秒；
然后在旋涂的PTB7:PC71BM活性层溶液上滴加150～300μL异丙醇(国药试剂厂)，并于2000～3000rpm转速下旋涂20～40秒，从而制备出厚度为90～100nm的PTB7:PC71BM活性层；6)将2.95g二水醋酸锌(国药试剂厂)在60～65℃下在110～150mL无水甲醇(北京化工厂)中回流溶解20～40分钟；再将1.48g氢氧化钾(天津化学试剂厂)常温溶于50～80mL无水甲醇中；利用恒压滴定管将氢氧化钾的甲醇溶液逐滴加入到醋酸锌的甲醇溶液中，在5～10分钟内完成；溶液从开始滴加变浑浊，后逐渐成为半透明；反应80～100分钟后又变为浑浊；135分钟后结束反应；静置2～4h后倒掉上清液，利用50～80mL甲醇洗涤沉淀；重复上述倒掉上清液、甲醇洗涤沉淀步骤3～5次；将生成的ZnO纳米颗粒再超声分散在90～120mL甲醇溶液中形成透明的ZnO甲醇分散液；7)将0.3463g十二烷基三甲基溴化铵(CTAB国药试剂厂)于50～65℃下溶于7～8mL去离子水中；向上述CTAB水溶液中加入1.5～5mL、1mM的HAuCl4水溶液(国药试剂厂)，再向其内加入0.5～1mL、10mM的硼氢化钠(北京化学试剂厂)的冰水溶液，25～30℃下搅拌2～4小时制得种子溶液；另取250mL圆底烧瓶，加入4.317g的CTAB，并加入60～70mL去离子水溶解；接着加入50～60mL、1mM的HAuCl4水溶液；再向其内加入0.6～1.2mL、0.01mM的硝酸银水溶液(国药试剂厂)和0.55～1.1mL、2M的盐酸水溶液(天津化学试剂厂)，25～30℃下搅拌0.5～2小时获得生长溶液；最后取制备的种子溶液0.5～1mL、浓度为0.1M的抗坏血酸(AA，国药试剂厂)水溶液0.5～1mL加入到生长溶液中，25～30℃反应3～6小时，8000～12000rpm离心10～20分钟，去掉上层清夜获得Au纳米棒的溶胶；8)在ZnO的甲醇分散液中掺入质量分数为1～4wt％(ZnO和Au纳米棒溶胶的质量和)的Au纳米棒溶胶，超声处理15～30分钟得到Au纳米棒掺杂的ZnO溶液；将Au纳米棒掺杂的ZnO溶液旋涂到PTB7:PC71BM活性层上，旋涂速度为2000～4000rpm，旋涂时间为20～40秒，从而得到厚度为25～35nm的Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层；9)在压强为1×10-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池，其特征在于：自下而上依次由ITO导电玻璃阳极、PEDOT:PSS阳极修饰层、PTB7:PC71BM吸光活性层、Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层、Al阴极组成，Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层是在ZnO纳米颗粒的甲醇分散液中掺入是ZnO纳米颗粒和Au纳米棒溶胶质量和1～4wt％的Au纳米棒溶胶，并利用溶液旋涂的方式制备得到。
【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池，其特征在于：自下而上依次由ITO导电玻璃阳极、PEDOT:PSS阳极修饰层、PTB7:PC71BM吸光活性层、Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层、Al阴极组成，Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层是在ZnO纳米颗粒的甲醇分散液中掺入是ZnO纳米颗粒和Au纳米棒溶胶质量和1～4wt％的Au纳米棒溶胶，并利用溶液旋涂的方式制备得到。2.如权利要求1所述的一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池，其特征在于：在所制备的聚合物太阳能电池器件中，PEDOT:PSS阳极修饰层的厚度为40～50nm，PTB7：PC71BM吸光活性层的厚度为90～100nm，Au纳米棒掺杂的ZnO阴极修饰层的厚度为25～35nm，Al阴极的厚度为80～120nm。3.如权利要求1所述的一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池，其特征在于：Au纳米棒的横向尺寸为20～25nm，纵向尺寸为50～55nm。4.权利要求1所述的一种基于等离子体背散射效应提高能量转换效率的聚合物太阳能电池的制备方法，其步骤如下：1)将ITO导电玻璃用去污粉、去离子水、丙酮、异丙醇分别超声处理15～30分钟，然后用氮气吹干待用；2)将ITO导电玻璃衬底置于60～80℃下烘烤3～8分钟，冷却至室温后，用功率为150～200瓦的375nm紫外光处理衬底5～15分钟；3)在ITO导电玻璃衬底上，首先1000～1500rpm、3～8秒，然后4000～6000rpm、40～60秒旋涂PEDOT:PSS的水溶液，再在120～150℃条件下热退火处理20～40分钟得到厚度为40～50nm的PEDOT:PSS阳极修饰层；PEDOT:PSS水溶液在旋涂前需经过0.45微米尺寸的水相过滤头过滤；4)在室温条件下，将给体材料PTB7与受体材料PC71BM按照质量比1：1.5的比例溶于有机溶剂氯苯中，配制成给体浓度为5～15mg/mL的溶液，再向该溶液中加入体积分数最终为1～5％的1,8-二碘辛烷作为溶剂添加剂，然后在氮气气氛条件下搅拌24～48小时，得到PTB7:PC71BM活性层溶液；5)氮气气氛条件下，在PEDOT:PSS阳极修饰层上旋涂步骤4)所得的PTB7:PC71BM活性层溶液，旋涂转速为1000～1500rpm，旋涂时间为45～50
\t秒；然后在旋涂的PTB7:PC71BM活性层溶液上滴加150～300μL异丙醇，并于2000～3000rpm转速下旋涂20～40秒，从而制备出厚度为90～100nm的PTB7:PC71BM活性层；6)在Z...
【专利技术属性】
技术研发人员：温善鹏，王晨，阮圣平，郭文滨，沈亮，董玮，张歆东，周敬然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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