一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池及其制作方法技术

本发明专利技术涉及有机太阳能电池制作领域，具体是一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池及其制作方法。一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池，由阳极层、空穴传输层、金属纳米颗粒层、活性层、电子传输层、阴极层组成，金属纳米颗粒层为面密度为每平方微米5±0.5个的空心金银合金三角纳米盒。与传统太阳能电池相比，短路电流密度提高了12.78%，功率转换效率提高了8.38%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有机太阳能电池制作领域，具体是一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池及其制作方法。
技术介绍
有机太阳能电池（OSCs）相比于无机太阳能电池具有诸多优点，如材料来源广泛、制备工艺简单、成本低、可在柔性衬底上制备等，有望成为解决能源危机的一种重要手段。目前，限制有机太阳能电池发展的主要问题在于较低的功率转换效率，原因在于光吸收厚度与载流子传输距离之间的失配使得活性层无法做的很厚，致使大量的太阳光被器件反射回入射空间。对于传统的平板型有机太阳能电池器件，其陷光机制是基于多层膜的腔共振效应，增加活性层厚度可以使电池工作在高阶腔共振模式下，相应地，活性层的光吸收效率与低阶腔共振时相比会更高，但是活性层太厚会严重影响载流子的传输和收集，从而降低器件的功率转换效率。因此，在不增加活性层厚度的基础上，引入陷光单元以提高活性层的光吸收成为解决OSCs效率低的关键手段。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：如何在不增加活性层厚度的前提条件下提高有机太阳能电池光吸收效率。本专利技术所采用的技术方案是：一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池，由阳极层、空穴传输层、金属纳米颗粒层、活性层、电子传输层、阴极层组成，阳极层为铟锡氧化物ITO，空穴传输层为厚度为30±0.2纳米的PEDOT:PSS，金属纳米颗粒层为面密度为每平方微米5±0.5个的空心金银合金三角纳米盒，空心金银合金三角纳米盒边长为50±6纳米，厚度为12±1.2纳米，活性层为厚度为100±0.2纳米的PTB7:PC70BM，电子传输层为厚度为10±0.2纳米的ZnO纳米颗粒层，阴极层为铝。一种制作掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池的方法，按照如下的步骤进行：步骤一、活性层溶液配制，将10毫克PTB7（[poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)-carbonyl]-thieno-[3,4-b]thiophenediyl]）、15毫克PC70BM（[6,6]-phenyl-C70-butyric-acid-methyl-ester]）、1300微升氯苯CB、39微升1,8-二碘辛烷DIO混合后在60℃温度下搅拌均匀，获得活性层溶液；步骤二、空心金银合金三角纳米盒溶液制备，在搅拌条件下，将0.25毫升500毫克/升的PSSS、0.3毫升10毫摩尔/升的NaBH4加入5毫升2.5毫摩尔/升的柠檬酸三纳中，然后以2毫升/分钟的速率将5毫升0.5毫摩尔/升的AgNO3溶液添加到上述混合溶液中，观察到溶液从原先的透明无色慢慢变成棕黄色，完成制备种子溶液，搅拌条件下，在5毫升去离子水中加入75微升10毫摩尔/升的AA，接着加入100微升的种子溶液，然后以1毫升/分钟的速率加入3毫升0.5毫摩尔/升的AgNO3完成银三角溶液制备，将400微升10毫摩尔/升的AA加入上述银三角溶液中，再用注射泵以1毫升/分钟的速率加入4毫升0.5毫摩尔/升的HAuCl4，5分钟后，制得空心金银合金三角纳米盒溶液，然后用离心机以6500转/分钟的速度离心15分钟，再用乙醇反复以6500转/分钟的速度离心提纯三遍，并用乙醇调节空心金银合金三角纳米盒浓度为0.5毫摩尔/升，此时金属纳米颗粒的偶极共振峰位于730±10纳米，即为所需的空心金银合金三角纳米盒溶液；步骤三、把氧化铟锡导电玻璃清洗干净后，用紫外光进行照射处理后作为阳极层，在阳极层上旋涂厚度为30±0.2纳米的PEDOT:PSS层形成空穴传输层，在空穴传输层上旋涂空心金银合金三角纳米盒溶液，形成面密度为每平方微米5±0.5个纳米盒的金属纳米颗粒层（金属纳米颗粒层厚度上没有严格要求，只要满足面密度为每平方微米5±0.5个纳米盒即可，从节省原料的角度考虑，达到能够加工的最小厚度即可），在金属纳米颗粒层上旋涂100±0.2纳米的PTB7:PC70BM层作为活性层，在活性层上旋涂10±0.2纳米厚的ZnO纳米颗粒，作为电子传输层，在ZnO层上蒸镀厚度为100±0.2纳米的铝，作为阴极层。作为一种优选方式：步骤三中，旋涂了PEDOT:PSS层后置于加热台上，120℃下退火15分钟，之后常温静置至少5分钟，然后再在PEDOT:PSS层上旋涂金属纳米颗粒层。作为一种优选方式：在空穴传输层上旋涂空心金银合金三角纳米盒溶液，以速率为1000转/分钟的转速旋涂，旋涂完成后置于加热台上，120℃下退火10分钟，之后常温静置3分钟以上，然后再在金属纳米颗粒层上旋涂活性层。本专利技术的有益效果是：本专利技术在空穴传输层和活性层之间掺入空心金银合金三角纳米盒，在不增加活性层厚度的条件下，通过激发金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应以提高光吸收，进而获得高效率的太阳能电池，相对于未掺颗粒的器件，可以明显地增加电池的短路电流，从而提高其功率转换效率。本专利技术中设计的有机太阳能电池的短路电流密度为15.01毫安/厘米2，开路电压为0.752伏，填充因子为63.40%，功率转换效率为7.11%。与传统太阳能电池相比，短路电流密度提高了12.78%，功率转换效率提高了8.38%。由此可见，本专利技术有机太阳能电池相比于传统太阳能电池性能有提高。附图说明图1：本专利技术光照态电路密度-电压特性曲线；图2：本专利技术外量子效率；图3：本专利技术紫外-可见吸收光谱。具体实施方式本专利技术所使用的材料有：柠檬酸三纳，[Poly(sodium4-styrenesulfonate)]（PSSS），硼氢化钠（NaBH4），硝酸银（AgNO3）,抗坏血酸（AA），氯金酸（HAuCl4），Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)（PEDOT:PSS），氯苯（CB），1,8-二碘辛烷（DIO），poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)-carbonyl]-thieno-[3,4-b]thiophenediyl（PTB7），[6,6]-phenyl-C70-butyric-acid-methyl-ester（PC70BM），氧化锌（ZnO），铝，雕牌洗洁精（成分为软化水、表面活性剂、维生素E酯、柠檬精华），十二烷基硫酸钠（SDS），去离子水，乙醇，丙酮，异丙醇。其组合用量如下：柠檬酸三纳：5毫升PSSS：0.25毫升NaBH4：0.3毫升AgNO3：8毫升AA：75微升HAuCl4：4毫升PEDOT:PSS：1毫升CB：1300微升DIO:39微升PTB7：10毫克±1毫克PC70BM：15毫克±1毫克氧化锌溶液：70微升铝：Ag10g±0.01克洗洁精：2±0.5毫升十二烷基硫酸钠（SDS）：1±0.5克去离子水（H2O）：2000毫升丙酮（CH3COCH3）：250毫升乙醇：500毫升导电玻璃（氧化铟锡ITO）：25毫摩尔/升×25毫摩尔/升×1毫摩尔/升本专利技术有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池，由阳极层、空穴传输层、金属纳米颗粒层、活性层、电子传输层、阴极层组成，其特征在于：阳极层为铟锡氧化物ITO，空穴传输层为厚度为30±0.2纳米的PEDOT:PSS，金属纳米颗粒层为面密度为每平方微米5±0.5个的空心金银合金三角纳米盒，活性层为厚度为100±0.2纳米的PTB7:PC70BM，电子传输层为厚度为10±0.2纳米的ZnO纳米颗粒层，阴极层为铝。

【技术特征摘要】
1.一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池，由阳极层、空穴传输层、金属纳米颗粒层、活性层、电子传输层、阴极层组成，其特征在于：阳极层为铟锡氧化物ITO，空穴传输层为厚度为30±0.2纳米的PEDOT:PSS，金属纳米颗粒层为面密度为每平方微米5±0.5个的空心金银合金三角纳米盒，活性层为厚度为100±0.2纳米的PTB7:PC70BM，电子传输层为厚度为10±0.2纳米的ZnO纳米颗粒层，阴极层为铝。2.一种制作权利要求1所述掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池的方法，其特征在于按照如下的步骤进行：步骤一、活性层溶液配制，将10毫克PTB7、15毫克PC70BM、1300微升氯苯CB、39微升1,8-二碘辛烷DIO混合后在60℃温度下搅拌均匀，获得活性层溶液；步骤二、空心金银合金三角纳米盒溶液制备，在搅拌条件下，将0.25毫升500毫克/升的PSSS、0.3毫升10毫摩尔/升的NaBH4加入5毫升2.5毫摩尔/升的柠檬酸三纳中，然后以2毫升/分钟的速率将5毫升0.5毫摩尔/升的AgNO3溶液添加到上述混合溶液中，观察到溶液从原先的透明无色慢慢变成棕黄色，完成制备种子溶液，搅拌条件下，在5毫升去离子水中加入75微升10毫摩尔/升的AA，接着加入100微升的种子溶液，然后以1毫升/分钟的速率加入3毫升0.5毫摩尔/升的AgNO3完成银三角溶液制备，将400c微升10毫摩尔/升的AA加入上述银三角溶液中，再用注射泵以1毫升/分钟的速率加入4毫升0.5毫摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔艳霞，刘定坤，梁强兵，李国辉，郝玉英，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14