双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种双重等离激元增强的有机光伏电池及其制备方法，所述有机光伏电池包括透明导电衬底、银纳米颗粒、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，其制备方法包括：超声清洗透明导电衬底、烘干；在ITO薄膜上蒸镀纳米银膜并对其进行退火，然后旋涂PEDOT水溶液，空气中退火固化，以形成空穴传输层；再在其上面旋涂金棒水溶液，加热固化；在手套箱中，旋涂活性层溶液以形成有机活性层；通过热蒸发方法镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火。本发明专利技术通过对纳米银膜进行退火以在ITO薄膜上形成银纳米颗粒，并通过旋涂法在空穴传输层与活性层界面掺杂金纳米棒，工艺简单、易于大面积生产，能改善电池性能。

【技术实现步骤摘要】
双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法
本专利技术涉及一种双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法，既属于薄膜材料与器件领域。
技术介绍
人类进入二十一世纪以来，能源与环境已成为全球关注的焦点。世界各国都在开发绿色环保的新能源。太阳能的开发和利用是人类解决能源危机的有效途径之一。硅基太阳能电池已有广泛的应用,但硅的提纯对环境是一个重污染过程。多元化合物薄膜太阳能电池由于材料中含镉，会对环境造成严重的污染，因此，并非晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。而有机太阳能电池因具备成本低、轻便、可柔性、易加工、可大面积生产等优点受到广泛关注，近十几年以来，发展迅速，但要真正实现商业化，其光电转换效率还需要进一步提高。一般而言，在有机太阳能电池中，吸收层膜厚越大，光吸收则越强。然而在有机太阳能电池中，有机材料载流子迁移率相对较低、激子扩散长度短的特性限制了吸收层的厚度，导致活性层的厚度只可折中选择在100~200nm之间。为了充分利用太阳光谱，增强电池的光吸收，研究人员探索各种可应用于太阳能电池中的光捕获技术，比如：制备叠层结构的电池，使电池的吸收光谱与太阳光谱更加匹配；或制备绒面、微槽面等具有更大光接收面积的特殊表面结构等，使电池的光吸收增强。其中，在电池中引入利用金属纳米结构也成为众多研究者们研究的热点。对于金属纳米颗粒而言(如：Au，Ag，Cu，Ni等)，其在电池中增强光吸收的机制主要有两种：其一是由金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应引起的近场增强性质，即在当入射光的频率与其吸收光的频率相互匹配时，金属表面的自由电子将发生共振，金属表面的局域电磁场将会增强，近场耦合到光吸收层，增加其有效光吸收截面，并由此增加激子解离，进而电池的光吸收得到增强；其二是局域表面等离子体共振效应引起的远场散射，即一定尺寸的金属纳米颗粒可以散射光，将光散射到活性层中的各个位置，从而增加光在活性层中的光程，也可以达到增强光吸收的目的，从而提高电池的光电流。到目前为止，国内外的研究者们对金属纳米颗粒在有机太阳能电池中的应用开展了一系列研究，将其掺杂于电池中的活性层，传输层或者它们之间的界面，电池性能得到了不同程度的改善。为了进一步改善电池光电性能、提高电池效率，在电池中引入双重等离子体也是一种有效手段。由于双重等离子体可以利用上述不止一种机制，对电池的性能将有更多影响。
技术实现思路
针对上述金属纳米颗粒对于电池效率提高的现状，本专利技术所要提供的是一种金纳米棒和银纳米颗粒共掺杂的双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法，得到的光伏电池成本低廉、稳定、耐腐蚀性较好，保护环境，易于大面积生产。本专利技术提供的技术方案是：一种双重等离子体增强的有机光伏电池，包括氧化物透明导电衬底、银纳米颗粒、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，所述银纳米颗粒是通过真空蒸镀和退火技术掺杂于透明导电衬底和空穴传输层之间的界面，金纳米棒是通过旋涂法掺杂于空穴传输层和活性层之间的界面。所述氧化物透明导电衬底为ITO导电玻璃、ITO透明柔性塑料、FTO导电玻璃、FTO透明柔性塑料、AZO导电玻璃、AZO透明柔性塑料、ITAZO导电玻璃、ITAZO透明柔性塑料中的任意一种。所述空穴传输层是PEDOT:PSS薄膜。所述有机活性层为P3HT:PCBM（由聚3-已基噻吩和C60衍生物组成的混合溶液作为活性层）。所述金属电极为Al电极或Ag电极。本专利技术还提供了上述双重等离子体增强的有机光伏电池的制备方法，包括：（1）清洗透明导电衬底并烘干；（2）通过真空蒸镀技术在透明导电衬底沉积纳米银膜，在氩气氛围下对其进行退火以得到银纳米颗粒；（3）利用旋涂法制备PEDOT:PSS空穴传输层，退火固化；（4）通过旋涂法将金纳米棒掺杂于空穴传输层与活性层界面，加热固化；（5）P3HT(聚3-已基噻吩)与PCBM(C60衍生物)以一定的比例溶解于一定量的氯苯溶剂中，搅拌48小时待用。通过旋涂活性层溶液形成电池的有机活性层。（6）在活性层表面蒸镀金属电极，并在惰性气体保护下对器件进行后退火处理（150℃下退火15min）。本专利技术的显著优点在于：（1）本专利技术制备的有机光伏电池成本低廉、工艺简单、易于大面积生产，金纳米棒和银纳米颗粒共掺杂的双重等离子体能够显著改善电池的性能。（2）本专利技术将银纳米颗粒和金纳米棒的双重等离子体共同掺杂于电池中，电池的短路电流、填充因子和光电转换效率都得到显著的提高。（3）本专利技术可用于改善有机太阳能电池的性能，使得有机太阳能电池在光照下将光能更高效地转换为电能。附图说明图1为未掺杂金属纳米颗粒的有机太阳能电池结构示意图；1-透明导电玻璃，2-PEDOT:PSS薄膜，3-P3HT:PCBM光活性层，4-铝电极(或银电极)；图2为掺杂银纳米颗粒的有机太阳能电池结构示意图；1-透明导电玻璃，2-银纳米颗粒，3-PEDOT:PSS薄膜，4-P3HT:PCBM光活性层，5-铝电极(或银电极)；图3掺杂金纳米棒的有机太阳能电池结构示意图；1-透明导电玻璃，2-PEDOT:PSS薄膜，3-金纳米棒，4-P3HT:PCBM光活性层，5-铝电极(或银电极)；图4为双重等离子体增强的有机太阳能电池结构示意图；1-透明导电玻璃，2-银纳米颗粒，3-PEDOT:PSS薄膜，4-金纳米棒，5-P3HT:PCBM光活性层，6-铝电极(或银电极)；图5为未掺杂金属纳米颗粒的有机太阳能电池J-V特性曲线。图6为掺杂银纳米颗粒的有机太阳能电池J-V特性曲线。图7为掺杂金纳米棒的有机太阳能电池J-V特性曲线。图8为双重等离子体增强的有机太阳能电池J-V特性曲线。具体实施方式本专利技术双重等离子体增强的有机光伏电池可采用下述步骤制备：1金纳米棒的合成本专利技术中金纳米棒的合成方法是经典的种子生长法:（1）缓慢搅拌（转速为600rpm）10mL0.1MCTAB（十六烷基三甲基溴化铵）溶液，同时往其中加入0.25mL0.01MHAuCl4溶液，使其混合均匀。（2）将转速调节至1500rpm，将0.6mL0.01M新制的冰NaBH4溶液加入混合溶液，剧烈搅拌持续2min。（3）在温和搅拌下（500rpm），往40mL0.1MCTAB溶液依次加入2mL0.01MHAuCl4和0.2mL0.01MAgNO3，接着用1MHCl调节溶液PH值至1-2。最后，用0.32mL0.1MAA（抗坏血酸）还原混合溶液得到无色的生长液。（4）金种溶液静置2h后，将孵育好的金种加入到生长液中，温和搅拌10s，30℃水浴静置24h，使其充分生长。（5）合成好的金纳米棒溶液用去离子水离心清洗三次以去除残留的表面活性剂和反应剩余物（离心参数为9000rpm，15min），最后均匀分散在去离子水中，室温下避光保存备用。2衬底处理依次用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗ITO透明导电玻璃20min，100℃烤箱中烘烤1h备用。3银纳米颗粒的沉积（1）将ITO透明导电玻璃衬底和银线置于蒸发机腔室内，用机械泵和分子泵对腔室抽真空。当真空度达到8*10-4Pa以下，通过电阻加热的方式对银线加热，使其蒸发形成气相原子，沉积在透明导电衬底上而形成纳米银膜。（2）将沉积了纳米银膜的透明导电衬底置于氩气氛围中，300℃退火10min以形成尺寸均一的银纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双重等离子体增强的有机光伏电池，包括氧化物透明导电衬底、银纳米颗粒、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，其特征是：所述银纳米颗粒是通过对沉积在ITO薄膜上的纳米银膜进行退火而得，金纳米棒通过旋涂法掺杂于空穴传输层与活性层之间的界面。

【技术特征摘要】
1.双重等离子体增强的有机光伏电池，包括氧化物透明导电衬底、银纳米颗粒、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，其特征是：所述银纳米颗粒是通过对沉积在ITO薄膜上的纳米银膜进行退火而得，金纳米棒通过旋涂法掺杂于空穴传输层与活性层之间的界面。2.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征是：所述氧化物透明导电衬底为ITO导电玻璃、ITO透明柔性塑料、FTO导电玻璃、FTO透明柔性塑料、AZO导电玻璃、AZO透明柔性塑料、ITAZO导电玻璃、ITAZO透明柔性塑料中的任意一种。3.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征是：所述空穴传输层为PEDOT:PSS薄膜。4.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征是：所述有机活性层为P3HT:PCBM。5.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征是：金属电极为Al电极或Ag电极。6.一种制备如权利要求1~5任一项所述的双重等离子体增强的有机光伏电池的方法，其特征是：包括以下步骤：（1）清洗氧化物透明导电衬底并烘干；（2）通过真空蒸镀技术在氧化物透明导电基底上沉积纳米银膜，并对纳米银膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑巧，程树英，俞思敏，金蒙佳，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35