一种多元有机/无机杂化太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多元有机/无机杂化太阳电池及其制备方法，电池效率达到6.38%；电池组成包括有玻璃衬基、作为阳极的ITO层、ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列、LiTFSI-MEH-PPV掺杂聚合物层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池阴极的Au膜层。本发明专利技术中材料和器件的制备方法简便，无机纳米阵列的生长可控，聚合物的纳米级掺杂在溶液中定量完成；本发明专利技术技术适合大规模应用，在光伏材料和低价太阳电池器件等领域具有很大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种多元有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
：本专利技术涉及纳米材料和能源领域，确切地说是一种具有互补性能的多组分有机/无机杂化太阳电池及其制备方法。
技术介绍
：由有机共轭聚合物（给体材料,简称D）和无机半导体纳米结构（受体材料，简称A）组成的聚合物太阳电池是一种新型的有机/无机杂化太阳电池。由于其兼具聚合物（重量轻、柔韧性好、易大面积低价成膜等）和无机半导体材料（载流子迁移率高、性质稳定、结构易控制等）的优点，近年来成为低价太阳电池中的重要研究对象。此类杂化电池的活性层通常采用平板和体型两种结构。平板结构是将D和A的膜层相继沉积到电极上，形成二维D/A界面。体型结构是将无机纳米材料分散到聚合物中，从而形成三维D/A界面。体型结构通常具有较高的D/A界面面积，这有利于激子的分离；此外，体型结构的D和A通常形成纳米尺度的双连续互穿网络结构，从而解决了常见聚合物中因激子扩散长度较短（小于20nm）(Phys.Rev.B.2005,72,045217；Nanoscale2011,446-489)而导致的激子无法有效利用的问题。目前，采用聚合物/CdTe平板和体型结构相结合（EnergyEnviron.Sci.2013,6,1597-1603）或聚合物/Sb2S3敏化TiO2多孔膜体型结构（NanoLett.2010,10,2609-2612）已经实现了能量转换效率（η）为5%左右的电池器件。用一维无机纳米棒（或线）阵列取代纳米颗粒与有机聚合物形成的复合结构是一种理想的有机/无机杂化太阳电池结构形式（Chem.Rev.2007,107,1324-1338；EnergyEnviron.Sci.2010,3,1851-1864;Adv.Mater.2011,23,1810-1828；EnergyEnviron.Sci.2011,4,2700-2720）。首先，纳米结构阵列可以提供直接的电子传输通道，使光生电子沿着取向生长的纳米阵列直接输运到收集电极上，减少电荷的复合；其次，在这种复合结构中，既可以获得较大的电荷分离界面面积，又可以克服聚合物中激子有效扩散长度短的缺点，提高了聚合物中激子的利用效率；再者，预先生长在衬基上的阵列，可以保持有机/无机界面和电荷传输通道在三维空间的稳定分布。ZnO纳米棒或线阵列（简称，ZnO-NA）具有许多优点，例如，性质稳定、环境友好、电子迁移率高及容易由简单的方法实现大面积制备等，是目前此类取向结构杂化太阳电池中使用最多的一种材料（EnergyEnviron.Sci.2009,2,19-34；Adv.Mater.2011,23,1810-1828；EnergyEnviron.Sci.2011,4,2700-2720）。然而，ZnO-NA与聚合物组成的是活性层仅含两种组分(即，ZnO和聚合物)的二元杂化太阳电池（简称，聚合物/ZnO-NA电池），其效率η比较低（大都在0.2%-0.5%），主要是由于较低的开路电压（Voc）（大都在0.1-0.5V）和较窄的聚合物吸收谱带（400-600nm）以及较低的填充因子（FF）(大都在30%左右)造成的。本专利技术人课题组通过逐次离子层吸附和反应（successiveionlayeradsorptionandreaction,SILAR）技术和非晶沉积与热结晶联用技术分别在ZnO-NA上沉积CdS量子点与Sb2S3纳米颗粒，得到由ZnO、CdS和Sb2S3组成的三元无机组分纳米棒阵列（简称，ZnO-CdS-Sb2S3-NA），并将ZnO-CdS-Sb2S3-NA与聚合物MEH-PPV复合制成了新型的活性层含四种组分(即，ZnO、CdS、Sb2S3和MEH-PPV)的四元杂化太阳电池（简称，MEH-PPV/ZnO-CdS-Sb2S3-NA电池）；与相应的MEH-PPV/ZnO-NA电池比较，MEH-PPV/ZnO-CdS-Sb2S3-NA电池的性能得到显著改善，例如，Voc从0.33V提高至0.73V，Jsc从1.15mA/cm2提高至15.46mA/cm2及η从0.12%提高至3.32%【中国专利技术专利（申请）号：201310019859.2】。但是，我们的现有技术中MEH-PPV/ZnO-CdS-Sb2S3-NA电池的FF依然很低（～30%），成为严重制约电池效率的因素。另外，用双三氟甲基磺酰亚胺锂（简称，LiTFSI）掺杂MEH-PPV以提高太阳电池的性能已有报道。在将MEH-PPV沉积到TiO2多孔膜上制成的平板型杂化太阳电池中，Barkhouse等（Org.Electron.2010,11,649-657）利用LiTFSI对电池材料进行掺杂，他们的技术特点是通过TiO2多孔膜预先吸附LiTFSI、或在MEH-PPV膜层上旋涂一层LiTFSI、或在MEH-PPV成膜前将LiTFSI的特丁基吡啶（TBP）溶液加入到MEH-PPV的氯苯溶液中。本专利技术人课题组（Bi等，Sol.Energy2011,85,2819-2825）通过向MEH-PPV的氯苯溶液中加入LiTFSI的乙腈溶液来实现MEH-PPV的LiTFSI掺杂（在本专利技术中我们进一步揭示出该技术得到的是微米级掺杂），但这种掺杂技术仅对MEH-PPV/ZnO-NA电池的Jsc有一定的提高,而对电池的FF作用不明显。
技术实现思路
：本专利技术的目的是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高效、成本较低、工艺简单、便于大面积制作的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：所述的一种多元有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：包括有玻璃衬基、作为阳极的ITO层、ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列、LiTFSI-MEH-PPV层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池的阴极的Au膜层；所述的ITO层镀在玻璃衬基上作为电池的阳极，以垂直生长于ITO层之上的ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列为电池的电子传输通道，用LiTFSI-MEH-PPV为主要的光吸收材料,而CdS和Sb2S3为辅助吸光材料，LiTFSI-MEH-PPV填充到ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒的间隙之中，同时在ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列上方形成LiTFSI-MEH-PPV膜层，在LiTFSI-MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS作为空穴传输层，在空穴传输层上沉积Au膜作为电池的阴极；所述的ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒由Sb2S3壳层、CdS中间壳层、ZnO纳米棒组成，所述的CdS中间壳层外包覆着Sb2S3壳层；所述的LiTFSI-MEH-PPV层由LiTFSI掺杂的MEH-PPV组成。所述的一种多元有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：ITO层的厚度为50-200nm，ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列的长度为150-700nm、直径为20-90nm、棒的数量密度为3-6×102个/μm2，CdS中间壳层的厚度为5-7nm，Sb2S3外壳层的厚度为5-10nm，位于ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列上方的LiTFSI-MEH-PPV膜层厚度为30-200nm，PEDOT:PSS空穴传输层厚度为40-80nm，Au膜厚度为60-120nm；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：包括有玻璃衬基、作为阳极的ITO层、ZnO‑CdS‑Sb2S3三组分纳米棒阵列、LiTFSI‑MEH‑PPV层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池的阴极的Au膜层；所述的ITO层镀在玻璃衬基上作为电池的阳极，以垂直生长于ITO层之上的ZnO‑CdS‑Sb2S3三组分纳米棒阵列为电池的电子传输通道，用LiTFSI‑MEH‑PPV为主要的光吸收材料,而CdS和Sb2S3为辅助吸光材料，LiTFSI‑MEH‑PPV填充到ZnO‑CdS‑Sb2S3三组分纳米棒的间隙之中，同时在ZnO‑CdS‑Sb2S3三组分纳米棒阵列上方形成LiTFSI‑MEH‑PPV膜层，在LiTFSI‑MEH‑PPV膜层上沉积PEDOT:PSS作为空穴传输层，在空穴传输层上沉积Au膜作为电池的阴极；所述的ZnO‑CdS‑Sb2S3三组分纳米棒由Sb2S3壳层、CdS中间壳层、ZnO纳米棒组成；所述的CdS中间壳层外包覆着Sb2S3壳层；所述的LiTFSI‑MEH‑PPV层由LiTFSI掺杂的MEH‑PPV组成。

【技术特征摘要】
1.一种多元有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：包括有玻璃衬基、作为阳极的ITO层、ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列、LiTFSI-MEH-PPV层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池的阴极的Au膜层；所述的ITO层镀在玻璃衬基上作为电池的阳极，以垂直生长于ITO层之上的ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列为电池的电子传输通道，用LiTFSI-MEH-PPV为主要的光吸收材料，而CdS和Sb2S3为辅助吸光材料，LiTFSI-MEH-PPV填充到ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒的间隙之中，同时在ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列上方形成LiTFSI-MEH-PPV膜层，在LiTFSI-MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS作为空穴传输层，在空穴传输层上沉积Au膜作为电池的阴极；所述的ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒由Sb2S3壳层、CdS中间壳层、ZnO纳米棒组成；所述的CdS中间壳层外包覆着Sb2S3壳层；所述的LiTFSI-MEH-PPV层由TBP和纳米级LiTFSI掺杂的MEH-PPV组成。2.根据权利要求1所述的一种多元有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：ITO层的厚度为50-200nm，ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列的长度为150-700nm、直径为20-90nm、棒的数量密度为3-6×102个/μm2，CdS中间壳层的厚度为5-7nm，Sb2S3外壳层的厚度为5-10nm，位于ZnO-CdS-Sb2S3三组分纳米棒阵列上方的LiTFSI-MEH-PPV膜层厚度为30-200nm，PEDOT:PSS空穴传输层厚度为40-80nm，Au膜厚度为60-120nm；所述的LiTFSI-MEH-PPV中LiTFSI和MEH-PPV的重量比为0.05-1:1且LiTFSI和TBP的摩尔比为1:10-40。3.根据权利要求1所述的一种多元有机/无机杂化太阳电池，其特征在于：所述的空穴传输层由在LiTFSI-MEH-PPV膜层上沉积PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液而得，所述的PEDOT:PSS和异丙醇的体积比为1:0.5-1.5。4.一种权利要求1所述的一种多元有机/无机杂化太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：A、将ITO导电玻璃上的ITO层用浓度为5.5-6.5mol/L的盐酸和Zn粉刻蚀成细条，再经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，干燥后得经过处理的ITO导电玻璃；将0.12-0.20克醋酸锌溶解于0.8-1.2克水中，待完全溶解后加入3-5毫无水乙醇，再滴加80-120微升冰醋酸，将得到的混合物在室温下搅拌1.8-2.2小时，再将所得的无色澄清透明溶液旋涂于经过处理的ITO导电玻璃上，得到均匀的醋酸锌薄膜，然后在马弗炉中于320-380℃下煅烧18-22分钟，得到覆盖在ITO导电基片上的ZnO致密薄膜，将其置于0.02-0.06mol/L的六水合硝酸锌和0.02-0.06mol/L的六亚甲基四胺组成的水溶液中，密封后于85-95℃烘箱中反应1-3小时，得到ZnO纳米棒阵列；B、分别配置浓度为0.5-1.5×10-2mol/L的Cd(NO3)2水溶液和浓度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长文，王命泰，邱泽亮，
申请(专利权)人：中国科学院等离子体物理研究所，
类型：发明
国别省市：安徽;34