具有增强效率的聚合物太阳能电池利用由聚合物/富勒烯和Fe3O4纳米颗粒的复合物形成的活性层。在形成所述太阳能电池的过程中，所述复合物混合物经受外部磁场，所述外部磁场导致纳米颗粒将它们的磁偶极矩沿着磁场方向对齐，以便形成多个Fe3O4纳米链。这些纳米链用于调节聚合物/富勒烯的形态和相位分离，并且还用于通过纳米链的自旋极化来诱导内部电场，用于增加太阳能电池中的电荷分离和电荷输送过程，从而增加太阳能电池的短路电流密度(Jsc)和最终的光伏转换效率(PCE)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用对齐磁性纳米颗粒的增强效率聚合物太阳能电池相关申请的交叉引用本申请要求在2012年3月23日提交的美国临时专利申请号61/614,741的权益，此申请的内容以引用的方式并入本文。
总体上，本专利技术涉及聚合物太阳能电池。具体地说，本专利技术涉及使用对齐磁性纳米链的聚合物太阳能电池。更具体地说，本专利技术涉及使用对齐Fe3O4纳米链的聚合物太阳能电池，所述纳米链通过在所施加静磁场的存在下Fe3O4纳米颗粒的自组装来诱导，以提高太阳能电池的光电转换效率。
技术介绍
聚合物太阳能电池(PSC)有希望成为成本效益合算、重量轻的太阳能转换平台，它提供了优于无机硅太阳能电池的显著好处。已经开发新的材料组合和太阳能电池设计来实现具有提高的能量转换效率的本体异质结(BHJ)太阳能电池。具体地说，这样的努力集中于确定聚合物太阳能电池的转换效率的三个操作参数的改善，这些参数包括：开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和填充系数(FF)，其表示电流密度-电压特性曲线的曲率。迄今为止，聚合物太阳能电池(PSC)已达到约7-8％的能量转换效率，方法是减少形成太阳能电池的半导体聚合物的光学带隙和最高占据分子轨道(HOMO)，以及通过热和溶剂退火来优化聚合物太阳能电池的活性层的聚合物/富勒烯掺合薄膜的形态。虽然聚合物太阳能电池的开路电压(Voc)和填充系数(FF)参数几乎达到了与无机硅太阳能电池的水平相等的水平，但是相对于无机太阳能电池，聚合物太阳能电池的性能仍然较低，这是由于在无机和聚合物太阳能电池(PSC)之间存在的短路电流密度(Jsc)的性能差距。此外，因为聚合物太阳能电池(PSC)中的电荷载流子沿着整个内部收集通路经受界面重组，所以通过有机聚合物太阳能电池的电荷输送通常要比在无机太阳能电池中慢几个数量级。这样的界面重组是由有机材料在吸收光时产生的移动激发态或激子的形成所引起的，这与在无机太阳能电池中产生的自由电子-空穴(e-h)对是相反的。因此，由有机和无机太阳能电池呈现的基本物理过程是完全不同的。例如，在有机BHJ太阳能电池装置中的基本物理过程如下：来自太阳光的光子被吸收于太阳能电池内部并且激发供体，导致在太阳能电池单元的共轭聚合物活性层中产生激子。产生的激子开始在供体相内扩散，如果它们遇到与受体的界面，就会发生快速解离，从而导致电荷分离。横跨供体/受体(D/A)界面形成的所得亚稳态电子-空穴对被库仑束缚，并且需要电场来将它们分离成自由电荷。因此，在典型的操作条件下，聚合物太阳能电池的光子至自由电子的转换效率没有最大化。随后，在使用具有不同功函数的电极形成的内部电场的辅助下，分离的自由电子(空穴)被输送至阴极(阳极)，其中这些电子由电极收集并且被驱动至外部电路中。然而，如果激子距离供体/受体(D/A)界面太远而产生，那么激子可能衰减，从而导致发光。因此，激子应在界面的扩散长度范围内形成，所述扩散长度是有机BHJ太阳能电池的共轭聚合物相的大小的上限。正因为如此，存在有机光伏(OPV)装置诸如基于聚合物BHJ的太阳能电池中的有限能量转换效率的几个主要原因，包括：能量水平失准；光捕获和吸收不足；低激子扩散长度；电荷或电荷转移激子(CTE)的非辐射重组，它包括通过库仑引力束缚的受体的电子和供体的空穴；和低载流子迁移率。在最有效的聚合物-富勒烯有机光伏装置中，能量损耗的50％或更多是由电荷转移激子的重组而引起的。因此，需要一种能够通过利用对齐磁性纳米链，诸如Fe3O4纳米链(NC)来实现更高短路电流密度(Jsc)的有机聚合物太阳能电池，这些纳米链是在所施加垂直静磁场的存在下通过磁性纳米颗粒，如Fe3O4纳米颗粒(NP)的自组装来诱导的。此外，需要具有增加的光电转换效率(PCE)的有机聚合物太阳能电池。
技术实现思路
在鉴于上述情况，本专利技术的第一方面是提供一种太阳能电池，它包括：至少部分透光电极；布置在所述至少部分透光电极上的活性层，所述活性层由作为电子供体的至少一种共轭聚合物、作为电子受体的至少一种富勒烯，和由沿着它们的磁偶极矩对齐的Fe3O4纳米颗粒形成的Fe3O4纳米链的复合物形成；以及布置在所述活性层上的第二电极。本专利技术的另一个方面提供一种形成太阳能电池的方法，包括：提供至少部分透明的电极；提供作为电子供体的至少一种聚合物、作为电子受体的至少一种富勒烯和Fe3O4纳米颗粒的混合物；将所述混合物布置在所述至少部分透明的电极上，以形成活性层；使所述混合物暴露于磁场，以使得Fe3O4纳米链由Fe3O4纳米颗粒形成，并沿着它们的磁偶极矩是对齐的；以及将第二电极布置在所述活性层上。在本专利技术的另一个方面，太阳能电池包括：至少部分地透光电极；布置在所述至少部分透明电极上的活性层，所述活性层由至少一种电子供体、至少一种电子受体及沿着它们的磁偶极矩对齐的磁性纳米颗粒的复合物形成；和布置在所述活性层上的第二电极。在本专利技术的另一个方面，一种形成太阳能电池的方法包括：提供至少部分透光电极；提供至少一种聚合物、至少一种富勒烯和磁性纳米颗粒的混合物；将所述混合物布置在所述至少部分地透光衬底上以形成活性层；使所述混合物暴露于磁场，以使得所述磁性纳米颗粒沿着它们的磁偶极矩对齐；以及将第二电极布置在所述活性层上。附图说明参考以下描述、附加权利要求和附图将更好地理解本专利技术的这些和其它特征和优点，其中：图1是根据本专利技术的概念的聚合物太阳能电池的示意图；图2是用于形成根据本专利技术的概念的聚合物太阳能电池的活性层的与对齐Fe3O4纳米链组合使用的聚合物/富勒烯复合材料的示意图；图3是展示根据本专利技术概念在聚合物太阳能电池中通过将Fe3O4纳米颗粒极化来诱导的外部磁场对齐Fe3O4纳米链的示意图；图3A是展示根据本专利技术的概念在暴露于磁场时在太阳能电池的活性层的聚合物/富勒烯复合物中形成通道的对齐磁性纳米颗粒的示意图；图4A是根据本专利技术的概念由原始P3HT:PC61BM形成的活性层的TEM(透射电子显微镜)图像的示意图；图4B是根据本专利技术的概念由P3HT:PC61BM+Fe3O4形成的活性层的TEM(透射电子显微镜)图像的示意图；图4C是根据本专利技术的概念由通过外部磁场对齐的P3HT:PC61BM纳米链形成的活性层的TEM(透射电子显微镜)图像的示意图；图5A是展示根据本专利技术的概念使用原始PTB7-F20:PC71BM活性层、没有外部磁场对齐处理的PTB7-F20:PC71+Fe3O4活性层和具有外部磁场对齐处理的PTB7-F20:PC71BM+Fe3O4活性层的聚合物太阳能电池在照明条件下的J-V曲线的图；图5B是展示根据本专利技术的概念使用原始PTB7-F20:PC71BM活性层、没有外部磁场对齐处理的PTB7-F20:PC71+Fe3O4活性层和具有外部磁场对齐处理的PTB7-F20:PC71BM+Fe3O4活性层的聚合物太阳能电池在黑暗条件下的J-V曲线的图；图6A是展示根据本专利技术的概念使用原始P3HT:PC61BM活性层、没有外部磁场对齐处理的P3HT:PC61BM+Fe3O4活性层和具有外部磁场对齐处理的P3HT:PC61BM+Fe3O4活性层的聚合物太阳能电池在照明条件下的J-V曲线的图；图6B是展示根据本专利技术的概念使用原始P3HT:PC61BM活性层、没有外本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种太阳能电池，其包括：至少部分透光电极；布置在所述至少部分透光电极上的活性层，所述活性层由作为电子供体的至少一种共轭聚合物、作为电子受体的至少一种富勒烯，和由沿着它们的磁偶极矩对齐的Fe3O4纳米颗粒形成的Fe3O4纳米链的复合物形成；以及布置在所述活性层上的第二电极。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.23 US 61/614,741;2013.03.25 US 13/850,1951.一种形成太阳能电池的方法，其包括：提供至少部分透光电极；提供作为电子供体的至少一种聚合物、作为电子受体的至少一种富勒烯和多个磁性纳米颗粒的混合物；将所述混合物布置在所述至少部分透光电极上以形成活性层；施加垂直的、且基本上垂直于所述至少部分透光电极和所述活性层的磁场，以使得所述多个磁性纳米颗粒形成至少一条链；以及将基体电极布置在所述活性层上，其中所述至少一条链连接所述至少部分透光电极和所述基体电极。2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一条链是线性的。3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种聚合物选自由以下组成的组：聚(3-己基噻吩)(P3HT)和噻吩并[3,4-b]噻吩苯并二噻吩(PTB7-F20)。4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种富勒烯选自由以下组成的组：噻吩并[3,4-b]噻吩苯并二噻吩(PC61BM)和苯基-c71-丁酸甲酯(PC71BM)。5.如权利要求1所述的方法，其中所述至少部分透光电极包括铟锡氧化物(ITO)。6.如权利要求1所述的方法，其中所述基体电极包含钙和铝的复合物。7.如权利要求1所述的方法，其中所述磁场的第一极靠近所述活性层的顶面，所述磁场的第二极靠近所述至少部分透光电极的底面。8.如权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：巩雄，
申请(专利权)人：阿克伦大学，
类型：发明
国别省市：美国;US
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