一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池及其制备方法技术

一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池技术领域。本发明专利技术所述的一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底/TiO2电子传输层/Au‑Ag核壳结构纳米粒子掺杂的活性层/Ag‑Au核壳结构纳米粒子层/MoO3空穴传输层/Ag阳极组成。本发明专利技术工艺简单，器件制备过程基于溶液方法，低能耗，成本低，不产生有害副产物，易于操作。有效提高有机太阳能电池的效率，为未来有机太阳能电池的发展有很大借鉴意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机太阳能电池
，具体涉及一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
近年来有机太阳能电池以其柔性、可弯曲、低成本、可以采用印刷技术大面积生产等优点得到大量研究报道，并且基于共混体系的反型有机太阳能电池已经获得较高的能量转换效率。但是，较窄的吸收光谱，激子复合、载流子传输不平衡等仍然限制着有机太阳能电池的大规模商业化推广。为克服这些缺点，研究人员尝试多种方法，例如：寻找新的宽吸收谱的聚合物，发展新的电子与空穴传输层，进行纳米粒子与量子点掺杂以及界面修饰等。通过在有机太阳能电池中引入金银纳米粒子，利用纳米粒子材料表面等离子体共振效应增强光吸收已经被证明是一种提高器件特性的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池及其制备方法本专利技术所述的一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底/TiO2电子传输层/Au-Ag核壳结构纳米粒子掺杂的活性层/Ag-Au核壳结构纳米粒子层/MoO3空穴传输层/Ag阳极组成，即结构为玻璃/ITO/TiO2/Au-Ag:PTB7:PCBM/Ag-Au/MoO3/Ag。本专利技术通过在由PTB7作为给体材料，PCBM作为受体材料组成的活性层中掺杂Au-Ag核壳结构纳米粒子，利用其表面等离子体共振效应增强光吸收，进而提高器件对太阳光的利用，同时在活性层上方旋涂Ag-Au核壳结构纳米粒子层，通过调节Ag-Au核壳结构纳米粒子合成过程中的材料用量控制其纳米粒子尺寸，使Ag-Au核壳结构纳米粒子共振吸收谱与Au-Ag核壳结构纳米粒子共振光谱处于不同波段，因此可以在不同波段均提高光吸收，从而达到整个光谱吸收互补，进而对整个光谱波长范围内实现表面等离子体共振。同时利用Ag-Au核壳结构纳米粒子层反射作用，进一步增加活性层对光的利用，进而提高活性层对整个光谱的有效吸收。另一方面，利用Au-Ag金属纳米粒子高的导电性提高载流子传输，促进激子有效分离，进一步提高太阳能电池效率。其中TiO2电子传输层厚度为30～50纳米，活性层的厚度为100～300nm，MoO3空穴传输层的厚度为3～5nm，Ag阳极的厚度为80～120nm。在活性层PTB7:PCBM中掺杂的Au-Ag核壳结构纳米粒子的浓度范围为0.05～0.2W％，在活性层上方旋涂的Ag-Au核壳结构纳米粒子层的厚度范围是2～10nm。本专利技术所述的一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池的制备方法，包括：1，TiO2电子传输层的制备；2，Au-Ag核壳纳米粒子的制备；3，活性层的制备；4，Ag-Au核壳纳米粒子的制备；5，MoO3空穴传输层的制备；6，Ag电极的制备。具体步骤为：1)衬底的处理将ITO导电玻璃分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗20～30分钟，清洗后用氮气吹干；2)电子传输层的制备a，TiO2溶胶配置向30～60mL的无水乙醇中加入5～20mL的C16H36O4Ti，搅拌50～90分钟；加入5～20mL冰醋酸和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL乙酰丙酮和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL去离子水和10～30mL无水乙醇，搅拌15～30h；静置2～4天，最终形成TiO2溶胶。b，TiO2电子传输层的制备2)将制得的TiO2溶胶旋涂在ITO表面，旋涂速度为3000～5000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃在350～500℃条件下退火2～3h；自然冷却至室温后，即在ITO导电玻璃上制得TiO2电子传输层，厚度为30～50nm；3)活性层的制备a，Au-Ag核壳纳米粒子制备将0.5～1.5mL、质量分数0.5～1.5wt％的HAuCl4水溶液和1～3mL、浓度30～40mM的柠檬酸钠水溶液加入100～150mL沸水中，等待20～40s，待溶液变为紫红色后迅速放入冰水冷却，配成Au纳米粒子水溶液；取0.2～0.6mL上述Au纳米粒子水溶液和0.5～1.5mL、浓度30～40mM的柠檬酸钠水溶液加入20～40mL水中，然后取0.5～1.5mL、浓度8～12mM的AgNO3水溶液和0.2～0.6mL、浓度80～120mM抗坏血酸水溶液边搅拌边加入上述溶液中，搅拌30～50min，得到Au-Ag核壳结构纳米粒子水溶液；其是以Ag为壳，以Au为核，纳米粒子尺寸范围是20～40nm。b，活性层溶液的配制室温条件下，将购买的商用有机太阳能电池给体材料PTB7与受体材料PCBM以质量比1：1.5的比例溶于有机溶剂氯苯(北京百灵威公司)中，配置成浓度为5～10mg/mL的溶液，将制得的Au-Ag核壳结构纳米粒子水溶液按Au-Ag质量分数0.05～0.2W％的比例掺杂到活性层溶液中，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，即可配置成活性层溶液；c，活性层的制备在TiO2电子传输层上旋涂活性层溶液制备活性层，旋涂速度为1000～1500rpm，制得的活性层的厚度为100～300nm；4)Ag-Au核壳结构纳米粒子层的制备a，Ag-Au核壳结构纳米粒子的制备将0.01～0.02g的AgNO3和1～3mL、浓度30～40mM的柠檬酸钠水溶液加入到80～150mL的70～80℃水中，待溶液变淡黄色后迅速放入冰水冷却，配成Ag纳米粒子水溶液；取10～15mL Ag纳米粒子水溶液和0.5～1.5mL、浓度30～40mM的柠檬酸钠水溶液加入20～40mL水中，然后取20～30mL的步骤3)制备的Au纳米粒子水溶液和0.2～0.8mL、浓度80～120mM抗坏血酸水溶液边搅拌边加入上述溶液，得到Ag-Au核壳结构纳米粒子水溶液；其是以Au为壳，以Ag为核，纳米粒子的尺寸范围是20～50nm；b，将制得的Ag-Au核壳结构纳米粒子水溶液旋涂生长在活性层表面，旋涂速度为1000～3000rpm，厚度范围2～10纳米，然后在手套箱放置1～3h自然挥发溶剂；5)MoO3空穴传输层的制备在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在Ag-Au核壳结构纳米粒子层上蒸镀MoO3(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为3～5nm，生长速度为6)Ag电极制备在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下，在MoO3空穴传输层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备得到本专利技术所述的有机太阳能电池。附图说明图1：本专利技术所述有机太阳能电池的结构示意图；图2：本专利技术制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池光电流曲线的对比如图1所示，本专利技术所述有机太阳能电池的结构示意图，1为玻璃，2为ITO，3为电子传输层，4为活性层，5为Ag-Au纳米粒子层，6为MoO3空穴传输层，7为Ag电极。如图2所示，在100mw/cm2的太阳光模拟器光照下测得了V-I特性曲线，A为传统ITO/TiO2/PTB7:PCBM/MoO3/Ag器件，B为本专利技术所述器件。图2结果说明本专利技术制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、Au‑Ag核壳结构纳米粒子掺杂的PTB7:PCBM活性层、Ag‑Au核壳结构纳米粒子层、MoO3空穴传输层和Ag阳极组成，在活性层PTB7:PCBM中掺杂的Au‑Ag核壳结构纳米粒子的浓度范围为0.05～0.2W％。

【技术特征摘要】
1.一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、Au-Ag核壳结构纳米粒子掺杂的PTB7:PCBM活性层、Ag-Au核壳结构纳米粒子层、MoO3空穴传输层和Ag阳极组成，在活性层PTB7:PCBM中掺杂的Au-Ag核壳结构纳米粒子的浓度范围为0.05～0.2W％。2.如权利要求1所述的一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池，其特征在于：TiO2电子传输层厚度为30～50纳米，活性层的厚度为100～300nm，MoO3空穴传输层的厚度为3～5nm，Ag阳极的厚度为80～120nm，Ag-Au核壳结构纳米粒子层的厚度为2～10nm。3.权利要求2所述的一种基于活性层掺杂和传输层修饰的互补型等离子体共振有机太阳能电池的制备方法，其步骤如下：1)衬底的处理将ITO导电玻璃分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗20～30分钟，清洗后用氮气吹干；2)电子传输层的制备a，TiO2溶胶配置向30～60mL无水乙醇中加入5～20mL的C16H36O4Ti，搅拌50～90分钟；加入5～20mL冰醋酸和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL乙酰丙酮和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL去离子水和10～30mL无水乙醇，搅拌15～30h；静置2～4天，形成TiO2溶胶。b，TiO2电子传输层的制备2)将制得的TiO2溶胶旋涂在处理过的ITO表面，旋涂速度为3000～5000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃在350～500℃条件下退火2～3h；自然冷却至室温后，即在ITO导电玻璃上制得TiO2电子传输层，厚度为30～50nm；3)活性层的制备a，Au-Ag核壳纳米粒子制备将0.5～1.5mL、质量分数0.5～1.5wt％的HAuCl4水溶液和1～3mL、浓度30～40mM的柠檬酸钠水溶液加入100～150mL沸水中，等待20～40s，待溶液变为紫红色后迅速放入冰水冷却，配成Au纳米粒子水溶液；取0.2～0.6mL上述Au纳米粒子水溶液和0.5～1.5mL、浓度30～40mM的柠檬酸钠水溶液加入20～40...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文滨，李质奇，沈亮，董玮，刘彩霞，张歆东，温善鹏，阮圣平，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22