一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的有机太阳能电池及其制备方法技术

一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的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。从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底/TiO2电子传输层/Au‑TiO2核壳结构纳米粒子层/PTB7活性层/Ag‑WO3核壳结构纳米粒子层/WO3空穴传输层/Ag阳极组成，本发明专利技术通过在电子传输层TiO2与活性层之间生长一层Au‑TiO2核壳结构纳米粒子并且在空穴传输层WO3与活性层之间生长一层Ag‑WO3核壳结构纳米粒子分别对电子传输层与空穴传输层进行修饰，利用活性层两侧的Au纳米粒子表面等离子体共振效应增强活性层光吸收，进而提高器件对太阳光的利用。该方法简单实用，器件制备过程基于溶液方法，成本低，易于操作，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
，具体涉及一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
有机太阳能电池以其柔性，可弯曲，低成本，可以大面积印刷生产等优点近年来越来越受到研究人员的关注，目前已经实现较高的能量转换效率。然而对于聚合物有机太阳能电池来说，高的载流子复合、低的光吸收是研究人员必须面对的问题。世界各地的研究人员尝试通过各种方法提高活性层吸收，改善器件性能，例如，制作叠层电池，活性层参杂，器件修饰等方法，而在本专利技术中通过双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收，提高有机太阳能电池的光吸收，并通过提高光电转换效率，提高太阳能电池器件效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的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双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的有机太阳能电池，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-TiO2核壳结构纳米粒子层/活性层/Ag-WO3核壳结构纳米粒子层/WO3空穴传输层/Ag阳极组成，即结构为玻璃/ITO/TiO2/Au-TiO2/PTB7:PCBM/Ag-WO3/WO3/Ag。本专利技术通过在电子传输层TiO2与活性层之间生长一层Au-TiO2核壳结构纳米粒子并且在空穴传输层WO3与活性层之间生长一层Ag-WO3核壳结构纳米粒子分别对电子传输层与空穴传输层进行修饰，利用活性层两侧的Au纳米粒子表面等离子体共振效应增强活性层光吸收，进而提高器件对太阳光的利用，同时TiO2包覆的Au核壳结构纳米粒子能够有效改善Au纳米粒子与TiO2之间的接触，减少单纯的生长Au纳米粒子在界面处引入的缺陷或复合中心，同理，WO3包覆的Ag-WO3核壳结构纳米粒子能够改善活性层与WO3空穴传输层的接触，减小载流子不平衡传输。另一方面，活性层两侧分别生长的高导电率(金电导率4.52*107Ω/cm，氧化物半导体电导率仅有1*104Ω/cm)的Au纳米粒子将有效提高载流子的传输速率，进而加快激子分离，提高有机太阳能电池效率。其中TiO2电子传输层的厚度为30～50纳米，活性层的厚度为100～300nm，WO3空穴传输层的厚度为3～8nm，Ag阳极的厚度为80～120nm。Au-TiO2核壳结构纳米粒子层的厚度为30～70nm，Au-TiO2核壳结构纳米粒子是以Au为核、TiO2为壳，核的尺寸范围是20～40nm，壳的厚度(这里是核的表面到外表面的距离)范围是10～30nm；Ag-WO3核壳结构纳米粒子层的厚度为30～80nm,Ag-WO3核壳结构纳米粒子是以Ag为核、WO3为壳，核的尺寸范围是20～50nm，壳的厚度(这里是核的表面到外表面的距离)范围是10～30nm。本专利技术所述的一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的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-TiO2核壳结构纳米粒子层的制备；3、活性层的制备；4、Ag-WO3核壳结构纳米粒子层的制备；5、WO3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天后得到TiO2溶胶；b，TiO2电子传输层的制备将制得的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)Au-TiO2核壳结构纳米粒子层的制备将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，即配成Au纳米粒子水溶液，烘干后得到Au纳米粒子，Au纳米粒子的粒径是20～40nm。取1～2mg上述步骤制备的Au纳米粒子溶解在1～3mL的四氢呋喃与甲醇体积比1:1的混合溶液中，标记为A溶液；取1～3mL钛酸四丁酯加入1～2mL乙酰丙酮，加入0.5～2mL甲醇，氮气环境下搅拌20～50min，然后加入A溶液，氮气环境下搅拌1～3小时，从而得到以Au为核、以TiO2为壳的Au-TiO2核壳结构纳米粒子溶液，单个Au纳米粒子核的尺寸范围是20～40nm，壳的厚度(这里是核的表面到外表面的距离)范围是10～30nm，单个核壳结构纳米粒子的尺寸范围是30～70nm。在TiO2电子传输层上旋涂Au-TiO2核壳结构纳米粒子溶液，旋涂速度为1000～1500rpm，制得厚度为30～70nm的Au-TiO2核壳结构纳米粒子层；4)活性层的制备a，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，浓度为5～10mg/mL，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，即配置成活性层溶液；b，活性层的制备在Au-TiO2核壳结构纳米粒子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；5)Ag-WO3核壳结构纳米粒子层的制备a，Ag-WO3核壳结构纳米粒子的制备将0.02～0.04g的AgNO3和1～3mL、浓度60～80mM的柠檬酸钠水溶液加入到80～150mL、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；Ag纳米粒子粒径是20～50nm。取0.3～0.6g的Na2WO4·2H2O加入5～15mL水中，在超声条件下加入30～80mL的Ag纳米粒子水溶液，边搅拌边逐滴加入2～6mL、浓度2～5M的硝酸，溶液变为黄色，接着在高压反应釜中150～200℃条件下保持20～30小时，自然冷却到室温，将所得产物离心，清洗，最后在450～550℃条件下烧结1～3小时，冷却到室温，从而得到以Ag为核、以WO3为壳的Ag-WO3核壳结构纳米粒子；单个Ag纳米粒子核的尺寸范围是20～50nm，壳的厚度(这里是核的表面到外表面的距离)范围是10～30nm，单个核壳结构纳米粒子的尺寸范围是30～80nm。b，在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在活性层上蒸镀Ag-WO3核壳结构纳米粒子，厚度为30～80nm，生长速度为5)WO3空穴传输层的制备在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在Ag-WO3核壳结构纳米粒子层上蒸镀WO3(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为3～8nm，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WO3空穴传输层上蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次由ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、Au‑TiO2核壳结构纳米粒子层、PTB7:PCBM活性层、Ag‑WO3核壳结构纳米粒子层、WO3空穴传输层和Ag阳极组成；Au‑TiO2核壳结构纳米粒子是以Au为核、TiO2为壳，核的尺寸为20～40nm，壳的厚度为10～30nm；Ag‑WO3核壳结构纳米粒子是以Ag为核、WO3为壳，核的尺寸为20～50nm，壳的厚度为10～30nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次由ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、Au-TiO2核壳结构纳米粒子层、PTB7:PCBM活性层、Ag-WO3核壳结构纳米粒子层、WO3空穴传输层和Ag阳极组成；Au-TiO2核壳结构纳米粒子是以Au为核、TiO2为壳，核的尺寸为20～40nm，壳的厚度为10～30nm；Ag-WO3核壳结构纳米粒子是以Ag为核、WO3为壳，核的尺寸为20～50nm，壳的厚度为10～30nm。2.如权利要求1所述的一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的有机太阳能电池，其特征在于：TiO2电子传输层的厚度为30～50纳米，PTB7:PCBM活性层的厚度为100～300nm，WO3空穴传输层的厚度为3～8nm，Ag阳极的厚度为80～120nm，Au-TiO2核壳结构纳米粒子层的厚度为30～70nm，Ag-WO3核壳结构纳米粒子层的厚度为30～80nm。3.权利要求2所述的一种基于双传输层界面修饰提高等离子体共振吸收的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天后得到TiO2溶胶；b，TiO2电子传输层的制备将制得的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)Au-TiO2核壳结构纳米粒子层的制备将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，即配成Au纳米粒子水溶液，烘干后得到Au纳米粒子，Au纳米粒子的粒径是20～40nm；取1～2mg上述步骤制备的Au纳米粒子溶解在1～3mL的四氢呋喃与甲醇体积比1:1的混合溶液中，标记为A溶液；取1～3mL钛酸四丁酯加入1～2mL乙酰丙...

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