一种基于金属氧化物‑金属纳米结构杂化电子传输层的聚合物太阳能电池及其制备方法技术

一种基于金属氧化物‑金属纳米结构杂化电子传输层的高效聚合物太阳能电池及其制备方法，属于聚合物太阳能电池技术领域。结构依次为ITO阳极、PEDOT:PSS空穴传输层、PTB7/PC71BM活性层、ZnONPs‑AuNRs杂化电子传输层和Al阴极，其中ITO阳极的厚度为150～200纳米、PEDOT:PSS空穴传输层的厚度为40～45纳米、PTB7/PC71BM活性层的厚度为90～100纳米、ZnONPs‑AuNRs杂化电子传输层的厚度为30～40纳米、Al阴极的厚度为90～100纳米；且ZnONPs‑AuNRs杂化电子传输层是通过在活性层上旋涂ZnONPs‑AuNRs混合分散液得到。本发明专利技术所述的太阳能电池不需要再经过热退火处理或紫外光照射，取而代之的是在测试电池的电流‑电压曲线前进行可见光的预照射，由此消除了紫外光照射对活性层的损害，基于ZnONPs‑AuNRs杂化层的电池展现出电学和光学性能的协同提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于聚合物太阳能电池
，具体涉及一种基于金属氧化物-金属纳米结构杂化电子传输层的高效聚合物太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
相比于硅基无机太阳能电池，有机聚合物太阳能电池的激子扩散、分离以及载流子传输、收集等过程都面临着效率较低的问题。因此人们从新材料设计、形貌调控、界面修饰等方面开发出许多改善策略。但凭借一种简单的方法能够协同改善多个过程的研究仍然很有限。其中，比较有效的一种策略是对过渡金属氧化物如P型的WO3、MoO3以及N型的TiO2、ZnO的开发。一方面由于其具有合适的能级结构，较高的载流子迁移率，提供了良好的传输空穴(电子)和阻挡电子(空穴)的作用，同时这类材料对可见光几乎没有吸收，可作为光学阻隔层从而有效地调控电池内部光电场的空间分布，提高活性层对光的吸收。但这类用氧化物材料作传输层的电池往往需要使用紫外光进行照射，不利于电池的长期稳定性。因此，寻找一种简单有效的方法能够消除紫外光照射的必要性，同时获得电学和光学性能的协同提高，对该类聚合物太阳能电池的实际应用至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于金属氧化物-金属纳米结构杂化电子传输层的高效聚合物太阳能电池及其制备方法。在本专利技术中，我们主要通过改变ZnONPs电子传输层中所加入乙醇胺的质量分数(0.15～0.25wt％)和加入AuNRs溶胶的质量分数(1～4wt％)来使制备的聚合物太阳能电池性能达到最佳化。本专利技术中，我们将具有双重等离子共振模式的金纳米棒(AuNRs)掺入到ZnONPs电子传输层中，在用可见光对AuNRs进行等离子体激发后，AuNRs中产生的热电子能够对ZnONPs中的缺陷态进行填充，从而在不使用紫外光照射下改善ZnONPs层的电子传输特性并降低ZnONPs界面处的载流子复合。本专利技术中，我们有意地将该杂化电子传输层插入到活性层与金属电极之间，利用AuNRs等离子体共振光散射的作用来优化光在器件中的传播路径，提高活性层对入射光的吸收几率。本专利技术所述的一种基于金属氧化物-金属纳米结构杂化电子传输层的聚合物太阳能电池，其特征在于：结构依次为ITO阳极、PEDOT:PSS空穴传输层、PTB7/PC71BM活性层、ZnONPs-AuNRs杂化电子传输层和Al阴极，其中ITO阳极的厚度为150～200纳米、PEDOT:PSS空穴传输层的厚度为40～45纳米、PTB7/PC71BM活性层的厚度为90～100纳米、ZnONPs-AuNRs杂化电子传输层的厚度为30～40纳米、Al阴极的厚度为90～100纳米；且ZnONPs-AuNRs杂化电子传输层是通过在活性层上旋涂ZnONPs-AuNRs混合分散液得到，具体为：(1)制备醇溶性的金属氧化物——氧化锌纳米颗粒(ZnONPs)，其合成步骤为：向100～150mL无水甲醇(国药试剂厂GC纯度>99.5％)中加入0.013～0.014mol二水醋酸锌(国药试剂厂纯度>99％)，并在60～65℃回流搅拌溶解20～30分钟；另向50～70mL无水甲醇中加入0.023～0.026mol氢氧化钾(北京化工厂纯度>87％)，充分溶解后逐滴加入到醋酸锌的甲醇溶液中，滴加过程控制在8～10分钟内滴完；从开始滴加氢氧化钾开始算起，整个反应一共持续1.5～2.5小时，反应结束时溶液变白色，反应过程保持温度60～65℃；将得到的白色溶胶用甲醇清洗3～5次，通过超声处理将ZnONPs再分散到40～60mL无水甲醇中，得到半透明、淡蓝色的ZnONPs甲醇分散液，调节ZnONPs的浓度使该溶液在326到331纳米处吸光度为40～60O.D.；ZnONPs甲醇分散液的浓度，通过岛津-3600紫外-可见-红外光谱仪测定其紫外-可见吸收光谱来确定。利用本专利技术方法合成的ZnONPs，其粒径为4～6纳米的纳米颗粒，初步得到的ZnONPs分散液为半透明接近透明，其内存在轻微的团聚，团聚大小为20～30纳米。(2)本专利技术中所述的一种金属氧化物-金属纳米结构杂化电子传输层的制备，其关键在于获得稳定的、均匀分散的ZnONPs和AuNRs的混合液，因此首先要获得无团聚的澄清ZnONPs分散液，又不会明显降低ZnONPs电子传输层的电子传输特性。为此，我们首先向步骤(1)得到的ZnONPs的甲醇分散液中加入乙醇胺(纯度99％，百灵威试剂公司)并进行20～30分钟的超声处理，本专利技术所述ZnONPs分散液中乙醇胺的质量分数在0.15～0.25wt％范围内比较适宜，最好的器件性能来源于加入乙醇胺的质量分数为0.2wt％。(3)为了消除基于ZnONPs作电子传输层的太阳能电池紫外光照射的必要性，协同提高此类电池的电学和光学性能，本专利技术在ZnONPs甲醇分散液中加入各向异性的AuNRs。AuNRs制备过程为：将6～8mL、浓度0.05～0.1M的十二烷基三甲基溴化铵(CTABAldrich试剂公司，纯度>99％)的异丙醇溶液与2～3mL、浓度1～3mM氯金酸(阿拉丁试剂公司，纯度>99.5％)的异丙醇溶液混合，接着加入0.5～1mL、浓度10～15mM、0℃硼氢化钠(国药试剂厂，纯度86％)的异丙醇溶液，27～30℃反应2～2.5小时获得种子溶液；另取浓度0.1～0.2M的CTAB的异丙醇溶液60～70mL，浓度为1～2mM的氯金酸溶液50～60mL，浓度0.01～0.02mM的硝酸银(国药试剂厂，纯度>98％)溶液1～1.5mL，浓度为2～2.5M的盐酸溶液1～1.5mL，混合后获得生长溶液；将种子溶液1mL，浓度为0.1～0.15M的抗坏血酸(国药试剂厂，纯度>95％)溶液0.9～1mL加入到生长溶液中，反应5～7小时后8000～12000rpm离心15～20分钟，去掉上层清夜获得AuNRs溶胶，烘干溶剂得到AuNRs；将烘干的AuNRs再分散至异丙醇中配制成浓度为0.8～1g/mL的AuNRs溶胶并加入到步骤(2)得到的ZnONPs分散液中，为了获得稳定的、均匀分散的ZnONPs和AuNRs的混合液，加入AuNRs溶胶后反应溶液超声分散20～30分钟后静置12～20小时，将底部沉积的团聚物移除，从而获得ZnONPs-AuNRs混合分散液；所加入的AuNRs溶胶的质量占总反应物的质量分数为1wt％～4wt％，在最优的用量比例范围内，可以保证等离子共振效应带来性能提升的同时，又不会在器件中引入新的缺陷或复合中心。在获得ZnONPs-AuNRs混合分散液后，我们先是单独研究ZnONPs-AuNRs杂化层的性质。其方法是在清洁的石英衬底上1500～3000转每分旋涂掺有AuNRs的ZnONPs分散液，旋涂时间20～30秒来制备杂化层。在太阳光模拟器出光处加紫外截止滤光片，并对石英样品进行预照射。照射参数：光源强度10到50mW/cm2，波长λ大于410纳米，照射时间5到10分钟。接着我们用350纳米的光作激发光源，测试预照射后的杂化层薄膜的光致发光谱，杂化层在520到530纳米处的缺陷态荧光显著淬灭，这表明利用此方法制备的电子传输层，在经过可见光预照射后即可表现出缺陷态减少的特性，这归因于光照后，AuNRs与ZnONPs之间存在的等离子体诱导热电子转移，填补了ZnO本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属氧化物‑金属纳米结构杂化电子传输层的聚合物太阳能电池，其特征在于：结构依次为ITO阳极、PEDOT:PSS空穴传输层、PTB7/PC71BM活性层、ZnONPs‑AuNRs杂化电子传输层和Al阴极，且ZnONPs‑AuNRs杂化电子传输层是通过在活性层上旋涂ZnONPs‑AuNRs混合分散液得到，具体为，(1)制备ZnONPs甲醇分散液：向100～150mL无水甲醇中加入0.013～0.014mol二水醋酸锌，并在60～65℃回流搅拌溶解20～30分钟；另向50～70mL无水甲醇中加入0.023～0.026mol氢氧化钾，充分溶解后逐滴加入到醋酸锌的甲醇溶液中，滴加过程控制在8～10分钟内滴完；从开始滴加氢氧化钾开始算起，整个反应一共持续1.5～2.5小时，反应结束时溶液变白色，反应过程保持温度60～65℃；将得到的白色溶胶用甲醇清洗3～5次，通过超声处理将ZnONPs再分散到40～60mL无水甲醇中，得到半透明、淡蓝色的ZnONPs甲醇分散液，调节ZnONPs的浓度使该溶液在326到331纳米处吸光度为40～60O.D.；(2)向步骤(1)得到的ZnONPs甲醇分散液中加入乙醇胺并进行20～30分钟的超声处理得到ZnONPs分散液，ZnONPs分散液中乙醇胺的质量分数为0.15～0.25wt％；(3)制备AuNRs：将6～8mL、浓度0.05～0.1M的十二烷基三甲基溴化铵CTAB的异丙醇溶液与2～3mL、浓度1～3mM氯金酸的异丙醇溶液混合，接着加入0.5～1mL、浓度10～15mM、0℃的硼氢化钠的异丙醇溶液，27～30℃反应2～2.5小时获得种子溶液；另取浓度0.1～0.2M的CTAB异丙醇溶液60～70mL、浓度为1～2mM的氯金酸溶液50～60mL、浓度0.01～0.02mM的硝酸银溶液1～1.5mL、浓度为2～2.5M的盐酸溶液1～1.5mL，混合后获得生长溶液；将种子溶液1mL、浓度为0.1～0.15M的抗坏血酸溶液0.9～1mL加入到生长溶液中，反应5～7小时后8000～12000rpm离心15～20分钟，去掉上层清夜获得AuNRs溶胶，烘干溶剂得到AuNRs；(4)将烘干得到的AuNRs再分散至异丙醇中配制成浓度为0.8～1g/mL的AuNRs溶胶并加入到步骤(2)得到的ZnONPs分散液中，超声分散20～30分钟后静置12～20小时，然后将底部沉积的团聚物移除，从而获得ZnONPs‑AuNRs混合分散液；所加入的AuNRs溶胶的质量占总反应物的质量分数为1wt％～4wt％。...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属氧化物-金属纳米结构杂化电子传输层的聚合物太阳能电池，其特征在于：结构依次为ITO阳极、PEDOT:PSS空穴传输层、PTB7/PC71BM活性层、ZnONPs-AuNRs杂化电子传输层和Al阴极，且ZnONPs-AuNRs杂化电子传输层是通过在活性层上旋涂ZnONPs-AuNRs混合分散液得到，具体为，(1)制备ZnONPs甲醇分散液：向100～150mL无水甲醇中加入0.013～0.014mol二水醋酸锌，并在60～65℃回流搅拌溶解20～30分钟；另向50～70mL无水甲醇中加入0.023～0.026mol氢氧化钾，充分溶解后逐滴加入到醋酸锌的甲醇溶液中，滴加过程控制在8～10分钟内滴完；从开始滴加氢氧化钾开始算起，整个反应一共持续1.5～2.5小时，反应结束时溶液变白色，反应过程保持温度60～65℃；将得到的白色溶胶用甲醇清洗3～5次，通过超声处理将ZnONPs再分散到40～60mL无水甲醇中，得到半透明、淡蓝色的ZnONPs甲醇分散液，调节ZnONPs的浓度使该溶液在326到331纳米处吸光度为40～60O.D.；(2)向步骤(1)得到的ZnONPs甲醇分散液中加入乙醇胺并进行20～30分钟的超声处理得到ZnONPs分散液，ZnONPs分散液中乙醇胺的质量分数为0.15～0.25wt％；(3)制备AuNRs：将6～8mL、浓度0.05～0.1M的十二烷基三甲基溴化铵CTAB的异丙醇溶液与2～3mL、浓度1～3mM氯金酸的异丙醇溶液混合，接着加入0.5～1mL、浓度10～15mM、0℃的硼氢化钠的异丙醇溶液，27～30℃反应2～2.5小时获得种子溶液；另取浓度0.1～0.2M的CTAB异丙醇溶液60～70mL、浓度为1～2mM的氯金酸溶液50～60mL、浓度0.01～0.02mM的硝酸银溶液1～1.5mL、浓度为2～2.5M的盐酸溶液1～1.5mL，混合后获得生长溶液；将种子溶液1mL、浓度为0.1～0.15M的抗坏血酸溶液0.9～1mL加入到生长溶液中，反应5～7小时后8000～12000rpm离心15～20分钟，去掉上层清夜获得AuNRs溶胶，烘干溶剂得到AuNRs；(4)将烘干得到的AuNRs再分散至异丙醇中配制成浓度为0.8～1g/mL的AuNR...

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