一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池，以具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜作为活性层，以绒面氧化锌纳米颗粒薄膜作为电子传输层，电子传输层和活性层形成具有宽光谱吸收特性的双脊状薄膜叠加结构，从而显著提升三元系有机太阳电池的光吸收。本发明专利技术的优点在于：引入绒面结构增强器件光吸收的同时保障了制备工艺的兼容性和简易性。
A ternary organic solar cell with self-assembled nano spine like active layer
【技术实现步骤摘要】
一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池
本专利技术涉及三元系有机太阳电池，特别是一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池。
技术介绍
有机太阳电池因成本低廉、易加工、可卷对卷大面积生产等优势成为光伏器件领域中热门的研究对象。目前，有机太阳电池面临的重要挑战之一仍是器件的能量转换效率，与其他类型的太阳电池相比，有机太阳电池的效率偏低，阻碍了其商业化发展进程。三元系有机太阳电池的提出为传统有机太阳电池的发展提供了新的思路。三元系有机太阳电池能在不增加工艺复杂性的前提下，通过第三组分的加入形成互补的光吸收，增加活性层对太阳光的利用率，同时优化活性层的体相形貌，改善电荷的分离与传输，从而大大提升器件的性能。然而，如何进一步提升三元有机太阳电池的光吸收问题同样困扰着科研人员。一方面，增加活性层的厚度可以增强光吸收，但受限于有机材料普遍偏低的迁移率，过厚的活性层将影响电荷的传输与收集，进而恶化器件的性能。另一方面，引入陷光结构可以增加器件的光吸收，如引入绒面电极、具有表面等离子体共振效应的金属纳米结构、光学腔，甚至是纳米压痕技术。这些方法虽然可以增加器件的光吸收，但往往会增加工艺难度和成本，甚至有些方法不能很好的与有机太阳电池的制备工艺相兼容。
技术实现思路
本专利技术的目的：针对上述三元系有机太阳电池面临的瓶颈，专利技术一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池。本专利技术的技术方案：通过对三元系有机共混薄膜中组分比例的调控，实现有机分子之间相互作用力的调节，在成膜过程中引入较大的薄膜应力，使薄膜隆起发生褶皱而形成绒面自组装脊柱状结构。具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜选用的有机材料分别为聚合物PTB7-Th、富勒烯PC70BM和富勒烯PC60BM，其中，PTB7-Th分子为长链状结构，PC70BM和PC60BM分子为球型结构，且PC60BM分子的尺寸小于PC70BM分子。当PC60BM作为第三组分加入PTB7-Th:PC70BM二元系时，PC60BM分子将进入PTB7-Th长链与PC70BM球之间的间隙位置，导致单位体积内的分子数增加从而发生相互挤压，从而在成膜的过程中形成较大压应力。压应力的存在使薄膜隆起形成褶皱，最终形成如图1所示的具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜。脊柱状结构的形成并非局部偶然行为，而是几乎分布于整个薄膜表面。图2（a）进一步展示了自组装脊柱状结构的微观形貌，显然自组装脊柱状结构的分布非常均匀。如图2（b）所示，当基底为平面氧化锌纳米颗粒薄膜时，单个脊柱的截面特征尺寸为：高度~22nm，宽度~780nm。将所述具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜应用于三元系有机太阳电池，同时引入绒面氧化锌纳米颗粒薄膜，使绒面氧化锌纳米颗粒薄膜和具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜形成双脊状薄膜叠加结构，双脊状薄膜叠加结构的存在将增强绒面结构的陷光特性，从而增强器件的光吸收。所述的三元系有机太阳电池的制备顺序为（如图3所示）：“1”是玻璃基底、“2”是氧化铟锡薄膜、“3”是绒面氧化锌纳米颗粒薄膜（电子传输层）、“4”是具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜（活性层）、“5”是氧化钼薄膜（空穴传输层）、“6”是银电极。其中电子传输层和活性层采用旋涂法制备，空穴传输层和电极采用热蒸发法制备。所述的三元系有机太阳电池工作时，太阳光由玻璃基底入射。所述双脊状薄膜叠加结构由氧化锌小尺寸脊柱状结构和有机大尺寸脊柱状结构组成，小尺寸脊柱状结构中单个脊柱的截面特征尺寸为（如图4（a）所示）：高度~30nm，宽度~425nm；大尺寸脊柱状结构中单个脊柱的截面特征尺寸为（如图4（b）所示）：高度~32nm，宽度~730nm。不同尺寸的脊柱状结构将对特定波长范围内的光子产生有效的陷阱作用。所述小尺寸脊柱状结构可降低对330-400nm波长范围内光子的反射，所述大尺寸脊柱状结构可降低对500-700nm波长范围内光子的反射。因此，具有双脊状薄膜叠加结构的三元系有机太阳电池对330-400nm和500-700nm波长范围内的光子反射将显著降低（如图5所示）。本专利技术的有益效果：提出一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池，利用绒面结构的陷光特性增强三元系有机太阳电池光吸收的同时保障了制备工艺的兼容性和简易性。附图说明图1是具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜的扫描电子显微镜照片。图2是具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜的原子力显微镜照片，图（a）为斜视图，图（b）为截面图。图3是一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池的结构示意图。图4是脊柱状结构的截面原子力显微镜照片，图（a）为小尺寸脊柱状结构，图（b）为大尺寸脊柱状结构。图5是具有双脊状薄膜叠加结构的三元系有机太阳电池的反射光谱图。具体实施方式实施例一：一种具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜的制备，具体过程如下：1.分别称取10mg聚合物PTB7-Th，7.5mg富勒烯PC70BM，7.5mg富勒烯PC60BM并混合。2.分别量取970μL氯苯和30μL1,8-二碘辛烷并均匀混合作为溶剂。3.将上述PTB7-Th:PC70BM:PC60BM混合物溶解于上述溶剂中，并在60℃下搅拌12h作为源溶液。4.玻璃基底依次经电子清洗液/去离子水/酒精/去离子水超声清洗，氮气吹干。5.将上述源溶液均匀滴于上述玻璃基底上，在1500转/分钟的转速下旋转30s，至此薄膜制备完成。实施例二：一种具有自组装纳米脊柱状活性层的三元系有机太阳电池的制备，具体过程如下：1.氧化铟锡导电玻璃基底依次经过电子清洗液/去离子水/酒精/丙酮/异丙醇超声清洗，氮气吹干。2.在上述基底上旋涂一层厚度~60nm的氧化锌纳米颗粒薄膜，并采用如下方式进行退火：将旋涂有氧化锌纳米颗粒薄膜的基底置于处于室温的加热板上，以10℃/min的升温速率将加热板升温至200℃，然后在200℃保温1h，绒面氧化锌纳米颗粒薄膜电子传输层形成。3.将实施例一中所述的源溶液均匀滴于上述电子传输层上，在1500转/分钟的转速下旋转30s，形成厚度~110nm、具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜作为活性层。4.采用热蒸镀法在上述活性层之上依次沉积厚度~10nm的氧化钼空穴传输层和厚度~80nm的银电极，至此电池制备完成。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜，其特征如下：（1）制备方法：将聚合物PTB7-Th、富勒烯PC
【技术特征摘要】
1.一种具有自组装纳米脊柱状结构的三元系有机共混薄膜，其特征如下：（1）制备方法：将聚合物PTB7-Th、富勒烯PC70BM、富勒烯PC60BM三种组分共混，组分配比为：聚合物与富勒烯的总质量比为1:1.5，富勒烯PC70BM与富勒烯PC60BM的质量比为1:1，将三元共混物溶解于氯苯和1,8-二碘辛烷组成的溶剂，溶剂中氯苯与1,8-二碘辛烷的体积比为97:3，溶解有三元共混物的溶剂称为源溶液，源溶液中聚合物PTB7-Th的浓度为10mg/L，源溶液在60℃下搅拌12h后，将源溶液均匀滴于基底上，在1500转/分钟的转速下旋转30s形成薄膜（2）薄膜自发形成具有纳米脊柱状形貌的绒面结构，当基底为平面氧化锌纳米颗粒薄膜时，单个脊柱的截面特征尺寸为：高度22nm，宽度780nm；当基底为绒面氧化锌纳米颗粒薄膜时，单个脊柱的截面特征尺寸为：高...
【专利技术属性】
技术研发人员：李昶，孙小香，陶家友，廖高华，邹志军，李芬，王继飞，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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