有源层掺杂PVP包覆NaYF4纳米颗粒的太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术具体涉及一种聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆的NaYF4纳米颗粒对有源层进行掺杂的聚合物太阳能电池及其制备方法。首先采用溶剂热法制备PVP包覆的NaYF4纳米晶体颗粒，然后采用溶胶凝胶法在导电玻璃上生长作为电子传输层的TiO2纳米晶体薄膜，采用溶液旋涂方法在TiO2纳米晶体薄膜上制备PVP包覆的NaYF4纳米颗粒掺杂的P3HT:PCBM有源层共混薄膜，采用真空蒸镀法在有源层上制备作为空穴传输层的WO3薄膜，采用真空蒸镀法在WO3薄膜上制备作为顶电极的金属薄膜。本发明专利技术制备聚合物太阳能电池具有制备方法简单，成本低廉，可大面积成膜的特点，对聚合物太阳能电池器件的开路电压有明显的提升作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机光电器件
，具体涉及一种聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包覆的氟钇钠(NaYF4)纳米颗粒对有源层进行掺杂的聚合物太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳能电池是将太阳辐射的光能转换为电能的器件。目前，硅太阳能电池能量收集效率已达到24%。接近于理论计算值的上限30%，但是其生产工艺复杂，而且成熟的技术使光电转换效率基本达到极限值，进一步改进受到限制，材料本身不利于降低成本，这些原因限制了它的大规模民用化。与之相比，聚合物太阳能电池具有以下特点可进行分子层次上的结构改进；有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力；加工性能好，可利用旋转 涂膜和喷墨打印大面积成膜；可进行物理改性，提高载流子传输能力；电池制作多样化；原料价格便宜，合成工艺简单，成本较低，可大批量工业化生产。这些突出优势显示出了聚合物太阳能电池的巨大开发潜力。近年来，由于能量转换效率的快速提升，聚合物太阳能电池引起了科研和商业的极大关注。目前，聚合物太阳能电池的能量转换效率较低，一直未能达到商业化。主要原因之一是有源层中光生激子的非辐射复合很大程度上影响了太阳能电池器件的开路电压，使开路电压值与理论值还有很大一段距离。如何使开路电压进一步得到提升，一直是聚合物太阳能电池领域的研究热点。有研究表明，通过向聚合物太阳能电池中掺入无机半导体纳米颗粒可有效地改善有源层中给体材料与受体材料的相分离，促进光生激子的分离和载流子的传导，从而降低光生激子的非辐射复合，提高器件开路电压。在无机纳米颗粒材料的合成与制备中，PVP是一种常见的表面活性剂，对于水和醇都具有良好的溶解性。利用PVP作为表面活性剂制备得到的无机纳米颗粒可以很好的分散于聚合物太阳能电池有源层共混溶液的有机溶剂当中，对于改善有源层的相分离情况可以起到积极的作用。PVP作为表面活性剂的同时，其官能团侧链还具有空穴传导能力，且PVP可以和富勒烯形成电荷转移复合物。有机太阳能电池的开路电压主要受有源层中给体与受体界面处形成的电荷转移(CT)态控制，与CT态的能量大小呈线性关系。PVP的最高占有分子轨道(HOMO)能级较深，可与富勒烯基受体材料形成具有较高能量的电荷转移态，从而对聚合物太阳能电池器件开路电压的提升产生一定贡献。此外，PVP的引入对于溶液有增稠作用，利用溶剂热法制备的PVP包覆的NaYF4纳米颗粒，将其掺入有源层中，可实现PVP的少量均匀掺杂，同时解决了溶液粘度增加的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种PVP作为表面活性剂的NaYF4纳米颗粒对有源层进行掺杂的有机太阳能电池以及该太阳能电池的制备方法。本专利技术采用聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为给体材料，_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)作为受体材料，将两种材料按照I : I的质量比混合得到的共混体系作为有源层，并向有源层中掺入PVP包覆的NaYF4纳米颗粒，制作聚合物体异质结太阳能电池。通过引入PVP包覆的NaYF4纳米颗粒，能够有效地改善有源层的给体材料与受体材料的相分离情况，并通过PVP与PCBM受体材料形成CT态提高器件的开路电压。本专利技术所述的聚合物太阳能电池从光入射方向依次为ITO (或FTO、AZO等)导电玻璃衬底、作为电子传输层的二氧化钛(TiO2)纳米晶体薄膜(溶胶凝胶法制备)、P3HT =PCBM有源层共混薄膜(溶液旋涂法制备)、作为空穴传输层的三氧化钨(WO3)薄膜(真空蒸镀法制备)、作为顶电极的金属薄膜(金属可以为银Ag、铝Al、金Au等，真空蒸镀法制备)，其特征在于在P3HT:PCBM有源层共混薄膜中掺杂有PVP包覆的NaYF4纳米颗粒，P3HT PCBM =PVP包覆的NaYF4纳米颗粒的质量比为I :1 :0. 4 I。 进一步，TiO2纳米晶体薄膜的厚度为20 40nm，有源层共混薄膜的厚度为70 200nm, WO3薄膜的厚度为IOnm 15nm,金属薄膜的厚度为50nm 60nm。本专利技术所述的一种有源层掺杂PVP包覆NaYF4纳米颗粒的太阳能电池的制备步骤如下将O. 5g的PVP加入到8mL乙二醇中，搅拌至溶解；将O. 24g YCl3 · 6H20加入到PVP的乙二醇溶液中；将O. 24g的NaF加入到IOmL的乙二醇中，搅拌I小时,再将氟化钠(NaF)的乙二醇溶液逐滴滴入到PVP和三氯化钇(YCl3)的混合溶液中，室温下搅拌30分钟，然后加入反应釜中，将反应釜置于真空烘箱中反应24小时，反应温度为150°C，进而制得PVP包覆的NaYF4纳米晶体颗粒(见图4); ITO、FTO或AZO玻璃依次用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗，然后烘干；在室温下，将乙醇、去离子水和盐酸配成的混合溶液逐滴滴入含有钛酸四丁酯、乙醇、乙酰丙酮的溶液中，剧烈搅拌，进而制得TiO2溶胶；将TiO2溶胶以3000 5000rpm的转速旋涂在IT0、FT0或AZO玻璃上，然后放入马弗炉，在450 500°C条件下烧结2小时，烧结后在IT0、FT0或AZO玻璃上形成锐钛矿型TiO2纳米晶体薄膜(nc-Ti02)，厚度为20 40nm ;其中，烧结温度低于450°C时，TiO2溶胶不能充分的转变成TiO2纳米晶体，高于500°C时，TiO2纳米晶体的晶型开始从锐钛矿型向金红石型发生转变。TiO2溶胶的旋涂转数越高，制得的薄膜厚度越薄。实验结果表明，旋涂转数在3000 5000rpm之间时，制得的器件性能变化不大。将质量比为I :1 :0.4 1的？3!11\ 08厘、？￥ 包覆的似￥ 4共同溶于邻二氯苯，P3HT的浓度为10 20mg/mL，将该溶液以700 IOOOrpm的转速旋涂在nc_Ti02上，然后将ITO、FTO或AZO玻璃放入真空烘箱，在150°C下烘干10分钟，从而得到厚度为70 120nm有源层共混薄膜；将具有有源层共混薄膜的IT0、FT0或AZO玻璃转移至热蒸发系统(SD400B型多源控温有机气相分子沉积系统)中，在有源层共混薄膜上顺次蒸镀空穴传输层和金属电极；蒸镀源分别为WO3粉末和Ag或Au粉，均可通过购买获得，从而制备得到本专利技术所述的基于PVP包覆的NaYF4纳米颗粒掺杂的聚合物太阳能电池。附图说明图I :本专利技术的器件的结构示意图2 :无PVP包覆的NaYF4纳米颗粒掺杂的聚合物太阳能电池器件在IO OmW/cm2的AMl. 5标准模拟太阳光照射下测得的I-V曲线；图3 :有源层P3HT:PCBM:NaYF4的质量比为I : I : O. 4 I的有机太阳能电池在100mff/cm2的AMl. 5标准模拟太阳光照射下测得的I-V曲线；图4 :利用溶剂热法制备的PVP包覆的NaYF4纳米晶体颗粒的XRD图和TEM图；图4 (a)为PVP包覆的NaYF4纳米晶体颗粒的XRD图； 图4 (b )为PVP包覆的NaYF4纳米晶体颗粒的TEM图；图5 :掺入PVP包覆的NaYF4纳米晶体颗粒后，150°C下真空退火10分钟的有源层的TEM图；如图I所示，器件由透明阴极(ITO、FTO或AZO玻璃)I、TiO2电子传输层2、NaYF4纳米颗粒掺杂的有源层3、W03空穴传输层4，金属电极5组成。其中透明阴极I用来传导电子；电子传输层2用来阻挡空穴、收集电子；有源层3用来吸收光子从而产生激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有源层掺杂PVP包覆NaYF4纳米颗粒的太阳能电池，从光入射方向依次为导电玻璃衬底、作为电子传输层的TiO2纳米晶体薄膜、P3HT：PCBM有源层共混薄膜、作为空穴传输层的WO3薄膜、作为顶电极的金属薄膜，其特征在于：在P3HT：PCBM有源层共混薄膜中掺杂有PVP包覆的NaYF4纳米颗粒，P3HT：PCBM：PVP包覆的NaYF4纳米颗粒的质量比为1：1：0.4～1。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阮圣平，孟凡旭，沈亮，郭文滨，刘彩霞，董玮，张歆东，陈维友，陆斌武，
申请(专利权)人：吉林大学，无锡海达安全玻璃有限公司，
类型：发明
国别省市：