一种聚合物太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了属于太阳能电池技术领域的一种新型结构聚合物太阳能电池及其制备方法。该聚合物太阳能电池的电子收集层分为两层，第一电子收集层为覆盖在所述透明导电基板上的二维平面薄膜，第二电子收集层设在所述第一电子收集层上，所述第二电子收集层为具有一维纳米阵列结构的薄膜。第二电子收集层制备方法包括但不限于溶剂热法、模板法、电沉积法、阳极氧化法等制备方法。本发明专利技术将一维纳米阵列结构薄膜生长在二维平面薄膜上，作为电子收集层材料，利用本发明专利技术方法制备的聚合物太阳能电池，除电池的光电性能长期稳定性比传统结构有优势以外，特别地有助于载荷的分离以及在分离后载荷传递的定向性，能够有效地提高光电流密度和电池的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池
，特别涉及一种新型结构聚合物太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
聚合物太阳能电池又被称为有机太阳能电池。有机高分子聚合物具有加工容易，价格便宜，具有能够制作大面积柔性器件的特性。使用有机共轭高分子制作的聚合物太阳能电池具有全固态的特征，易于制备，并且其中的纳米结构的尺寸、形状和表面性质可用化学方法调节，极具潜在的应用价值。聚合物太阳能电池目前是太阳能电池研究热点之一。然而由于聚合物太阳能电池电荷分离机理及载荷传输距离的限制，目前聚合物太阳能电池普遍采用有机共轭聚合物和富勒烯衍生物组成的被称为体异质结的双贯穿结构作为活性层完成光电转换，这种结构最早是由Yu和Heeger等(G. Yu, J. Gao, J. C.Hummelen, Science, 1995, 270, 1789)创造性地使用的,但仍受制于载荷传输距离的限制不能制作活性层厚度较大的电池。同时，由于在传统的聚合物太阳能电池工艺中，活性层在旋涂有PEDOT:PSS (—种空穴传递材料)的ITO透明导电玻璃上进行旋涂，上层热蒸镀覆盖一层低功函数的金属作为负极，在这种结构上酸性的PED0T:PSS与ITO的直接接触以及低功函数金属的使用会降低电池的寿命。由此出现了反转电池的结构，在这种结构中ITO玻璃上为一层低功函数材料，而作为空穴收集材料的PED0T:PSS或其他高功函数材料则转移到了相对的电极，这样ITO玻璃成为负极，相对的正电极材料通常为金或者银。直接覆盖在透明导电玻璃上的载荷收集层可以采用碱金属化合物或者过渡金属化合物，如Cs2CO3、ZnO、TiO2。此外，沉积在透明导电玻璃上的电子收集材料可以具有一定的纳米结构，例如TiO2纳米管结构(G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese,C. A. Grimes, AppI. Phys. Lett. 2007, 91, 152111),有助于载荷的分离以及在分离后载荷传递的定向性，有效地提高了光电流密度和电池的光电转换效率。 德克萨斯州大学及分子制膜有限公司申请了使用压印光刻技术制作纳米结构用于太阳能电池的专利(中国专利公开号CN101952970A);江苏华创光电科技有限公司申请了一维阵列纳米材料在半导体薄膜太阳能电池中应用的专利(中国专利公开号CN101820010A)。目前在科研领域纳米材料的结构研究也是热点，但对于适用简易方法生长获得的半导体氧化物纳米棒阵列结构在体异质结聚合物太阳能电池中的应用目前仍未见相关文献报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种新型结构聚合物太阳能电池及其制备方法，特点在于提出一种聚合物太阳能电池载荷收集层材料的制备方法并应用于反转结构电池中，以改善聚合物太阳能电池活性层的载荷分离以及载荷的传输和收集，抑制复合，增大电池的短路电流密度，最终获得效率明显改善的聚合物太阳能电池。本专利技术提出的聚合物太阳能电池为反转结构，包括以下部分(1)透明导电基板；(2)电子收集层；(3)活性层；(4)空穴收集层；(5)金属电极，其特征在于该聚合物太阳能电池的电子收集层分为两层，第一电子收集层为覆盖在所述透明导电基板上的二维平面薄膜，第二电子收集层设在所述第一电子收集层上，所述第二电子收集层为具有一维纳米阵列结构的薄膜。上述电池结构中，一维纳米阵列结构薄膜空隙中填充所述活性层，且活性层厚度高于一维纳米阵列长度10 200nm。上述电池结构中，所述的一维纳米阵列结构包括但不限于纳米棒阵列、纳米线阵列等柱体阵列结构。该阵列其一维结构长度为50 2000nm,直径为10 200nm,阵列的间隙尺寸为10 lOOOnm。上述电池结构中，所述的第一电子收集层厚度为Inm 200nm。 上述电池结构中，所述的电子收集层(第一电子收集层及第二电子收集层)材料包括但不限于TiO2、ZnO、SnO2等半导体氧化物及其掺杂物。上述电池结构中，所述的透明导电基板包括但不限于FTO玻璃、ITO玻璃、AZO玻璃等刚性基板，以及ITO-PEN等柔性基板。上述电池结构中，所述的活性层由作为给体的共轭高分子材料及作为受体的富勒烯衍生物构成。其中，所述的共轭高分子材料包括但不限于聚噻吩或其衍生物(如P3HT)、聚苯撑乙烯或其衍生物(如MDM0-PPV)等P型材料及上述至少两种的混合物。所述的富勒烯衍生物包括但不限于C6tl或其衍生物(如PCBM, PCBM)及上述至少两种的混合物。上述电池结构中，所述的空穴收集层功函数高于4. 4eV，所述的空穴收集层材料包括但不限于石墨烯氧化物(GO)、PEDOT:PSS、MoO3、V2O5等材料。 上述电池结构中，所述的金属电极材料包括但不限于Al、Ag等金属材料，金属电极厚度为10 300nm。本专利技术提出的新型结构聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤在透明导电基板上制备第一电子收集层，在第一电子收集层上制备第二电子收集层，第一电子收集层为覆盖在透明导电基板上的二维平面薄膜，第二电子收集层设在第一电子收集层上，第二电子收集层为具有一维纳米阵列结构的薄膜，再将一维纳米阵列结构薄膜空隙中填充活性层，并使活性层厚度高于一维纳米阵列长度，然后在活性层上依次制备空穴收集层和金属电极。第二电子收集层制备方法包括但不限于溶剂热法、模板法、电沉积法、阳极氧化法等制备方法。一维纳米阵列结构在制作后可直接使用或通过高温烧结提高结晶性后使用。在第一电子收集层上，生长获得半导体一维纳米阵列薄膜。上述制备方法中，活性层厚度高于一维纳米阵列长度10 200nm。上述制备方法中，所述的在透明导电基板上制备第一电子收集层的方法包括但不限于热解法、前驱体旋涂法、电沉积法、热蒸镀法、磁控溅射法、气相沉积法等制备方法，其厚度为Inm 200nm。上述制备方法中，所述的溶剂热法的溶剂包括但不限于水、乙醇、甲醇等标准条件下沸点O 300°C的溶剂及其相互混合的情况，溶液中可添加控制水热晶体生长取向的有机物、氟化物、盐酸等调节晶面能的化合物，使用的溶剂热前驱体金属源包括但不限于钛、锌、锡的金属单质、有机金属化合物、无机盐，及其水解后的溶胶-凝胶，举例如钛酸丁酯、钛酸异丙酯、四氯化钛、硫酸钛、硝酸锌、金属锡等。上述制备方法中，所述的模板法的模板包括但不限于氧化铝、氧化硅等模板，使用的模板法前驱体金属源包括但不限于钛、锌、锡的金属单质、有机金属化合物、无机盐，及其水解后的溶胶-凝胶。 上述制备方法中，所述的电沉积法前驱体金属源包括但不限于钛、锌、锡的金属单质、有机金属化合物、无机盐，及其水解后的溶胶-凝胶。上述制备方法中，所述的阳极氧化法基板包括但不限于钛、锌、锡的金属单质及其氧化物情况。本专利技术提出的新型结构聚合物太阳能电池的制备方法，将一维纳米阵列结构薄膜生长在二维平面薄膜上，作为电子收集层材料，使活性层物质良好填充于一维纳米阵列结构薄膜空隙中，并完全包覆住纳米棒阵列结构，使用高功函数材料作为空穴收集层材料，制作金属电极。这种材料选择及组合为反转结构，即电子在外电路中由透明导电玻璃流向金属电极方向。利用本专利技术方法制备的聚合物太阳能电池，除电池的光电性能长期稳定性比传统结构有优势以外，特别地有助于载荷的分离以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物太阳能电池，为反转结构，包括以下部分：（1）透明导电基板；（2）电子收集层；（3）活性层；（4）空穴收集层；（5）金属电极，其特征在于：该聚合物太阳能电池的电子收集层分为两层，第一电子收集层为覆盖在所述透明导电基板上的二维平面薄膜，第二电子收集层设在所述第一电子收集层上，所述第二电子收集层为具有一维纳米阵列结构的薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林红，张永昌，保户塚梢，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：