專(zhuān)利名稱(chēng)：一種增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜，及其制備方法。
背景技術(shù)：
1954年美國(guó)的貝爾研究所成功地研制出硅太陽(yáng)電池，開(kāi)始有單晶硅太陽(yáng)電池，到 后來(lái)有多晶硅太陽(yáng)電池、非晶硅太陽(yáng)電池等。雖然硅太陽(yáng)電池有很高的轉(zhuǎn)換效率，如 單晶硅的轉(zhuǎn)換率都高達(dá)25% ，但其工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、材料要求苛刻，因而難以普 及。通過(guò)研制新型半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池，可以使其成本低一些，1991年瑞士的 M.Gratzel等人報(bào)道了經(jīng)聯(lián)吡啶釕燃料敏化的納米太陽(yáng)電池具有7%總能量轉(zhuǎn)換率， 逐漸引起了人們的關(guān)注。目前的太陽(yáng)能電池主要依靠硅或稀有金屬合金制成的面板實(shí) 現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，但是，其昂貴的價(jià)格妨礙了太陽(yáng)能電池的普及。
為了提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，人們往往采用各種方法來(lái)制備電子給 體-受體相連接的薄膜或是異質(zhì)結(jié)薄膜，但是由于制備這些薄膜過(guò)程復(fù)雜，原料種類(lèi)有 限，因此制備這種結(jié)構(gòu)的薄膜的種類(lèi)也是受到很大限制的。因此我們提出通過(guò)改變表 面結(jié)構(gòu)的方法，利用一些原有的材料，制備多孔結(jié)構(gòu)薄膜來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率。
現(xiàn)有技術(shù)在制備這類(lèi)蜂窩狀有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜時(shí)，大多采用激光刻蝕及其相關(guān)技 術(shù)，這種技術(shù)非常復(fù)雜，價(jià)格昂；模板法，這種方法會(huì)面臨去模板過(guò)程中結(jié)構(gòu)被破壞 的問(wèn)題；自組裝技術(shù)，組裝條件比較難于控制的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中用于提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的薄 膜的種類(lèi)有限的缺陷，考慮到表面結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)提高光電轉(zhuǎn)換效率的貢獻(xiàn)——即在無(wú)機(jī) 半導(dǎo)體薄膜Ti02中引入多孔結(jié)構(gòu)或者光晶能夠增強(qiáng)光在孔中得反射,提高光染料敏化 太陽(yáng)能電池的光的捕獲效率,從而提供一種增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄 膜。
本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)在制備上述的蜂窩狀有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜時(shí)， 技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；或是難于控制反應(yīng)條件的缺陷，從而提供一種簡(jiǎn)單、且沒(méi)有污
染的、利用水輔助自組裝來(lái)制備上述強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜的方法。 本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供一種強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜，其為由式I所示的、
分子量為30000的聚合物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PDTG)制備而成的蜂窩狀、有序多孔結(jié)構(gòu)的聚合 物薄膜，其光電流是293 nA/cm2，開(kāi)路光電壓是0. 294V,短路光電流是2. 58 X 1(TmA/cm2，填充因子為0.433。
<formula>formula see original document page 4</formula>式l
本發(fā)明提供一種上述強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其為 利用水模板法在高濕度環(huán)境下制備具有光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)的有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜，包括如下
的步驟
1) 先把式1所示的分子量為30000的聚合物(PDTG)溶解到氯仿、THF或甲苯中 配制成2mg/ml的溶液；
2) 然后取100uL的上述溶液滴到清洗干凈的ITO玻璃(導(dǎo)電玻璃)上，控制相 對(duì)濕度為70%,溫度為24士rC的情況下，待溶劑揮發(fā)完畢，即制得本發(fā)明的強(qiáng)光電轉(zhuǎn) 換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜。
作為對(duì)比，取相同量的溶液在室溫條件下(相對(duì)濕度48%溫度24土rC)滴到相同 的IT0玻璃上制備平滑薄膜，然后用三電極法對(duì)薄膜進(jìn)行光電性能表征，本發(fā)明的蜂 窩狀結(jié)構(gòu)的薄膜的光電流是293 nA/cm2，開(kāi)路光電壓是0. 294V，短路光電流是2. 58 X10—3mA/cm2,填充因子為0. 433，而平滑薄膜的開(kāi)路光電壓是0. 262V,短路光電流是 5.19Xl(TmA/cm2,填充因子為0.397。即本發(fā)明的有序多孔結(jié)構(gòu)的薄膜能夠增大光電 轉(zhuǎn)換效率，提高開(kāi)路電壓，短路電流和填充因子。這是因?yàn)樵诒∧?nèi)引入多孔結(jié)構(gòu)， 增大了薄膜的表面積,有利于電荷在介質(zhì)表面的分離，從而有效的提高了有機(jī)太陽(yáng)能的 光電轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明通過(guò)將具有光電轉(zhuǎn)換性能的棒線結(jié)構(gòu)的聚合物分子，在高濕度環(huán)境下、利 用水輔助法自組裝成有序多孔結(jié)構(gòu)的薄膜，這種薄膜由于有很多孔隙結(jié)構(gòu)能夠使光在 其中多次反射吸收,增大光的捕獲效率，同時(shí)孔狀結(jié)構(gòu)的引入增大了薄膜的表面積，由 于于電荷在表面的分離,從而增大了光電轉(zhuǎn)換效率，其優(yōu)點(diǎn)在于-
1本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、成本低廉，可以較大面積的制備均勻的有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜；
2本發(fā)明使相同質(zhì)量的染料的光電轉(zhuǎn)換效率大大提高；
3本發(fā)明有廣闊的應(yīng)用前景，可采用在體相中引入有序多孔結(jié)構(gòu)的方法，提高有 機(jī)光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1是實(shí)施例1和對(duì)比例1中所制備的兩種薄膜的掃描電鏡照片；其中，a—c為 蜂窩狀有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜I的掃描電鏡圖片，d為平滑薄膜II的掃面電鏡圖片；
圖2為實(shí)施例1和對(duì)比例1中所制備的兩種薄膜的反射光譜圖3為實(shí)施例1和對(duì)比例1中所制備的兩種薄膜的光電流的產(chǎn)生和光電流工作譜; 其中，a為兩種薄膜的光電流圖，b為兩種薄膜的工作譜；
圖4為實(shí)施例1和對(duì)比例1中所制備的兩種薄膜的I —V曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
先把式l所示的、具有棒線結(jié)構(gòu)的、分子量為30000的聚合物(PDTG)溶解到氯 仿中配制成2呢/ml的溶液;然后取100 u L的上述溶液滴到清洗千凈的IT0玻璃上，控 制相對(duì)濕度為70%,溫度為24士rc的情況下，待溶劑揮發(fā)完畢，即制得本發(fā)明的強(qiáng)光 電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜I。
對(duì)比例1
作為對(duì)比，取與實(shí)施例1中相同量的溶液在室溫條件下(相對(duì)濕度48%溫度24±1 。C)，滴到相同的ITO玻璃上，制備平滑薄膜II。
實(shí)施例2
將實(shí)施例1和對(duì)比例1中所制備的兩種薄膜的形貌用掃描電鏡進(jìn)行觀察(日本曰 立公司JEOL JSM-6700F掃描電子顯微鏡)，如圖1所示。圖l(a-c)為本發(fā)明的強(qiáng)光電
轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜I的掃描電鏡圖片，可以看出其為呈蜂窩狀、大面 積均勻的有序多孔結(jié)構(gòu)，薄膜的平均厚度為3.2 "m，孔的平均直徑為1.4 圖ld) 為平滑薄膜II的掃面電鏡圖片，其厚度為1.0 um。通過(guò)理論計(jì)算，兩種薄膜的染料 含量是相同的。
實(shí)施例3
將實(shí)施例1和對(duì)比例1中所制備的兩種薄膜的漫反射光譜進(jìn)行對(duì)比(日立UV — 3100紫外可見(jiàn)光譜儀)，如圖2所示，本發(fā)明的強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu) 薄膜1的最大反射峰值為36.7%，而平滑薄膜II的最大反射峰值為22.5% ,對(duì)應(yīng)的最 大反射峰位置都是440nm。從360 nm到490 nm積分反射光譜中，本發(fā)明的強(qiáng)光電轉(zhuǎn) 換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜I的反射比平滑薄膜II增加了 100%。
實(shí)施例4、用三電極法對(duì)兩種薄膜進(jìn)行光電性能檢測(cè).
將被蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)的薄膜I和平滑薄膜II修飾的ITO玻璃用做工作電極，鉑絲 用做對(duì)電極,飽和甘汞電極用做參比電極，O.IM的KCL溶液用做支持電解質(zhì)。光電流， I-V曲線，光電工作譜的測(cè)量都是用電化學(xué)分析儀(CHI630A, Chenhua Instruments Co. ， Shanghai),太陽(yáng)光模擬器(CMH-250, Aodite Photoelectronic Technology Ltd.' Beijing)和光強(qiáng)測(cè)量?jī)x(Model FZ-A， Beijing)輔助完成的。
如圖3a)所示，本發(fā)明的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的薄膜I的光電流是293.87 nA/cnf',而平 滑薄膜II的光電流為103.45 nA/cm2，在蜂窩狀結(jié)構(gòu)的薄膜I中光電流增加了將近三 倍。
圖3b)為兩種薄膜的工作譜，可以看到相同的單色光波長(zhǎng)下，蜂窩結(jié)構(gòu)薄膜的光 電流比平滑膜的大，并且蜂窩結(jié)構(gòu)可以把這種光電響應(yīng)延伸到490nm，平滑薄膜的對(duì) 應(yīng)響應(yīng)區(qū)間在440nm之前已經(jīng)結(jié)束。即本發(fā)明的有序多孔結(jié)構(gòu)的薄膜I能夠增大光電轉(zhuǎn)換效率，提高開(kāi)路電壓，短路 電流和填充因子。這是因?yàn)樵诒∧?nèi)引入多孔結(jié)構(gòu),增大了薄膜的表面積，有利于電荷 在介質(zhì)表面的分離，從而有效的提高了有機(jī)太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換效率。
圖4為兩種薄膜組成電池的/一r曲線，從圖中可以看出本發(fā)明的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的 薄膜I增大了電池的性能參數(shù)，參數(shù)為Voc=0.294， Ise=2.58*10'3mA/cm2， FF=0.433;而 平滑薄膜II的參數(shù)為V。c=0.262， Isc=5.19*l(T4mA/cm2， FF=0.397。
綜上所述，本發(fā)明利用水輔助自組裝的方法在有機(jī)固體薄膜中引入微米級(jí)有序多 孔蜂窩結(jié)構(gòu)能夠提高薄膜對(duì)光的捕獲效率，同時(shí)有利于電子空穴對(duì)在介質(zhì)表面的分離， 擴(kuò)散，從而大大提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1、一種強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜，其為由式1所示的、分子量為30000的PDTG制備而成的蜂窩狀、有序多孔結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，其光電流是293nA/cm2，開(kāi)路光電壓是0.294V，短路光電流是2.58×10-3mA/cm2，填充因子為0.433。id="icf0001" file="A2006101144930002C1.gif" wi="119" he="26" top= "65" left = "36" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>式1
2、 一種權(quán)利要求1所述的強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法， 其為利用水模板法在高濕度環(huán)境下制備具有光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)的有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜，包括 如下的步驟-1) 先把式l所示的分子量為30000的PDTG溶解到氯仿、THF或甲苯中配制成2mg/ml 的溶液；2) 然后取100uL的上述溶液滴到清洗干凈的IT0玻璃上，控制相對(duì)濕度為70%, 溫度為24士rC的情況下，待溶劑揮發(fā)完畢，即制得本發(fā)明的強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī) 有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)有序多孔結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法。該薄膜為由式1所示的、分子量為30000的聚合物PDTG制備而成的蜂窩狀、有序多孔結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，其光電流是293nA/cm²，開(kāi)路光電壓是0.294V，短路光電流是2.58×10^-3mA/cm²，填充因子為0.433。該薄膜是利用水模板法在高濕度環(huán)境下制備而成。本發(fā)明的薄膜由于有很多孔隙結(jié)構(gòu)能夠使光在其中多次反射吸收，增大光的捕獲效率，同時(shí)孔狀結(jié)構(gòu)的引入增大了薄膜的表面積，有利于電荷在表面的分離，從而增大了光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C08J5/18GK101177492SQ20061011449
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者雷 江, 錦 翟, 衡利蘋(píng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所