專利名稱：：一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池及其制法。
背景技術(shù)：
：利用共軛聚合物作為電子給體、無機(jī)半導(dǎo)體納米晶作為電子受體的聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池結(jié)合了有機(jī)半導(dǎo)體材料溶液加工和無機(jī)半導(dǎo)體載流子遷移率高的優(yōu)點(diǎn)，成為近年來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。氧化鋅(Zn0)是環(huán)境友好材料，電子遷移率高，制備方法簡(jiǎn)單，這些優(yōu)點(diǎn)使得Zn0在聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池中有著廣闊的應(yīng)用前景。2004年J.Janssen第一次采用氧化鋅納米粒子和[2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)-對(duì)-苯乙烯撐](MDM0-PPV)共混(Adv.Mater.2004，16，1009-1013)構(gòu)造體異質(zhì)結(jié)雜化太陽能電池，在lOOmW/cm2的AMI.5模擬太陽光條件下電池轉(zhuǎn)換效率為1.6%。然而目前的聚合物-無機(jī)納米晶薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率還比較低，其中的一個(gè)主要問題是同無機(jī)半導(dǎo)體納米晶相比，共軛聚合物的載流子遷移率較低，限制了光生載流子的有效收集，因此導(dǎo)致電池的能量轉(zhuǎn)換效率較低。如果解決此類電池中空穴的收集效率問題，能夠使電池的能量轉(zhuǎn)換效率有較大提高。
發(fā)明內(nèi)容為了解決已有技術(shù)存在的電池的能量轉(zhuǎn)換效率低的問題，本發(fā)明提供了一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池及其制法。通過在銦錫氧化物(IT0)陽極表面引入高載流子遷移率的p型半導(dǎo)體氧化亞銅納米晶作為空穴收集層提高電池的載流子收集效率。氧化亞銅(Cu20)納米晶空穴收集層表面具有粗糙的表面結(jié)構(gòu)，增大了與共軛聚合物的接觸面積，從而形成有效的空穴傳輸通道提高共軛聚合物中空穴的收集效率，降低載流子的復(fù)合；進(jìn)而提高電池的短路電流、開路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率。如附圖1所示，一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池，其玻璃基板1和IT0陽極層2連接；共軛聚合物和氧化鋅的共混物構(gòu)成的光敏層4和陰極鋁5連接；其特征在于，還有氧化亞銅空穴收集層3，所述的氧化亞銅空穴收集層3分別與IT0陽極層2和共軛聚合物和氧化鋅的共混物構(gòu)成的光敏層4連接；所述的銦錫氧化物陽極層2的厚度為80-150納米；氧化亞銅空穴收集層3厚度為30-80納米；光敏層4的厚度為100-200納米；陰極鋁5的厚度為80-200納米。一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池及其制備方法，其步驟及條件如下在惰性氣氛手套箱中，將聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-苯乙烯撐](MEH-PPV)與Zn0以1:3.3的質(zhì)量比溶解于氯苯甲醇體積比為95:5的混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個(gè)小時(shí)；所述的MEH-PPV的濃度為3.5毫克/毫升；Zn0的粒徑為5納米，Zn0的濃度為11.55毫克/毫升；將在玻璃基板1上厚度為80-150納米的IT0陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細(xì)條狀，將刻蝕好細(xì)條狀的IT0玻璃清洗干凈，放入烘箱中在120'C下烘干，再將其放置在涂膜機(jī)的托架上，通過0.45微米的過濾頭將氧化亞銅乙二醇分散液均勻涂在ITO基板上，氧化亞銅納米晶的粒徑在20-100納米之間，該分散液的濃度為7毫克/毫升，在450-4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)一分鐘，在ITO表面形成一層厚度為30-80納米的氧化亞銅空穴收集層3，放入真空度為0.1帕斯卡的真空烘箱抽真空1小時(shí)除去乙二醇溶劑，再將涂有空穴收集層3的襯底轉(zhuǎn)移到手套箱中，放置在涂膜機(jī)的托架上，把攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻涂在氧化亞銅空穴收集層3的上面，以900轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)涂膜，得到厚度為100-200納米的光敏層4的襯底；將涂有光敏層4的襯底用轉(zhuǎn)移瓶自手套箱中取出，放入真空鍍膜機(jī)中抽真空，當(dāng)真空度達(dá)4Xl(r帕斯卡時(shí)，蒸鍍80-200納米的鋁作為陰極5;通過以上步驟制成結(jié)構(gòu)為IT0(120nm)/Cu20(30-80nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80n邁)的聚合物-無機(jī)納米晶雜化雜化太陽能電池。該電池的有效面積為12平方毫米。在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試本發(fā)明的聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池的性能，包括開路電壓、短路電流、能量轉(zhuǎn)換效率和填充因子。表l列出了對(duì)比例l、2和實(shí)施例1、2、3、4、5聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池的性能參數(shù)。從表1中可以看出短路電流隨氧化亞銅旋涂轉(zhuǎn)速增加而增加，當(dāng)氧化亞銅旋涂轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)，短路電流最大為4.15毫安/平方厘米，最大能量轉(zhuǎn)化效率為2.22%。當(dāng)氧化亞銅旋涂轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí)短路電流和能量轉(zhuǎn)化效率均減小。而開路電壓隨氧化亞銅旋涂轉(zhuǎn)速增加變化不大。同對(duì)比例1相比，實(shí)施例3的開路電壓提高了32.5%;短路電流提高了49%;能量轉(zhuǎn)換效率提高了171%;同對(duì)比例2相比，實(shí)施例3的開路電壓提高了55.9%;短路電流提高了57.2%;能量轉(zhuǎn)換效率提高了222%。有益效果本發(fā)明涉及一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池。具體為通過在IT0基板上旋涂空穴收集層氧化亞銅，一方面提高了空穴收集效率，使得空穴和電子遷移率傳輸更加平衡從而減少了載流子復(fù)合，提高了電池的短路電流；另一方面提高ITO功函，增加了聚合物-無機(jī)納米晶太雜化陽能電池的開路電壓，這兩方面作用提高了聚合物無機(jī)納米晶雜化太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率。同使用聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)做空穴傳輸層的器件相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的電池的串聯(lián)電阻由165歐姆平方厘米下降到17歐姆平方厘米，減少了89.7%。開路電壓由0.80伏特增加到1.06伏特，提高了32.5%。短路電流由2.78毫安/平方厘米增大到4.15毫安/平方厘米，提高了49%，能量轉(zhuǎn)化效率由0.82%增大到2.22%，提高了171%。同未使用空穴傳輸層的器件相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的電池的串聯(lián)電阻由283歐姆平方厘米下降到17歐姆平方厘米，減少了94%，開路電壓由0.68伏特增加到1.06伏特，提高了55.9%，短路電流由2.64毫安/平方厘米增大到4.15毫安/平方厘米，提高了57.2%，能量轉(zhuǎn)化效率由0.69%增大到2.22%，提高了222%。圖1是對(duì)比例1和實(shí)施例1、2、3、4、5采用的電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)層是玻璃基板；2層是IT0陽極層；4層是MEH-PPV:ZnO光敏層；5層是鋁陰極層；對(duì)比例1的3層是PEDOT:PSS，實(shí)施例1、2、3、4和5的3層是Cii20空穴收集層。圖2是對(duì)比例2的電池結(jié)構(gòu)示意圖。其中1層是玻璃基板；2層是ITO陽極層；4層是MEH-PPV:ZnO光敏層；5層是鋁陰極層。圖3是對(duì)比例1、2和實(shí)施例1、2、3、4、5在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。其中，曲線A是對(duì)比例1在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。曲線B是對(duì)比例2在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。曲線C是實(shí)施例1在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。曲線D是實(shí)施例2在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。曲線E是實(shí)施例3在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。曲線F是實(shí)施例4在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。曲線G是實(shí)施例5在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下測(cè)試的電流-電壓特性曲線圖。具體實(shí)施方式對(duì)比例1在惰性氣氛手套箱中，將聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-苯乙烯撐](MEH-PPV)與Zn0以1:3.3的質(zhì)量比溶解于氯苯甲醇體積比為95:5的混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個(gè)小時(shí)；所述的MEH-PPV的濃度為3.5毫克/毫升；Zn0的粒徑為5納米，Zn0的濃度為11.55毫克/毫升；將在玻璃基板1上厚度為120納米的銦錫氧化物陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細(xì)條狀，將刻蝕好細(xì)條狀的ITO玻璃清洗干凈，放入烘箱，12(TC烘干，再將該加工件放置在涂膜機(jī)的托架上，通過0.45微米的過濾頭，將聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PED0T:PSS)的溶液均勻涂滿整個(gè)片子，以3000轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂成膜，在IT0表面形成一層40納米厚的薄膜，作為陽極修飾層3，再放入烘箱，120。C加熱30分鐘；將涂有PEDOT:PSS的加工件轉(zhuǎn)移到手套箱中，待基底冷卻后放置在旋涂機(jī)托架上，把攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻涂在PED0T:PSS的表面，以900轉(zhuǎn)每分鐘的速度旋轉(zhuǎn)一分鐘，得到140納米厚的光敏層；將涂有光敏層4的樣品用轉(zhuǎn)移瓶從手套箱中取出，放入真空鍍膜機(jī)中，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)4X10—4帕斯卡時(shí)，蒸鍍80納米厚的鋁陰極層5。將蒸完鋁電極之后的器件轉(zhuǎn)移到手套箱中，封裝起來，完成聚合物-無機(jī)納米晶雜化太陽能電池的制作。制成結(jié)構(gòu)為ITO(120nm)/PEDOT:PSS(40nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80nm)聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池。對(duì)比例2器件結(jié)構(gòu)及制備方法同對(duì)比例1，不同的是在ITO陽極表面直接旋涂攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液，制成結(jié)構(gòu)為IT0(120mn)/MEH-PPV:Zn0(140nm)/Al(80nm)的聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池。實(shí)施例l在惰性氣氛手套箱中，將MEH-PPV與ZnO以1:3.3的質(zhì)量比溶解于氯苯甲醇體積比為95:5混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個(gè)小時(shí)；所述的MEH-PPV的濃度為3.5毫克每毫升；ZnO的粒徑為5納米，ZnO的濃度為11.55毫克每毫升；將在玻璃基板1上厚度為120nm的銦錫氧化物陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細(xì)條狀，將刻蝕好細(xì)條狀的ITO玻璃清洗干凈，放入烘箱，12(TC烘干，再將該加工件放置在涂膜機(jī)的托架上，通過0.45微米的過濾頭，將Cu20的分散液均勻涂滿整個(gè)片子，以450轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂成膜，在該該加工件表面形成一層厚度為80納米的Cu20空穴收集層3，再放入真空度為0.1帕斯卡的真空烘箱抽真空1小時(shí)除去乙二醇溶劑；將烘好的制備有Cu20空穴收集層3的樣品轉(zhuǎn)移到手套箱中，將其放置在涂膜機(jī)的托架上，將攪拌好的MEH-PPV/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻涂在Cu20空穴傳輸層3的上面，旋轉(zhuǎn)涂膜，轉(zhuǎn)速為每分鐘900轉(zhuǎn)，得到厚度為140納米的光敏層4;將涂有光敏層4的加工件用轉(zhuǎn)移瓶從手套箱中取出，放入真空鍍膜機(jī)中，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)4X10—4帕斯卡時(shí)，蒸鍍80納米厚的鋁陰極層5。將蒸完鋁電極之后的器件轉(zhuǎn)移到手套箱中，封裝起來，完成聚合物/無機(jī)納米晶太陽能電池的制作。器件結(jié)構(gòu)為ITO(120nm)/Cu20(80nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80nm)。實(shí)施例2器件結(jié)構(gòu)及制備方法同實(shí)施例1，不同的是Cu20旋涂轉(zhuǎn)速為每分鐘1000轉(zhuǎn)，得到厚度為50納米的Cu20空穴收集層。器件結(jié)構(gòu)為ITO(120nm)/Cu20(50nm)/MEH-PPV:Zn0(140訓(xùn))/Al(80nm)。實(shí)施例3器件結(jié)構(gòu)及制備方法同實(shí)施例1，不同的是Cu20旋涂轉(zhuǎn)速為每分鐘2000轉(zhuǎn)，得到厚度為40納米的Cu20空穴收集層。器件結(jié)構(gòu)為ITO(120nm)/Cu20(40nm)/MEH-PPV:ZnO(140nm)/Al(80nm)。器件結(jié)構(gòu)及制備方法同實(shí)施例1，不同的是Cu20旋涂轉(zhuǎn)速為每分鐘3000轉(zhuǎn)，得到厚度為35納米的Cu20空穴收集層。器件結(jié)構(gòu)為ITO(120nm)/Cu20(35nm)/MEH—PPV:Zn0(140nm)/Al(80nm)。實(shí)施例5器件結(jié)構(gòu)及制備方法同實(shí)施例1，不同的是0120旋涂轉(zhuǎn)速為每分鐘4000轉(zhuǎn)，得到厚度為30納米的Cu20空穴收集層。器件結(jié)構(gòu)為ITO(120nm)/Cu20(30nm)/MEH-PPV:Zn0(140nm)/Al(80nm)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表1是在強(qiáng)度為100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模擬太陽光下對(duì)比例1、2和實(shí)施例1、2、3、4、5的器件性能參數(shù)對(duì)比，包括開路電壓、短路電流、填充因子、能量轉(zhuǎn)換效率和串聯(lián)電阻。權(quán)利要求1.一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池，其特征在于，其構(gòu)成如下玻璃基板(1)和銦錫氧化物陽極層(2)連接；共軛聚合物和氧化鋅的共混物構(gòu)成的光敏層(4)和陰極鋁(5)連接；其特征在于，還有氧化亞銅空穴收集層(3)，所述的氧化亞銅空穴收集層(3)分別與ITO陽極層(2)和共軛聚合物和氧化鋅的共混物構(gòu)成的光敏層(4)連接；所述的銦錫氧化物陽極層(2)的厚度為80-150納米；氧化亞銅空穴收集層(3)厚度為30-80納米；光敏層(4)的厚度為100-200納米；陰極鋁(5)的厚度為80-200納米。2.如權(quán)利要求所述的一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池及其制備方法，其步驟及條件如下在惰性氣氛手套箱中，將聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-l，4-苯乙烯撐]與Zn0以1:3.3的質(zhì)量比溶解于氯苯甲醇體積比為95:5的混合溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液磁力攪拌12個(gè)小時(shí)；所述的聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-l,4-苯乙烯撐]的濃度為3.5毫克/毫升；Zn0的粒徑為5納米，Zn0的濃度為11.55毫克/毫升；將在玻璃基板1上厚度為120納米的銦錫氧化物陽極層2刻蝕成寬度為4毫米的細(xì)條狀，將刻蝕好細(xì)條狀的銦錫氧化物的玻璃基板清洗干凈，放入烘箱中在12(TC下烘干，再將其放置在涂膜機(jī)的托架上，通過0.45微米的過濾頭將氧化亞銅乙二醇分散液均勻涂在銦錫氧化物的玻璃基板上，氧化亞銅納米晶的粒徑在20-100納米之間，該分散液的濃度為7毫克/毫升，在450-4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)一分鐘，在銦錫氧化物表面形成一層厚度為30-80納米的氧化亞銅空穴收集層3，放入真空度為0.1帕斯卡的真空烘箱抽真空1小時(shí)除去乙二醇溶劑，再將涂有空穴收集層3的襯底轉(zhuǎn)移到手套箱中，放置在涂膜機(jī)的托架上，把攪拌好的聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-l，4-苯乙烯撐/ZnO混合溶液通過0.45微米的過濾頭均勻涂在氧化亞銅空穴收集層3的上面，旋轉(zhuǎn)涂膜得到光敏層4;將涂有光敏層4的襯底用轉(zhuǎn)移瓶自手套箱中取出，放入真空鍍膜機(jī)中抽真空，當(dāng)真空度達(dá)4X10—4帕斯卡時(shí)，蒸鍍鋁作為陰極5，得到聚合物/無機(jī)納米晶雜化雜化太陽能電池。全文摘要本發(fā)明提供了本發(fā)明涉及一種聚合物/無機(jī)納米晶雜化太陽能電池及其制法。引入p型無機(jī)納米晶氧化亞銅做空穴收集層。氧化亞銅納米晶提高了ITO表面功函數(shù)，進(jìn)而增加了開路電壓，最終提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。與使用傳統(tǒng)的聚(3，4-環(huán)二氧乙基噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽做空穴傳輸層的電池相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的電池開路電壓提高了32.5％，短路電流提高了49％，能量轉(zhuǎn)換效率提高了171％；與不使用空穴傳輸層的電池相比，使用氧化亞銅做空穴收集層的器件開路電壓提高了55.9％，短路電流提高了57.2％，能量轉(zhuǎn)換效率提高了222％。文檔編號(hào)H01G9/20GK101640133SQ20091006742公開日2010年2月3日申請(qǐng)日期2009年8月24日優(yōu)先權(quán)日2009年8月24日發(fā)明者付瑩瑩,劉鳳敏,謝志元,邵書艷申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所