有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球能源的高需求以及使用化石能源而帶來(lái)的環(huán)境污染促使開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能成 為世界關(guān)注的熱點(diǎn)課題。在眾多太陽(yáng)能電池類型中，有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池由于有機(jī)材料 結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性、材料重量輕、制造成本低、柔性和加工性能好、便于制造大面積電池和材 料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的研究開(kāi)發(fā)。然而純有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 較低。1992年，Heeger等首次發(fā)現(xiàn)共軛聚合物與C60之間存在光誘導(dǎo)超快電荷轉(zhuǎn)移這種現(xiàn) 象（Sariciftci, N. S. ; Smilowitz, L. ; Heeger, A. J. ; et al. Sciencel992, 258, 1474.)，繼而提出雜化太陽(yáng)能電池的概念。目前，有機(jī)聚合物-富勒烯衍生物（PCBM)體系 仍然主導(dǎo)著該類太陽(yáng)能電池，電池效率已經(jīng)突破10% (LiG.; ZhuR.; Yang Y. Nature Photon.，2012，6，153.)。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶（CdSe、Ti02、Zn0等）與PCBM薄膜相比，電 子遷移率較高；因此可將其引入聚合物體系中，以制備無(wú)機(jī)納米晶/聚合物雜化太陽(yáng)能電 池。作為P型半導(dǎo)體的聚合物（Electron Donor)與作為n型半導(dǎo)體無(wú)機(jī)納米晶（Electron Acc印tor)形成D/A互穿網(wǎng)絡(luò)，并且形成pn異質(zhì)結(jié)以利于激子的有效分離。經(jīng)計(jì)算，有 機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池（Hybrid Solar Cell，簡(jiǎn)稱為HSC)具有很高的理論效率。因此， 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池具有良好的發(fā)展前景，成為科研工作者的研究熱點(diǎn)。
[0003] 目前，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還很低，其開(kāi)路電壓Voc、短路 電流Jsc和填充因子FF都有待進(jìn)一步提高。光照產(chǎn)生的激子只有遷移到有機(jī)-無(wú)機(jī)界面才 可以分離，而激子擴(kuò)散長(zhǎng)度非常有限（~1〇 nm)，所以有機(jī)給體和無(wú)機(jī)受體要盡可能地良好 接觸并保證激子在此兩相界面快速有效地分離，這是影響電池性能的關(guān)鍵。雜化太陽(yáng)能電 池往往因?yàn)橛袡C(jī)-無(wú)機(jī)材料接觸面積小以及有機(jī)、無(wú)機(jī)材料性質(zhì)的差異使兩相界面接觸不 佳，激子傳輸?shù)絻上嘟缑娌荒苡行Х蛛x，導(dǎo)致電子不能順利地從有機(jī)聚合物傳遞給無(wú)機(jī)半 導(dǎo)體而與空穴復(fù)合。電荷復(fù)合越嚴(yán)重，Voc越小。所以，可以通過(guò)修飾有機(jī)-無(wú)機(jī)兩相界面 來(lái)提高激子在此界面處的分離效率并減小電荷復(fù)合。而電荷復(fù)合的降低，某種程度上可以 提高電荷的收集效率，對(duì)產(chǎn)生較大的光電流以及光電轉(zhuǎn)換效率是有益的。因此，選擇合適的 界面修飾劑來(lái)調(diào)控兩相界面性質(zhì)并優(yōu)化雜化太陽(yáng)能電池性能具有非常重要的作用和意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池及其制備方法， 制備了有序本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池、并通過(guò)界面修飾來(lái)優(yōu)化雜化界面。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案1是： 一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池，包括FT0導(dǎo)電玻璃、生長(zhǎng)在FT0導(dǎo)電玻璃上的Ti02 納米棒陣列、包覆在Ti02納米棒陣列表面的PED0T:PSS膜構(gòu)成的空穴傳輸層、以及蒸鍍?cè)?PEDOT:PSS膜上的金屬Au，1102納米棒陣列的表面吸附有三苯胺染料、并旋涂有p型有 機(jī)聚合物聚-3-己基噻吩膜；所述Ti02納米棒陣列的厚度為2. 5ym，納米棒粗10~20nm， PEDOT:PSS膜的厚度為60nm。
[0006] 本發(fā)明還提供了上述有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟： ① 清洗FT0導(dǎo)電玻璃，并在FT0導(dǎo)電玻璃上用水熱法生長(zhǎng)Ti02納米棒陣列（2)，得FT0/ Ti02電極； ② 將三苯胺染料溶于乙腈中，配成濃度為〇. 5mM的溶液，然后將步驟①中的FT0/Ti02 電極浸入上述溶液，得FT0/dye-Ti02電極； ③ 將P3HT的氯苯溶液旋涂在所述FT0/dye-Ti02電極的TiO2膜上，得FTO/dye-TiO2/ P3HT電極； ④ 空穴傳輸材料PED0T:PSS在P3HT膜上的旋涂：按照體積比1:100的比例將表面活性 劑ZF-300與PED0T:PSS水溶液混合，然后將上述混合液旋涂在所述FT0/dye-Ti02/P3HT電 極上，得FT0/dye-Ti02/P3HT/PED0T:PSS電極； ⑤ 在所述FT0/dye-Ti02/P3HT/PED0T:PSS電極表面熱蒸發(fā)鍍金電極，制得有機(jī)-無(wú)機(jī) 雜化太陽(yáng)能電池。
[0007] 優(yōu)選的，步驟②中三苯胺染料的結(jié)構(gòu)式是：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池，包括FTO導(dǎo)電玻璃（6 )、生長(zhǎng)在FTO導(dǎo)電玻璃（6 ) 上的Ti02納米棒陣列（5)、包覆在TiO2納米棒陣列（5)表面的PED0T:PSS膜構(gòu)成的空穴傳 輸層（2)以及蒸鍍?cè)赑ED0T:PSS膜上的金電極（1 )，其特征在于所述Ti02納米棒陣列（5)的 表面吸附有三苯胺染料（4)、并旋涂有p型有機(jī)聚合物聚-3-己基噻吩膜（3);所述1102納 米棒陣列（5)的厚度為2. 5iim，納米棒粗10~20nm;所述PED0T:PSS膜的厚度為60nm。
2. -種權(quán)利要求1所述的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于包括以 下步驟： ① 清洗FT0導(dǎo)電玻璃，并在FT0導(dǎo)電玻璃（1)上用水熱法生長(zhǎng)Ti02納米棒陣列（2)，得FT0/Ti02 電極； ② 將三苯胺染料溶于乙腈中，配成濃度為〇. 5mM的溶液，然后將步驟①中的FT0/Ti02 電極浸入上述溶液，得FT0/dye-Ti02電極； ③ 將P3HT的氯苯溶液旋涂在所述FT0/dye-Ti02電極的TiO2膜上，得FTO/dye-TiO2/ P3HT電極； ④ 空穴傳輸材料PED0T:PSS在P3HT膜上的旋涂：按照體積比1:100的比例將表面活性 劑ZF-300與PED0T:PSS水溶液混合，然后將上述混合液旋涂在所述FT0/dye-Ti02/P3HT電 極上，得FT0/dye-Ti02/P3HT/PED0T:PSS電極； ⑤ 在所述FT0/dye-Ti02/P3HT/PED0T:PSS電極表面熱蒸發(fā)鍍金電極（1 )，制得有機(jī)-無(wú) 機(jī)雜化太陽(yáng)能電池。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于步驟① 中水熱法生長(zhǎng)Ti02納米棒陣列（2)的方法為：將鈦酸四丁酯滴加鹽酸溶液中，然后加入至 反應(yīng)釜中，所述反應(yīng)釜中放置一洗凈的FT0導(dǎo)電玻璃，導(dǎo)電面向下；于150°C水熱反應(yīng)20h; 反應(yīng)完后，冷卻至室溫，取出FTO導(dǎo)電玻璃，用去離子水和乙醇沖洗數(shù)次后，450°C煅燒1h。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于TiO2納 米棒陣列的長(zhǎng)度為2. 5iim，納米棒粗10~20nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的 制備方法，其特征在于步驟②中所述三苯胺染料的結(jié)構(gòu)式為：
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于步驟③ 旋涂P3HT的氯苯溶液后，在烘箱中于60°C下烘干。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池及其制備方法，所述電池的結(jié)構(gòu)中包括FTO導(dǎo)電玻璃、生長(zhǎng)在FTO導(dǎo)電玻璃上的TiO2納米棒陣列、包覆在TiO2納米棒陣列表面的PEDOT:PSS膜構(gòu)成的空穴傳輸層、以及蒸鍍?cè)赑EDOT:PSS膜上的金屬Au，TiO2納米棒陣列的表面吸附有三苯胺染料、并旋涂有p型有機(jī)聚合物聚-3-己基噻吩。本發(fā)明提供界面修飾可以改善無(wú)機(jī)半導(dǎo)體TiO2與有機(jī)聚合物P3HT的接觸，提高激子在界面處的分離效率，抑制電荷復(fù)合，降低暗電流，制得的雜化太陽(yáng)能電池獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率；其制作方法簡(jiǎn)單、易操作，光電性能改善效果明顯，顯示出其潛在的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H01L51-48, H01L51-46, H01L51-44
【公開(kāi)號(hào)】CN104617221
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510016012
【發(fā)明人】裴娟, 王尚鑫
【申請(qǐng)人】河北科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月13日