一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于纳米热压印技术的二维 纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 二维和三维的有序微孔结构在光伏、光催化、光探测、传感器以及超疏水等方面都 具有非常大的应用价值，二维和三维的有序微孔的陷光结构在有机太阳能电池方面也有广 泛的应用，而在制备二维或三维的有序微孔结构时，经常要用到不同模板材料，目前比较常 用的模板材料多为二氧化硅或硅模板。但由于二氧化硅材料不易于刻蚀，并且材料的脆性 也增加了图像转移的难度。其模版制备工艺复杂而且难以满足大规模生产的需要，这极大 的限制了陷光结构在有机太阳能电池中的应用。基于二氧化硅和硅材料的压印模版在使用 时要经过切割、光刻，腐蚀、去胶、清洗等准备过程，准备周期较长，过程繁琐。为了解决这些 问题，我们需要用新型的工艺及方法快速制备陷光结构模版并将其应用于有机太阳能电 池。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于纳米热压印技术的反型有机太阳能电池及其制备 方法。该方法利用PS小球制备二维纳米碗阵列模版，其于该模版利用溶胶凝胶法制备Ti0 2 二维纳米碗阵列作为陷光结构模板，通过纳米压印机直接在活性层上压印出均匀分布的二 维纳米碗阵列，从而使操作更加简单方便，并且二维纳米碗阵列能够增强器件对于光的吸 收，提尚器件的性能。
[0004] 本发明中的基于纳米热压印技术的二维碗阵列陷光结构有机太阳能电池制备主 要包括两部分：1，PS小球模板法和溶胶凝胶法制备Ti0 2二维纳米碗阵列作为陷光结构模 版:2,陷光结构反型有机太阳能电池制备。
[0005] 本发明所制备的有机太阳能电池，从下至上，依次IT0导电玻璃衬底、Ti02电子传 输层、PCDTBT:PCBM活性层、Mo0 3空穴传输层、Ag阳极组成，即结构为玻璃/IT0/Ti02/PCDTBT: PCBM/M〇03/Ag，其特征在于:与Mo03空穴传输层相接触的PCDTBT: PCBM活性层表面为高度有 序的二维纳米碗阵列陷光结构，纳米碗的直径为350~450nm，高度为170~230nm;Ti〇2电子 传输层的厚度为30~50nm、PCDTBT:PCBM活性层的厚度为200~300nm、Mo0 3空穴传输层的厚 度为3~5nm、Ag阳极的厚度为80~120nm〇
[0006] 二维纳米碗阵列陷光结构模版采用PS小球模板法和溶胶凝胶法制备，采用纳米压 印技术将图形转移到活性层，PS小球模板法制备陷光结构模版工艺简单，并且通过专用的 纳米压印机直接在活性层表面制得均匀分布的二维纳米碗阵列陷光结构。当太阳光照射的 时候，由于界面处陷光结构的存在，可以大大的提高器件对于光的耦合，从而增强器件对于 太阳光的吸收。这样可以极大的提尚光生电流，从而提尚器件的性能。
[0007] 本发明所述基于纳米热压印技术的二维碗阵列陷光结构有机太阳能电池的制备 方法，其步骤如下：
[0008] 一、Ti〇2二维纳米碗阵列模版的制备
[0009] l)Ti〇2溶胶的配制
[0010] 向30~60mL的无水乙醇中加入5~20mL的C16H36〇4Ti，搅拌50~90分钟；加入5~ 20mL冰醋酸和10~30mL无水乙醇，搅拌20~40分钟；加入5~20mL乙酰丙酮和10~30mL无水 乙醇，搅拌20~40分钟；加入5~20mL去离子水和10~30mL无水乙醇，搅拌15~30h;静置2~ 4天，得到Ti0 2溶胶；
[0011] 2)衬底的处理
[0012]将玻璃衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10~30分钟，氮气吹干；
[0013] 3)PS小球模板的制备
[0014] 直径为300~500nm聚苯乙烯PS小球的单分散层是通过在水/空气界面的自组装办 法形成的。首先，配制质量分数5wt %~10wt %的PS小球的水和乙醇（水和乙醇的体积比是 1:1)单分散液;其次，在培养皿内加入去离子水，并向去离子水表面缓慢加入PS小球的水和 乙醇单分散液，PS小球在水面散开，继续加入分散液直至PS小球铺满整个水面;然后，向水 面滴入2wt %~5wt %的C12H25Na〇4S水溶液调整水面的表面张力，使PS小球排列紧密，进而控 制调节PS小球间隔尺寸;再然后，将清洁处理后的玻璃衬底倾斜着插入水中并缓慢提起，使 排列紧密的PS小球单分散层转移到玻璃衬底上;最后，将载有PS小球单分散层的玻璃衬底 在马弗炉中90°C~150°C条件下干燥15~30分钟去除溶剂，从而在玻璃衬底表面得到紧密 排列、有序的二维PS小球阵列；
[0015] 4)Ti02二维纳米碗阵列的制备
[0016] 首先，将步骤3)得到的覆盖有PS小球阵列的玻璃衬底垂直缓慢浸入到步骤1)得到 的Ti02溶胶溶液中3~5分钟，使Ti0 2溶胶填满PS小球模板的缝隙；然后，将从Ti02溶胶溶液 中取出的玻璃衬底在马弗炉中350~500°C条件下退火1.5~2.5小时，自然冷却至室温后在 玻璃衬底上得到高度有序的Ti0 2二维纳米碗阵列；纳米碗阵列结构直径350~450nm，高度 约170~230nm;
[0017]二、有机太阳能电池制备。
[0018] 1)将IT0导电玻璃放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20~30 分钟，清洗后用氮气吹干；
[0019] 2)将Ti02溶胶旋涂在IT0表面，旋涂速度为3000~5000rpm;然后将带有Ti0 2溶胶的 IT0导电玻璃用马弗炉在350~500°C条件下退火2~3h;自然冷却降温到室温后，即可在IT0 上制得Ti02薄膜，薄膜的厚度为30~50nm;
[0020] 3)室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM(质量比1:4)溶于有机溶剂二 氯苯(北京百灵威公司）中，配置成5~10mg/mL的溶液，然后在100~400rpm的搅拌速度下搅 拌24~48h，即可配置成P⑶TBT: PCBM的混合溶液；
[0021] 4)在Ti〇2薄膜上旋涂PCDTBT: PCBM混合溶液，转速为1000~2500rpm;然后，将样品 放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70~100°C退火30~50分钟，从而在Ti0 2薄膜上制得 PCDTBT: PCBM活性层，厚度为200~300nm;
[0022] 5)将旋涂有活性层的样品放在纳米热压印机中，采用制备好的Ti02二维纳米碗阵 列作为模版，然后设定加压温度为50~70°C，保压温度60~80°C，保压时间10~20分钟，泄 压温度30~60°C，从而在P⑶TBT: PCBM活性层的表面制得二维纳米碗阵列的陷光结构； [0023] 6)再在压强为1 X 10-4~1 X l(T5Pa条件下，在具有二维纳米碗阵列陷光结构的活 性层上蒸镀Mo〇3(国药集团化学试剂有限公司）空穴传输层，厚度为3~5nm，生长速度为 1~2 A/s
[0024] 7)最后在压强为1 X ΚΓ5~1 X l(T3Pa条件下在Mo〇3空穴传输层上蒸镀Ag(国药集团 化学试剂有限公司）电极，厚度为80~120nm，生长速度为3~6 Α/s,进而制备得到本发明所 述的二维纳米碗阵列陷光结构有机太阳能电池。
【附图说明】
[0025] 图1:本发明所述压印模版制备示意图；
[0026] 图2:本发明所述有机太阳能电池的结构不意图；
[0027] 图3:本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池光电流曲线 的对比。
[0028] 如图1所示，步骤1为生长PS小球，步骤2为控制调节PS小球间隔尺寸，步骤3为Ti02 形成、步骤4为退火后形成二维纳米结构。各部分名称为:PS小球11、Ti02溶胶层12、玻璃衬 底13。
[0029]如图2所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为IT0导电玻璃衬底，2为 Ti〇2电子传输层，3为活性层，4为Mo〇3空穴传输层，5为Ag电极。
[0030] 如图3所示，在lOOmw/cm2的氙灯光照下测得了 V-I特性曲线，a为对比器件，b为改 造后的器件。图3结果说明本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池 光电流曲线的对比，其电池短路电流，填充因子，能量转换效率明显提高。
【具体实施方式】
[0031] 实施例1
[0032] 一、Ti02二维纳米碗阵列模版的制备。
[0033] l)Ti02溶胶的配制步骤
[0034] 向40mL的无水乙醇中加入10mL的C16H36〇4Ti搅拌均匀60分钟；加入10mL冰醋酸和 20mL无水乙醇，搅拌30分钟；加入10mL乙酰丙酮和20mL无水乙醇，搅拌30分钟；加入10mL去 离子水和20mL无