一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池及其制备方法。目的在于利用银纳米线的散射和等离子体共振效应增强太阳能电池中活性层的光吸收能力，提高聚合物太阳能电池的光电转换效率和解决利用以旋涂法或喷涂法制备的银纳米线薄膜存在堆积的问题，从而减小银纳米线薄膜的表面粗糙度与电池器件短路。该制备方法的实现过程为：采用浸渍提拉法在ITO上形成有序的银纳米线薄膜，并通过旋凃或浸渍提拉一层ZnO层覆盖银纳米线层获得银纳米线/ZnO叠层，将银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层制备倒置聚合物太阳能电池，提高电池器件的光电转换效率。
【专利说明】
一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，新兴的太阳能电池技术不断涌现，其中，与无机半导体相比，有机聚合物太阳能电池的光吸收和载流子传输层兼具了高分子材料的可加工性、柔韧性以及半导体材料的导电性，可以使用旋涂、涂布、喷墨打印、丝网印刷，卷对卷印刷等湿法制备;另外，电池的衬底可以采用镀有透明电极的柔性、材料，这就使得其在大面积柔性制备上具有广阔的前景。然而与成熟的无机太阳能电池相比，其转换效率还相对较低。因此，设计与合成宽吸收范围和高迀移率的太阳能电池材料、优化太阳能电池的结构、改善电池的界面收集电荷能力是目前聚合物太阳能电池的重要研究方向。
[0003]目前研究较多的一种电池结构为氧化铟锡(ITO)沉积于衬底上作为阳极，最后沉积金属铝作为阴极，电极之间为阻挡层与活性层，这种结构被称为正置太阳能电池结构。因ITO作为阳极与给体聚合物之间存在能级失配，电极需要引入表面修饰层(空穴传输层或电子阻挡层)PEDOT: PSSWEDOt = PSS具有酸性会腐蚀ΙΤ0，导致界面具有较差的化学稳定性，导致器件整体性能的下降。一种解决上述正置电池缺陷的方式为采用倒置电池结构，即选择ITO电极作为阴极，选择具有更高功函数的惰性金属作为阳极。一方面惰性金属能避免电极氧化的问题，另一方面不用苛求其透光性也使得阳极材料的选择有了更大的空间。
[0004]目前还有一种提高太阳能电池光电转换效率的方法是采用金属纳米线对光的散射与表面等离子体效应来增强电池活性层对光的吸收能力。表面等离子体效应是指金属表面存在的自由振动的电子和光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。近年来，已经通过实验验证在聚合物太阳能电池的空穴收集层中掺入银纳米线可以提高电池的光电转换效率。
[0005]综上所述，本发明基于上述提高聚合物有机电池稳定性及光电转换效率的方案，提出使用有序银纳米线自组装并用ZnO覆盖作为电子收集层的倒置电池结构中，以提高倒置聚合物太阳能电池效率的方法。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提出了一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池及其制备方法，通过提拉一层有序的银纳米线并用ZnO覆盖，利用银纳米线的表面等离子体效应及对光的散射增强电池对太阳光的吸收能力，增强聚合物电池的光电转换效率和解决聚合物太阳能电池PEDOT: PSS对ITO的腐蚀问题。
[0008]—种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，包括如下步骤:
1)在玻璃ITO衬底的ITO面一侧制备一层有序银纳米线薄膜；
2)在有序银纳米线薄膜上，通过溶液加工方法制备得到ZnO薄膜，覆盖形成聚合物太阳电池的电子收集层；
3)在ZnO薄膜上面旋涂聚噻吩与富勒烯混合物溶液，形成聚合物太阳电池的活性层；
4)在活性层上通过热蒸发沉积一层氧化钼或氧化钒薄膜，形成聚合物太阳电池的空穴收集层；
5)通过热蒸发，在氧化钼或氧化钒薄膜上沉积银或铝层，形成阳极，完成倒置聚合物太阳能电池的制备。
[0009]进一步地，所述的有序银纳米线薄膜的制备是采用浸渍提拉法，先将银纳米线进行分散处理，于50?90°C的水浴辅助溶剂流诱导银纳米线在水/空气界面上自组装，再通过提拉机将自组装后的银纳米线转移到ITO表面，通过水浴温度来调节有序银纳米线间的距离;利用银纳米线的等离子共振效应和对光的散射来增强活性层对光的吸收能力;较之旋涂或喷涂所得到的银纳米线薄膜，浸渍提拉法所得到的有序银纳米线薄膜有着较低的表面粗糙度，解决了薄膜的堆积问题，提高电池器件的光电转换效率。
[0010]更进一步地，所述分散处理的分散剂为易挥发的醇类溶剂，包括甲醇、乙醇和异丙醇;所述溶剂流的溶剂为水，所述银纳米线的直径为25?60 nm。
[0011 ] 进一步地，所述银纳米线的直径为25?60 nm。
[0012]进一步地，所述溶液加工方法包括旋涂或浸渍提拉法，所述ZnO薄膜的厚度为30?40 nmD
[0013]进一步地，所述聚噻吩与富勒烯混合物溶液中，聚噻吩与富勒烯质量比为I?1.25，活性层的厚度为100?200 nm。
[OOM]进一步地，所述氧化钼或氧化fji薄膜的厚度为4?10 nm。
[0015]进一步地，所述银层或铝层的厚度为100?200 nm。
[0016]由上述制备方法制得的倒置聚合物太阳能电池。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益结果:
1、通过浸渍提拉法制得的有序银纳米线，降低银纳米线膜层的粗糙度和避免银纳米线发生堆积；同时，利用银纳米线的表面等离子体效应及对光的散射来增强电池对太阳光的吸收能力。
[0018]2、采用本发明方法制备的倒置电池结构，可解决正置结构中ITO电极的腐蚀氧化问题；用银纳米线/ZnO叠层作为阴极表面修饰层，代替了PED0T:PSS作为正置电池中阳极阻挡层对ITO的腐蚀，同时还避免了水对活性层的影响。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为自组装有序银纳米线薄膜；
图3为银纳米线/ZnO叠层电子收集层的倒置聚合物太阳能电池器件结构示意图；
图4分别为ZnO和银纳米线(AgNWs)/ZnO作为电子收集层的倒置聚合物太阳能电池器件在AMl.5太阳模拟光源照射下的J-V特性曲线；
【具体实施方式】
[0020]以下结合具体实施例来对本发明所述的一种银纳米线/ZnO叠层电子收集层的倒置聚合物太阳电池及其制备方法做进一步详细描述。但本发明所要求的保护范围并不局限于实施例所涉及的范围。
[0021]本发明所述的通过浸渍提拉法在ITO玻璃衬底上引入有序银纳米线层，并用ZnO覆盖制备倒置聚合物太阳能电池，工艺流程如图1所示。
[0022]实施例1
Cl)按质量比为1:0.8分别称量20 mg聚噻吩和16 mg富勒稀溶于I ml二氯苯中，并加入20 ul D10，所述溶解过程在充满氮气的手套箱中进行，将溶液置于50°C热台搅拌加热12小时；
(2)将直径为30nm的银纳米线相应的质量分数为0.1%的银纳米溶液分散在异丙醇中，银纳米溶液与异丙醇的体积比为1:7，并用微孔滤膜进行真空抽滤，得到均匀分散且无明显团聚的银纳米线分散液；
(3)对玻璃衬底依次进行以下步骤清洗:丙酮超声10分钟、去离子水超声10分钟、异丙醇超声10分钟，烘干后待用；
(4)采用水浴法，将烧杯中45ml的超纯水加热到80°C，并始终维持超纯水这一温度，然后在超纯水表面逐滴滴加步骤(2)得到的银纳米线分散液，直到超纯水表面自组装成一层银纳米线薄膜；
(5)选取两片步骤(3)处理后的玻璃片，背靠背夹持，采用浸渍提拉法，以2000μπι/s的提拉速率将自组装后的银纳米线薄膜转移到玻璃衬底上，得到单向有序的银纳米线膜如图2所示；
(6)在银纳米线层上采用质量分数为5%的ZnO溶液旋涂一层氧化锌层，随后在120°C热台上热处理10 min。所制得的氧化锌层的厚度为40 nm；
(7)在氧化锌层上旋涂(I)中制备的聚噻吩与富勒稀混合物溶液，转速为800rpm，时间为45 S，在静置7小时后在150 °C热台上退火15 min;得到聚噻吩和富勒烯混合物的活性层，厚度为120 nm；
(8)用真空蒸镀机先蒸镀氧化钼层，厚度为5nm，接下来蒸镀银层，银层厚度为100 nm,并完成倒置聚合物太阳能电池的制备。
[0023]得到的倒置聚合物太阳能电池器件结构如图3所示。
[0024]图4分别为ZnO和银纳米线(AgNWs)/ZnO作为电子收集层的倒置聚合物太阳能电池器件在AMl.5太阳模拟光源照射下的J-V特性曲线，可以看出，采用浸渍提拉法在ITO上形成有序的银纳米线膜层，并将ZnO覆盖银纳米线层作为电子收集层应用在倒置聚合物电池结构中，倒置聚合物太阳能电池的光电转换效率得到了提升。
[0025]实施例2
(1)按质量比为1:1分别称量20 mg聚噻吩和20mg富勒烯溶于I ml 二氯苯中，并加入20ul D10，所述溶解过程在充满氮气的手套箱中进行，将溶液置于50°C热台搅拌加热12小时；
(2)将直径为60nm的银纳米线相应的质量分数为0.1%的银纳米溶液分散在异丙醇中，银纳米溶液与异丙醇的体积比为1:7，并用微孔滤膜进行真空抽滤，得到均匀分散且无明显团聚的银纳米线分散液；
(3)对玻璃衬底依次进行以下步骤清洗:丙酮超声10分钟、去离子水超声10分钟、异丙醇超声10分钟，烘干后待用；
(4)采用水浴法，将烧杯中45ml的超纯水加热到50°C，并始终维持超纯水这一温度，然后在超纯水表面逐滴滴加步骤(2)得到的银纳米线分散液，直到超纯水表面自组装成一层银纳米线薄膜；
(5)选取两片步骤(3)处理后的玻璃片，背靠背夹持，采用浸渍提拉法，以2000μπι/s的提拉速率将自组装后的银纳米线薄膜转移到玻璃衬底上，得到单向有序的银纳米线膜如图2所示；
(6)在银纳米线层上采用质量分数为5%的ZnO溶液旋涂一层氧化锌层，随后在120°C热台上热处理10 min。所制得的氧化锌层的厚度为30 nm；
(7)在氧化锌层上旋涂(I)中制备的聚噻吩与富勒稀混合物溶液，转速为800rpm，时间为45 S，在静置7小时后在150 °C热台上退火15 min;得到聚噻吩和富勒烯混合物的活性层，厚度为200nm;
(8)用真空蒸镀机先蒸镀氧化钼层，厚度为10nm，接下来蒸镀银层，银层厚度为160nm,并完成倒置聚合物太阳能电池的制备。
[0026]采用实施例1相同的测试方法，可参见图4，采用浸渍提拉法在ITO上形成有序的银纳米线膜层，并将ZnO覆盖银纳米线层作为电子收集层应用在倒置聚合物电池结构中，倒置聚合物太阳能电池的光电转换效率得到了提升。
[0027]实施例3
(1)按质量比为1.2:1分别称量24mg聚噻吩和20mg富勒稀溶于I ml二氯苯中，并加入20 ul D10，所述溶解过程在充满氮气的手套箱中进行，将溶液置于50°C热台搅拌加热12小时；
(2)将直径为25nm的银纳米线相应的质量分数为0.1%的银纳米溶液分散在异丙醇中，银纳米溶液与异丙醇的体积比为1:7，并用微孔滤膜进行真空抽滤，得到均匀分散且无明显团聚的银纳米线分散液；
(3)对玻璃衬底依次进行以下步骤清洗:丙酮超声10分钟、去离子水超声10分钟、异丙醇超声10分钟，烘干后待用；
(4)采用水浴法，将烧杯中45ml的超纯水加热到90°C，并始终维持超纯水这一温度，然后在超纯水表面逐滴滴加步骤(2)得到的银纳米线分散液，直到超纯水表面自组装成一层银纳米线薄膜；
(5)选取两片步骤(3)处理后的玻璃片，背靠背夹持，采用浸渍提拉法，以2000μπι/s的提拉速率将自组装后的银纳米线薄膜转移到玻璃衬底上，得到单向有序的银纳米线膜如图2所示；
(6)在银纳米线层上采用质量分数为5%的ZnO溶液旋涂一层氧化锌层，随后在120°C热台上热处理10 min。所制得的氧化锌层的厚度为37 nm；
(7)在氧化锌层上旋涂(I)中制备的聚噻吩与富勒稀混合物溶液，转速为800rpm，时间为45 S，在静置7小时后在150 °C热台上退火15 min;得到聚噻吩和富勒烯混合物的活性层，厚度为10nm; (8)用真空蒸镀机先蒸镀氧化钼层，厚度为4nm，接下来蒸镀银层，银层厚度为200 nm,并完成倒置聚合物太阳能电池的制备。
[0028]采用实施例1相同的测试方法，可参见图4，采用浸渍提拉法在ITO上形成有序的银纳米线膜层，并将ZnO覆盖银纳米线层作为电子收集层应用在倒置聚合物电池结构中，倒置聚合物太阳能电池的光电转换效率得到了提升。
【主权项】
1.一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)在玻璃ITO衬底的ITO面一侧制备一层有序银纳米线薄膜； (2)在有序银纳米线薄膜上采用ZnO溶液通过溶液加工方法制备得到ZnO薄膜，覆盖形成聚合物太阳电池的电子收集层； (3)在ZnO薄膜上面旋涂聚噻吩与富勒烯混合物溶液，形成聚合物太阳电池的活性层； (4)在活性层上通过热蒸发沉积一层氧化钼或氧化钒薄膜，形成聚合物太阳电池的空穴收集层； (5)通过热蒸发，在氧化钼或氧化钒薄膜上沉积银层或铝层，形成阳极，完成倒置聚合物太阳能电池的制备。2.根据权利要求1所述的一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的有序银纳米线薄膜的制备是采用浸渍提拉法，先将银纳米线进行分散处理，并于50?90°C下水浴辅助溶剂流诱导银纳米线在水/空气界面上自组装，再通过提拉机将自组装后的银纳米线转移到ITO表面。3.根据权利要求2所述的一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述分散处理的分散剂为易挥发的醇类溶剂，包括甲醇、乙醇和异丙醇;所述溶剂流的溶剂为水。4.根据权利要求1或2所述的一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述银纳米线的直径为25?60 nm。5.根据权利要求1所述的一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述溶液加工方法包括旋涂或浸渍提拉法，所述ZnO薄膜的厚度为30~40 nm。6.根据权利要求1所述的一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述聚噻吩与富勒烯混合物溶液中，聚噻吩与富勒烯质量比为I?1.25，活性层的厚度为10(^200 nm。7.根据权利要求1所述的一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述氧化钼或氧化银薄膜的厚度为4?1 nm。8.根据权利要求1一种银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，所述银层或铝层的厚度为100?200 nm。9.由权利要求1?8任一项所述制备方法制得的银纳米线/ZnO叠层作为电子收集层的倒置聚合物太阳电池。
【文档编号】H01L51/42GK105990527SQ201610527049
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】章勇, 吴巧玲, 张琪伦, 周永田
【申请人】华南师范大学