专利名称：全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种采用全水相合成的半导体纳米晶 与导电聚合物制备高效有机/无机杂化太阳能电池的方法。
背景技术：
随着对能源需求的不断增加和化石型(煤、石油、天然气)能源储量的不断减少， 寻找替代新能源已经成为当前科学研究的紧迫问题。近年来，太阳能电池，特别是有机太阳 能电池，由于其具有加工简便、低成本、低能耗、绿色无污染等优点，已经取代传统的硅太阳 能电池成为下一代太阳能电池的发展方向。目前，有机太阳能电池的制备方法主要有两种 旋涂制膜方法和真空气相沉积方法，分别适用于共轭聚合物体系和有机小分子体系。有机 太阳能电池的缺点是有机物材料的载流子迁移率较低，影响了其整体光电转换效率。如何提高有机物材料的载流子迁移率，尽可能增加对太阳光的吸收以提高有机太 阳能电池的光电转换效率，是科研工作者必须解决的问题。如果采用具有高载流子迁移率 的无机纳米晶与有机聚合物复合，然后采用相关制膜技术制备有机无机杂化太阳能电池将 能有效提高对太阳光的吸收，提高光生载流子的迁移率，进而提高有机太阳能电池的光电 转换效率。目前已有采用有机相制备并分散的有机/无机杂化太阳能电池相关研究和报 道，但由于有机溶剂的易挥发性、毒性和憎水性，材料制备过程复杂，实验条件要求较高，因 而使得有机/无机杂化电池器件的加工和材料的选择范围受到了很大的限制。
发明内容
本发明的目的就是提供一种采用全水相合成的聚合物和纳米晶来制备有机/无 机杂化太阳能电池的方法。采用这种方法制备太阳能电池，材料来源广泛，成本低廉，力口 工过程简洁快速，实验条件环保无污染，从而开辟了一条制备高效、绿色太阳能电池的新途径。本发明采用全水相合成的半导体纳米晶如碲化镉(CdTe)、硒化镉(CdSe)、硫化 镉(CdS)纳米晶等与水相合成的导电聚合物前躯体聚苯乙烯撑(PPV)及其衍生物等杂 化为光活性材料进而制备体相结构的太阳能电池。本发明包括以下步骤1，制备水相的高质量半导体纳米晶；2，制备水相的PPV前 驱体；3，以半导体纳米晶和PPV前驱体的混合溶液涂膜制备太阳能电池。具体来说，本发明步骤如下1、水相制备CdTe、CdSe或CdS半导体纳米晶水溶液将金属镉源(CdCl2或Cd(Ac)2CH2O等)与巯基乙胺配体加入到水溶液中，Cd2+的 浓度为1.0 X IO-3M 3. OX IO-2M, Cd2+与巯基乙胺的物质的量的比例为1 1. 2 1 3.0， 用浓度0. IM IM的NaOH溶液或HCl溶液调节反应体系的pH值到中性或弱碱性，通N2气 10 30分钟以除去溶液中的氧；然后将NaHTe水溶液快速加入到CdCl2和巯基乙胺的混合 溶液中，Cd2+与NaHTe的物质的量的比例为1 0. 01 1 0. 5 ；最后将新制备的混合溶液在80 100°C温度下回流0. 5 48小时，随着回流时间的延长，不同阶段取样能够得到荧光从绿光到红光(360nm光照条件下)的粒径(直径)从2. 2nm到3. Snm的CdTe纳米晶 溶液。本发明所述方法同样可用于制备CdSe或CdS等各种半导体纳米晶，不同之处在 于制备CdSe纳米晶时采用同样浓度的NaHSe代替NaHTe ；制备CdS时采用连续通H2S气体 (向反应体系中通30分钟 24小时H2S气体)代替NaHTe溶液，所得CdSe粒径为2. Onm 6. 8nm,所得 CdS 粒径为 2. Onm 7. Onm。2、水相制备共轭聚合物前驱体溶液在配置有搅拌器、冷凝管、温度计的三口烧瓶中加入摩尔比为1 3的对二氯二甲 基苯与四氢噻吩，以20 60ml甲醇为反应介质在50°C 60°C条件下油浴反应24h 48h， 使甲醇中对二氯二甲基苯的浓度范围为8. 57mM 25. 7Mm。然后向反应液中加入125 375ml冷丙酮(0°C )，将析出的白色沉淀物过滤后再用冷丙酮洗涤5 8次，最后将沉淀产 物置于真空烘箱中于30 60°C条件下烘干至恒重，得到产物二硫盐，即a，a’ 二氯代对二 甲苯四氢噻吩硫盐，其结构如下式所示。
权利要求
一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法，其步骤如下(1)水相制备半导体纳米晶水溶液；(2)水相制备共轭聚合物前驱体溶液；(3)纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备首先，将半导体纳米晶水溶液加异丙醇并高速离心沉淀，得到纳米晶沉淀；然后将半导体纳米晶沉淀与共轭聚合物前驱体溶液按质量比1∶1～10∶1的比例混合，再将混合溶液采用旋涂的方法在导电阳极表面或覆盖有电子阻挡层的导电阳极表面制备膜，膜厚为20nm～500nm，待膜干燥后将其转移入充满氮气的手套箱中加热10～120min，从而形成含有共轭聚合物和半导体纳米晶的互穿网络结构的活性层；最后，将器件转移入真空蒸镀器，在活性层上依次蒸镀或旋涂空穴阻挡层和金属阴极，从而制备得到纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池。
2.如权利要求1所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于共轭聚合物为聚苯乙烯撑、聚(2，5-二烷氧基对苯乙烯撑)或苯乙烯撑与2， 5- 二烷氧基对苯乙烯撑的共聚物。
3.如权利要求3所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于聚苯乙烯撑前驱体溶液的制备步骤为，(1)在配置有搅拌器、冷凝管、温度计的三口烧瓶中加入摩尔比为1 3的对二氯二甲 基苯与四氢噻吩，以20 60ml甲醇为反应介质在50°C 60°C条件下油浴反应24h 48h， 使甲醇中对二氯二甲基苯的浓度范围为8. 57mM 25. 7Mm ；然后向反应液中加入125 375ml、0°C冷丙酮，将析出的白色沉淀物过滤后再用冷丙酮洗涤5 8次，最后将沉淀产物 置于真空烘箱中于30 60°C条件下烘干至恒重，得到a，a’二氯代对二甲苯四氢噻吩硫盐， 其结构如下式所示；
4.如权利要求3所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于聚(2，5-二烷氧基聚对苯乙烯撑)前驱体溶液的制备步骤为，(1)在配置有搅拌器、冷凝管、温度计的三口烧瓶中加入摩尔比为1 3的2，5-二烷氧 基-1，4-对二氯二甲基苯与四氢噻吩，以20 60ml甲醇反应介质在50°C 60°C条件下油 浴反应24h 48h，使甲醇中2，5- 二烷氧基-1，4-对二氯二甲基苯的浓度范围为8. 57mM 25. 7Mm ；然后向反应液中加入125 375ml、0°C冷丙酮，将析出的白色沉淀物过滤后再用冷 丙酮洗涤5 8次，最后将沉淀产物置于真空烘箱中于30 60°C条件下烘干至恒重，得到 a,a' 二氯代-2，5_ 二烷氧基对二甲苯四氢噻吩硫盐，其结构如下式所示，
5.如权利要求1所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于半导体纳米晶为碲化镉CdTe、硒化镉CdSe或硫化镉CdS。
6.如权利要求1所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于金属阴极的材料为&、1%、々1、1%/^8或01/八1。
7.如权利要求1所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于导电阳极的材料为氧化铟锡或掺杂氟的SnO2导电玻璃。
8.如权利要求1所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于电子阻挡层的材料为聚3，4_乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸、三氧化钼、五氧化 二钒或氧化钨。
9.如权利要求1所述的一种全水相纳米晶/导电聚合物杂化太阳能电池的制备方法， 其特征在于空穴阻挡层的材料为2，9- 二甲基-4，7- 二苯基-1，10-邻二氮杂菲、ZnO纳米 晶、TiO2纳米晶或LiF。
全文摘要
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种采用全水相合成半导体纳米晶与导电聚合物进而制备高效有机/无机杂化太阳能电池的方法。主要包括水相纳米晶和水相共轭聚合物的合成，太阳能电池器件的制备三个步骤。该方法制备的太阳能电池所需的纳米晶材料来源广泛，种类众多，尺寸可调；所采用的共轭聚合物的分子结构和分子量可调，有助于提高对太阳光的吸收。电池器件加工能够在室温下空气中进行，过程绿色环保无污染，加工周期短，成本低廉。该方法开辟了一种制备有机/无机杂化太阳能电池的新方法，成功地将水相合成的优质纳米晶引入高效太阳能电池的制备过程中，是一种绿色无污染的新型太阳能制备技术。
文档编号H01L51/48GK101969102SQ201010247438
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者于伟利, 张俊虎, 张皓, 杨柏, 范战西, 魏浩桐 申请人:吉林大学