专利名称：反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于无机有机杂化太阳能电池技术领域，具体涉及一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
随着社会经济的不断发展和人类文明的不断进步，人类对能源的需求量不断飞速增长。然而，煤、石油、天然气等化石燃料等储量有限，预计最多还能继续使用一个世纪，且燃烧后会产生大量的二氧化碳气体，造成温室效应，加速全球气候变暖，给人类及其他动植物的生存构成巨大挑战。太阳能作为人类可以利用的最丰富同时十分清洁的能源正逐渐被科学家研究用来转换成电能。目前，在市场上占据主导地位的是硅太阳能电池，虽然其具有很高的效率， 但是硅电池的制作成本很高。近年来，太阳能电池，特别是聚合物太阳能电池，由于其可以大面积制备，同时具有柔性、轻便、高效、成本低等特点，已经被看做能够取代传统硅太阳能电池的下一代太阳能电池。然而，当前主流的聚合物太阳能电池在旋涂制膜的过程中主要采用的是氯苯、二氯苯等毒性非常大的溶剂，对环境和操作人员都会造成很大的伤害。最近几年，人们逐渐将目光投向绿色环保的太阳能电池，即基于水相材料制备高效的太阳能电池。但是，之前制备的器件效率比较低，远远低于当前的基于有机溶剂制备高效的太阳能电池，因此如何提高这类器件的效率成为人们关注的话题。
发明内容
本发明提供了一种制备反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池及其制备方法。该方法有效地解决了制备多层器件过程中下一层对上一层的溶解问题，在器件性能上有很大的提升。此外，器件制备可以在空气中进行，所用溶剂为水，绿色环保，对操作人员造成的伤害很小。通过选择合适的界面修饰材料，优化聚合物和纳米粒子的比例，器件效率相比之iu的基于水相材料制备的太阳能电池有了很大的提升。反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池，从下到上分别是玻璃基底，负极ΙΤ0，厚度为20 50纳米的负极修饰层二氧化钛或氧化锌，厚度为50 100纳米的巯基乙胺修饰的半导体纳米晶(碲化镉、硒化铜或镉汞碲等)和聚合物(聚萘乙炔等)混合而成的活性层，厚度为5 15纳米的正极修饰层氧化钥、氧化钨、氧化镍或厚度为15 30纳米的正极修饰层PED0T:PSS等，厚度为20 30nm的正极Al、Au、Cu或Ag等。本发明所述的反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于以玻璃为基底，以位于玻璃基底上的ITO为负极，在ITO表面旋涂一层20 50纳米的氧化钛或氧化锌水溶胶，在250° C 450° C条件下加热2 4小时将其转变为二氧化钛或氧化锌；再将巯基乙胺修饰的纳米晶水溶液与聚合物前驱体溶液按质量比I :10 5 :1混合并将其旋涂在二氧化钛或或氧化锌上制备出50 100纳米的活性层薄膜，然后在无水无氧、250° C 300° C条件下加热O. 5h Ih ;之后，蒸镀或旋涂一层5 15纳米的氧化钥(氧化钨、氧化镍)或者15 30纳米、质量比为I :2. 5的PEDOT:PSS，最后蒸镀一层20 30nm的正极材料Al、Au、Cu或Ag等,从而制备得到无机有机杂化太阳能电池。进一步，氧化钛溶胶的制备是向2 4毫升钛酸正丁酯中加入2毫升异丙醇，磁力搅拌10 20分钟至溶液均匀；再配制4毫升异丙醇、200 220微升去离子水、10 20微升浓度为12 18mol/L的浓盐酸或浓硫酸的混合溶液，搅拌均匀后，逐滴加入到上述钛酸正丁酯溶液中，然后常温下搅拌12 24小时，即得到浓度为O. 6 I. 2mol/L的氧化钛溶胶。聚合物前驱体为聚萘乙炔前驱体，聚萘乙炔前驱体的制备是将3g 二氯甲基萘溶于40 60mL甲醇，然后加入4mL的二甲硫醚，水浴50 60° C下反应20 30h，待溶液冷却至室温，过滤除去不溶解的杂质，然后在搅拌状态下将滤液逐滴加入到500mL的冰丙酮中，抽滤得到白色固体，在减压条件下干燥所得产品。将白色固体溶于水，通氮气除去氧气。然后在氮气保护条件下加入等体积等浓度的氢氧化钠水溶液，用的盐酸淬灭反应，渗析 除去副产物，即可得到聚萘乙炔前驱体溶液，溶液浓度为4 6mg/mL，其合成路线如下式
权利要求
1.一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池，其特征在于从下到上分别是玻璃基底，负极ITO，负极修饰层二氧化钛或氧化锌，巯基乙胺修饰的半导体纳米晶和聚合物混合而成的活性层，正极修饰层氧化钥、氧化钨、氧化镍或PEDOT PSS,正极Al、Au、Cu或Ag。
2.如权利要求I所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池，其特征在于半导体纳米晶为碲化镉、硒化铜或镉汞碲，聚合物为聚萘乙炔。
3.如权利要求I所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池，其特征在于PEDOT =PSS的质量比为I 2. 5。
4.如权利要求I 3任何一项所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池，其特征在于负极修饰层的厚度为20 50纳米；活性层的厚度为50 100纳米；正极修饰层氧化钥、氧化钨、氧化镍的厚度为5 15纳米，PEDOT =PSS的厚度为15 30纳米；正极的厚度为20 30nm。
5.权利要求4所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于以玻璃为基底，以位于玻璃基底上的ITO为负极，在ITO表面旋涂一层20 50纳米的氧化钛或氧化锌水溶胶，在250° C 450° C条件下加热2 4小时将其转变为二氧化钛或氧化锌；再将巯基乙胺修饰的纳米晶水溶液与聚合物前驱体溶液按质量比I :10 5 1混合并将其旋涂在二氧化钛或或氧化锌上制备出50 100纳米的活性层薄膜，然后在无水无氧、250° C 300° C条件下加热O. 5h Ih ;之后,蒸镀或旋涂一层5 15纳米的氧化钥、氧化钨或氧化镍，或者15 30纳米、质量比为I :2. 5的PEDOT PSS，最后再蒸镀一层20 30nm的正极材料Al、Au、Cu或Ag,从而制备得到无机有机杂化太阳能电池。
6.如权利要求5所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于氧化钛溶胶的制备是向2 4毫升钛酸正丁酯中加入2毫升异丙醇，磁力搅拌10 20分钟至溶液均匀；再配制4毫升异丙醇、200 220微升去离子水、10 20微升浓度为12 18mol/L的浓盐酸或浓硫酸的混合溶液，搅拌均匀后，逐滴加入到上述钛酸正丁酯溶液中，然后常温下搅拌12 24小时，即得到浓度为O. 6 I. 2mol/L的氧化钛溶胶。
7.如权利要求5所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于聚合物前驱体为聚萘乙炔前驱体，聚萘乙炔前驱体的制备是将3g 二氯甲基萘溶于40 60mL甲醇，然后加入4mL的二甲硫醚，水浴50 60° C下反应20 30h，待溶液冷却至室温，过滤除去不溶解的杂质，然后在搅拌状态下将滤液逐滴加入到500mL的冰丙酮中，抽滤得到白色固体，在减压条件下干燥所得产品；将白色固体溶于水，通氮气除去氧气；然后在氮气保护条件下加入等体积等浓度的氢氧化钠水溶液，用的盐酸淬灭反应，渗析除去副产物，即可得到聚萘乙炔前驱体溶液，溶液浓度为4 6mg/mL。
8.如权利要求5所述的一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于巯基乙胺修饰的纳米晶为巯基乙胺修饰的碲化镉纳米晶，巯基乙胺修饰的碲化镉纳米晶水溶液的制备是向50 IOOmU浓度为O. 005 O. 05mol/L的CdCl2溶液中加入O.2 O. 4g巯基乙胺盐酸盐，将溶液的pH调成5. O 7. 0，再通氮气除去其中的氧气，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的物质的量的比为I :0. I I :0. 5 ;之后，混合液在回流条件下反应I 2h，得到粒径为2. 8 3. 8nm的碲化镉纳米晶水溶液；最后，将碲化镉纳米晶水溶液浓缩成浓度为50 lOOmg/mL的溶液。
全文摘要
本发明属于无机有机杂化太阳能电池技术领域，具体涉及一种反式结构的水相无机有机杂化太阳能电池及其制备方法。该器件从下到上分别是玻璃基底，负极ITO，负极修饰层二氧化钛或氧化锌，巯基乙胺修饰的半导体纳米晶(碲化镉、硒化铜或镉汞碲等)和聚合物(聚萘乙炔等)混合而成的活性层，正极修饰层氧化钼、氧化钨、氧化镍或PEDOT:PSS等，正极Al、Au、Cu或Ag等。该方法有效地解决了制备多层器件过程中下一层对上一层的溶解问题，在器件性能上有很大的提升。此外，器件制备可以在空气中进行，所用溶剂为水，绿色环保，对操作人员造成的伤害很小。
文档编号H01L51/48GK102881829SQ20121039020
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者杨柏, 陈召来, 张皓 申请人:吉林大学