一种纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池；本发明还涉及上述太阳能电池的制备方法。

背景技术：

目前光伏市场由硅基太阳能电池所主导，但多晶硅价格高昂，工艺复杂，能耗高，成本问题是取代传统能源的阻碍。而有机薄膜太阳电池以较低的生产成本，简便的制备工艺，良好的机械柔韧性等特点，在太阳能研发领域展现出巨大的潜力。但有机薄膜太阳能电池较低的能量转换效率限制了其进一步发展。

太阳能电池的能量转换效率与入射光的吸收和光生激子收集相关。对于薄膜太阳能电池来说，光吸收与薄膜厚度成正相关。而有机薄膜为了保证激子的收集效率活性层薄膜的厚度不能太厚，因此如何在有限厚度的活性层中提高光吸收效率，成为进一步提高有机薄膜太阳能电池效率的关键。一个非常有效的方法就是在有机薄膜太阳能电池中引入微纳米结构，利用微纳米结构的光学效应来提升有机薄膜太阳能电池的光吸收能力。但是在薄膜上做微纳结构，特征尺寸可能会超过薄膜本身，有可能会影响薄膜太阳能电池的寿命。所以如何选择合适的嵌入纳米结构及合适的嵌入方案来尽可能最大程度地提高有机薄膜太阳能电池的效率成为目前此领域研究的重点及难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池。通过利用介电纳米粒子和金属纳米粒子的散射作用来增强活性层的吸收，提高有机薄膜太阳能电池性能。

本发明还提供了上述纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池，包括载玻片，载玻片上依次设置有阳极电极层、阳极缓冲层、聚合物活性层、电池阴极层；载玻片的背面上设置有二氧化硅纳米粒子层；所述阳极缓冲层中掺杂有金属纳米粒子。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中金属纳米粒子为银纳米粒子或金纳米粒子，其粒子直径为10-30nm。

其中阳极缓冲层为聚乙烯二氧噻吩—聚苯乙烯磺酸盐，阳极缓冲层的厚度为40-60nm。

其中聚合物活性层为P3HT：PCBM的共混材料，聚合物活性层的厚度为80-100nm。

其中电池阴极层为铝或银制成，其厚度为100-200nm。

其中二氧化硅纳米粒子层的直径为400-600nm。

本发明的另一技术方案是：一种纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在载玻片上通过气相沉积法或者磁控溅射法制备阳极电极层，并且对阳极电极层的表面进行亲水处理；

步骤2，在阳极电极层表面旋涂掺杂有金属纳米颗粒的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，在经过烘干得到阳极缓冲层；

步骤3，在阳极缓冲层上旋涂P3HT:PCBM共混材料，经过退火处理，得到聚合物活性层；

步骤4，在聚合物活性层的表面蒸镀一层铝或者银，得到电池阴极层，电池阴极层的厚度为100-200nm；

步骤5，在载玻片的背面通过旋涂法或界面单层膜转移法铺排单层二氧化硅纳米粒子层，二氧化硅纳米粒子的直径为400-600nm；

步骤6，得到纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤1中阳极电极层为氧化铟锡ITO，或为掺有氟的二氧化锡FTO。

其中步骤2阳极缓冲层的厚度为40-60nm，且阳极缓冲层中掺杂有银纳米粒子或金纳米粒子；银纳米粒子或金纳米粒子的直径为10-30nm。

其中步骤3中P3HT：PCBM共混材料中P3HT和PCBM的质量比为1:0.5～0.7，浓度为20-30mg/ml；且聚合物活性层的厚度为80-100nm。

本发明的有益效果是：载玻片背面设置二氧化硅粒子纳米粒子层，利用可见光波长尺寸量级的球形粒子散射作用和在共振波长的回音壁模式使入射光更充分地进入薄膜电池中的活性层中提高吸收效率。

通过在水溶液中合成准球形贵金属纳米粒子并对其进行表面处理后以一定比例掺杂在阳极缓冲层中，能够有效利用金属纳米粒子的局域表面等离子增强效应提高活性层中的能量分布，而且由于二氧化硅纳米粒子的散射场与银纳米粒子的等离子体共振耦合在活性层中形成稳定的共振模，有效的提高太阳能电池的吸收效率。

充分结合介电纳米粒子和金属纳米粒子的光散射作用，在整个可见光波段有效提高了有机薄膜太阳能电池光吸收效率，同时由于二氧化硅纳米粒子阵列在薄膜电池的衬底背面，所以其不会对薄膜功能层造成破坏，降低其效率。又不破坏电池内在结构，从而有效提升了电池性能。

因此综上所述，本发明的太阳能电池能够通过利用介电纳米粒子和金属纳米粒子的散射作用来增强活性层的吸收，提高有机薄膜太阳能电池性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电流密度-电压测试结果图。

其中：1为载玻片；2为阳极电极层；3为阳极缓冲层；4为金属纳米粒子；5为聚合物活性层；6为电池阴极层；7为二氧化硅纳米粒子层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池，如图1所示，包括载玻片1，载玻片1上依次设置有阳极电极层2、阳极缓冲层3、聚合物活性层5和电池阴极层6；其中载玻片1的背面还排布有一层二氧化硅纳米粒子层7。其中阳极电极层2为氧化铟锡ITO，或为掺有氟的二氧化锡FTO；其中阳极缓冲层3为聚乙烯二氧噻吩—聚苯乙烯磺酸盐，厚度为80-100nm，阳极缓冲层3中掺杂有金属纳米粒子4，金属纳米粒子4为银纳米粒子或金纳米粒子，其直径为10-30纳米；其中聚合物活性层5为P3HT:PCBM共混材料，其厚度为80-100nm；其中电池阴极层6为铝或银制成，其厚度为100-200nm；其中二氧化硅纳米粒子层7为单层二氧化硅纳米粒子密拍阵列，二氧化硅纳米粒子的直径为400-600nm。

在阳极电极层2和电池阴极层6上分别引出导线即可。

使用本发明的纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池与现有的有机薄膜太阳能电池进行光电性能测试，如图2所示，本发明的纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的电流密度相对现有的有机薄膜太阳能电池能够提高45％左右；具体测试结果如表1所示：

表1

从上表可知：本发明的短路电流密度由2.19mA/cm²提升到3.12mA/cm²，提高了40％，开路电压由0.58V提高到0.61V，填充因子也由50％提升至52％，总体转换效率由0.65％提高到1.0％，效率提高了35％，故实施例实现了有机薄膜太阳能电池性能较大提升。

本发明还提供了上述纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，以载玻片1为基底，通过气相沉积法或磁控溅射法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有银或金纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为40-60nm的阳极缓冲层3；其中掺杂有银纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐的制备方法是：在100℃下，使用柠檬酸钠直接还原硝酸银制备出直径为10-30nm的银粒子，在经过多次离心清洗后，在50℃下干燥，得到银粉末将银粉末以2.5wt％的质量比掺入聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐的水溶液中；同理掺杂有金纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐与上述方法相同；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.5-0.7的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为80-100nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀铝，得到厚度为100-200nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为400-600nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

本发明的具体实施例包括：

实施例1

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过气相沉积法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有银纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为60nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.7的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为100nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀铝，得到厚度为100nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为600nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

实施例2

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过气相沉积法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有银纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为40nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.5的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为80nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀铝，得到厚度为200nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为400nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

实施例3

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过气相沉积法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有银纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为50nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.6的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为90nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀铝，得到厚度为150nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为500nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

实施例4

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过磁控溅射法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有金纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为60nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.7的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为100nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀银，得到厚度为100nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为600nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

实施例4

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过磁控溅射法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有金纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为60nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.7的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为100nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀银，得到厚度为100nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为600nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

实施例5

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过磁控溅射法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有金纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为40nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.5的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为80nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀银，得到厚度为200nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为400nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。

实施例6

本发明纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备过程具体如下：

步骤1，以载玻片1为基底，通过磁控溅射法在载玻片1的表面制备阳极电极层2，并且对阳极电极层2的表面进行氧气等离子体亲水处理；

步骤2，在阳极电极层2上旋涂掺杂有金纳米粒子的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，旋涂转速为500rpm，持续10s，然后再以2000rpm的转速持续30s，然后在120℃的温度下干燥5min，得到厚度为55nm的阳极缓冲层3；

步骤3，将P3HT与PCBM以1:0.65的比例溶解在氯苯中，得到总质量分数为25mg/ml的均匀溶液，然后将上述共混材料旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂转速为500rpm，持续5s，后提高转速至1000rpm，持续10s；最后在120℃下进行真空退火处理20min，得到厚度为85nm的聚合物活性层5；

步骤4，在聚合物活性层5上通过电子蒸镀银，得到厚度为145nm的电池阴极层6；

步骤5，在载玻片1的背面通过转移法制备单层二氧化硅纳米粒子密排阵列，即通过Stober法制备直径为450nm的二氧化硅纳米球形粒子，然后通过超声清洗后将二氧化硅以质量份数15％的比例分散在正丁醇中，再超声使之均匀分散，再将其滴加在水溶液表面形成连续的二氧化硅单层薄膜，然将水面的粒子薄膜转移到载玻片1的背面，并在50℃下干燥，得到二氧化硅纳米粒子层7；

步骤6，使用导线将阳极电极层2和电池阴极层6导出，得到太阳能电池的阳极和阴极，从而完成了纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池的制备。