專利名稱：一種增強有機聚合物太陽能電池效率的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及表面等離激元及太陽能光伏技術領域，尤其是一種利用Au表面等離激元增強有機聚合物太陽能電池效率的方法。
背景技術：
近幾年來，有機聚合物太陽能電池由于其重量輕、成本低、制備簡單及可制備成柔性器件等優(yōu)點，已經成為國內外科學工作者研究的焦點，越來越多的工作者致力于聚合物太陽能電池相關材料和器件工藝的研究。但是有機聚合物太陽能電池的效率相對較低，因此各種提高有機聚合物太陽能電池效率的方法受到研究者的關注。近年來，金屬表面等離激元作為一種陷光結構，用于提高太陽電池光吸收的研究受到國內外科研界和產業(yè)界的普遍重視。不同的金屬納米顆粒由于其自由電子密度不同， 其表面等離激元共振峰的峰位不同，可應用到不同的材料的太陽能電池中。其表面等離激元共振峰的峰位同樣隨著金屬納米顆粒的尺寸而變化。將金屬表面等離激元陷光結構應用到有機聚合物太陽能電池中，其主要通過兩種機制作用于太陽能電池1)散射機制，入射光激發(fā)金屬表面等離激元后，激發(fā)態(tài)的表面等離激元借助納米顆粒的強散射作用，將等離激元的能量耦合成光以不同的角度散射進入太陽電池，增加了光在太陽電池中傳播的光程，從而增強太陽電池對光的吸收，提高太陽電池效率。2)近場增強效應，當入射光激發(fā)金屬表面等離激元后，會引起納米顆粒附近局域范圍內的電磁場顯著增強，從而使該區(qū)域介質光吸收系數大大增加，進而電池的效率得到提高。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的主要目的在于，提供一種利用Au表面等離激元增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，在有機聚合物太陽能電池的空穴傳輸層中摻入Au納米顆粒，利用Au表面等離激元的近場增強作用，增加聚合物太陽能電池光敏層的光吸收，提高有機聚合物電池的效率。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，該方法是在有機聚合物太陽能電池的空穴傳輸層中摻入Au納米顆粒，包括步驟1 用檸檬酸鈉的水溶液作為還原劑，還原氯金酸，在沸騰條件下反應一定時間得到Au納米顆粒的膠體溶液；步驟2 將Au納米顆粒的膠體溶液置于離心管中，在一定轉速下離心，可得到Au 納米顆粒；步驟3 將獲得的Au納米顆粒分散到一定體積的乙醇中，得到Au納米顆粒的水溶性溶液；步驟4 用移液器取出Au納米顆粒水溶性溶液，按一定的比例摻入到PED0T:PSS中，混合均勻，得到含Au納米顆粒的PEDOT PSS溶液；步驟5 將含Au納米顆粒的PED0T:PSS溶液旋涂到ITO襯底上，經退火后得到摻 Au納米顆粒的PEDOT PSS空穴傳輸層。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制備有機聚合物太陽能電池的方法，包括步驟1 清洗圖案化的ITO/玻璃襯底；步驟2 在ITO/玻璃襯底上制備一層含Au納米顆粒的PED0T:PSS層作為空穴傳
輸層；步驟3 在含Au納米顆粒的PEDOTPSS層上旋涂一層PEDOTPSS層；步驟4 擦除一側的PED0T:PSS，至露出ITO表面，作為電池的陽極；步驟5 在PED0T:PSS層上制備有機物聚噻吩和富勒烯衍生物的共混層作為光敏層；步驟6 在聚合物/富勒烯衍生物共混層上制備Al電極，作為電池的陰極；步驟7 退火，電池制備完畢。(三)有益效果本發(fā)明將Au納米顆粒應用在有機聚合物太陽能電池的空穴傳輸層中，成功制備出了 Au表面等離激元增強的太陽能電池。本發(fā)明將Au納米顆粒摻入到空穴傳輸層中，由于表面等離激元的近場增強作用，電池的光敏層的光吸收增加，激子的產率增加，載流子濃度增加，從而提高了短路電流密度，有機聚合物太陽能電池的效率提高。


圖1為本發(fā)明的有機聚合物太陽能電池的結構示意圖。圖2為根據本發(fā)明實例制備的有機聚合物太陽能電池在一個標準太陽光 AM(1.5G)下的光電流密度-光電壓曲線。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種利用Au表面等離激元增強有機聚合物太陽電池效率的方法， 該方法是在空穴傳輸層中摻入Au納米顆粒，利用其表面等離激元的近場增強效應增加光敏層的光吸收，以提高聚合物太陽能電池的效率。其中，在有機聚合物太陽能電池的空穴傳輸層中摻入Au納米顆粒，具體包括以下步驟步驟1 用檸檬酸鈉的水溶液作為還原劑，還原氯金酸，在沸騰條件下反應一定時間得到Au納米顆粒的膠體溶液；其中，所述檸檬酸鈉和氯金酸的質量比為2 3 2 1，所述在沸騰條件下反應一定時間，該一定時間為5 20分鐘。步驟2 將Au納米顆粒的膠體溶液置于離心管中，在一定轉速下離心，可得到Au 納米顆粒；其中，所述在一定轉速下離心，Au膠體溶液的離心速度為5000轉/分鐘，離心時
5間為15分鐘。步驟3 將獲得的Au納米顆粒分散到一定體積的乙醇中，得到Au納米顆粒的水溶性溶液；其中，所述得到的Au納米顆粒的水溶性溶液中，Au納米顆粒的質量分數為3. 6%。步驟4 用移液器取出Au納米顆粒水溶性溶液，按一定的比例摻入到PED0T:PSS 中，混合均勻，得到含Au納米顆粒的PEDOT PSS溶液；其中，所述得到的含Au納米顆粒的PED0T:PSS溶液中，Au納米顆粒的水溶性溶液與PEDOTPSS的體積比為1 2。步驟5 將含Au納米顆粒的PED0T:PSS溶液旋涂到ITO襯底上，經退火后得到摻 Au納米顆粒的PEDOT PSS空穴傳輸層；其中，所述對含Au納米顆粒的PED0T:PSS溶液進行退火的溫度為130°C，退火時間為15分鐘。基于上述利用Au表面等離激元增強有機聚合物太陽電池效率的方法，本發(fā)明還提供了一種制備有機聚合物太陽能電池的方法，該方法包括以下步驟步驟1 清洗圖案化的ITO 20/玻璃10襯底，此為電池的陽極，其中IT020層的方塊電阻為7-15歐姆/方塊；步驟2 在ITO 20/玻璃10襯底上制備一層含Au納米顆粒30的PEDOT PSS 40 層，作為空穴傳輸層，該層厚度為20-40nm ；步驟3 在含Au納米顆粒30的PEDOTPSS 40層上制備一層PEDOTPSS 50層，該層厚度為20-30nm ；步驟4 擦除一側的PED0T:PSS 40和50，至露出ITO 20表面，作為電池的陽極；步驟5 在PEDOTPSS層50上制備有機物聚噻吩和富勒烯衍生物的共混層60作為光敏層；其中，所述光敏層中有機物聚噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)的質量比為 1 1，所述光敏層中有機物的溶劑采用氯苯(CB)溶劑；步驟6 在聚合物/富勒烯衍生物共混層60上制備Al電極70，作為電池的陰極； 其中，所述制備Al電極70采用熱蒸發(fā)法，制備的Al電極70的厚度為100-130nm ；步驟7 退火，電池制備完畢；其中，所述退火是在充滿高純氮氣的手套箱中進行， 手套箱中含水量和含氧量均低于lppm，退火溫度為120-150°C，退火時間為10-15分鐘。實施例1:參閱圖1所示，用有機試劑清洗圖案化的ITO 20/玻璃10襯底，ITO 20的方塊電阻為15歐姆/方塊。在ITO 20/玻璃10襯底上制備一層PED0T:PSS 40 層，PEDOTPSS 40 層的厚度為 30nm。在 PED0T:PSS 40 層上制備一層 PED0T:PSS 50 層， PEDOTPSS 50層的厚度為20nm。將一側的PED0T:PSS 40和50層擦除掉，至露出ITO 20表面，使得原來的PEDOTPSS 40和50層形成臺面。在PEDOTPSS 50層上旋涂一層P3HT:PCBM 共混薄膜60，P3HT的質量濃度為10mg/ml，以氯苯為溶劑，P3HT與PCBM的質量比為1 1， 旋涂的P3HT:PCBM共混薄膜60的厚度為lOOnm。采用熱蒸發(fā)技術在P3HT:PCBM共混薄膜 60上沉積一層Al電極70，Al電極70的厚度為lOOnm。在充滿高純氮氣的手套箱中，對沉積了電極的電池進行熱退火，退火溫度為130°C，退火時間為10分鐘。實施例2:參閱圖1所示，用有機試劑清洗圖案化的ITO 20/玻璃10襯底，ITO 20的方塊電阻為15歐姆/方塊。在ITO 20/玻璃10襯底上制備一層含Au納米顆粒30的PEDOT PSS 40層，Au納米顆粒30的直徑為50nm，PEDOT PSS 40層的厚度為30nm。在 PEDOTPSS 40層上制備一薄層PEDOTPSS 50層，PED0T:PSS 50層的厚度為20nm。將一側的PED0T:PSS 40和50層擦除掉，至露出ITO 20表面，使得原來的PEDOTPSS 40和50層形成臺面。在PED0T:PSS 50層上旋涂一層P3HT:PCBM共混薄膜60，P3HT的質量濃度為IOmg/ ml,以氯苯為溶劑，P3HT與PCBM的質量比為1 1，旋涂的P3HT:PCBM共混薄膜60的厚度為lOOnm。采用熱蒸發(fā)技術在P3HT:PCBM共混薄膜60上沉積一層Al電極70，Al電極70的厚度為lOOnm。在充滿高純氮氣的手套箱中，對沉積了電極的電池進行熱退火，退火溫度為 130°C，退火時間為10分鐘。實施例3:參閱圖1所示，用有機試劑清洗圖案化的ITO 20/玻璃10襯底，ITO 20的方塊電阻為15歐姆/方塊。在ITO 20/玻璃10襯底上制備一層含Au納米顆粒30 的PEDOT PSS 40層，Au納米顆粒30的直徑為90nm，PEDOT PSS 40層的厚度為30nm。在 PEDOTPSS 40層上制備一層PEDOTPSS 50層，PED0T:PSS 50層的厚度為20nm。將一側的 PEDOTPSS 40和50層擦除掉，至露出ITO 20表面，使得原來的PEDOTPSS 40和50層形成臺面。在PEDOTPSS 50層上旋涂一層P3HT:PCBM共混薄膜60，P3HT的質量濃度為IOmg/ ml,以氯苯為溶劑，P3HT與PCBM的質量比為1 1，旋涂的P3HT:PCBM共混薄膜60的厚度為lOOnm。采用熱蒸發(fā)技術在P3HT: PCBM共混薄膜60上沉積一層Al電極70，Al電極70的厚度為lOOnm。在充滿高純氮氣的手套箱中，對沉積了電極的電池進行熱退火，退火溫度為 130°C，退火時間為10分鐘。其中實施例1與實施例2和3的差別只在于，實施例1中空穴傳輸層中不含有Au 納米顆粒，實施例2和3中空穴傳輸層中含有Au納米顆粒，其平均直徑分別為50nm和90nm。在一個標準太陽光(AMI. 5G，100mff/cm2)照射下測得實施例1中電池的開路電壓為0. 6V，短路電流密度為8. 49mA/cm2，填充因子為0. 56，能量轉換效率為3%。實施例2中電池的開路電壓為0. 64V，短路電流密度為9. 04mA/cm2,填充因子為0. 58，能量轉換效率為3. 39%。實施例3中電池的開路電壓為0. 65V，短路電流密度為9. 3mA/cm2，填充因子為 0. 56，能量轉換效率為3.42%。生長結果如圖2所示，采用本發(fā)明的方法，在聚合物太陽能電池的空穴傳輸層中摻入Au納米顆粒，有機聚合物太陽能電池的性能有所提高。與不摻Au納米顆粒的參比太陽能電池相比，摻入50nm和90nm的Au納米顆粒的太陽能電池的效率分別相對提高了 13% 和 14%。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，該方法是在有機聚合物太陽能電池的空穴傳輸層中摻入Au納米顆粒，包括步驟1 用檸檬酸鈉的水溶液作為還原劑，還原氯金酸，在沸騰條件下反應一定時間得到Au納米顆粒的膠體溶液；步驟2 將Au納米顆粒的膠體溶液置于離心管中，在一定轉速下離心，可得到Au納米顆粒；步驟3 將獲得的Au納米顆粒分散到一定體積的乙醇中，得到Au納米顆粒的水溶性溶液；步驟4 用移液器取出Au納米顆粒水溶性溶液，按一定的比例摻入到PEDOT PSS中，混合均勻，得到含Au納米顆粒的PEDOTPSS溶液；步驟5 將含Au納米顆粒的PEDOTPSS溶液旋涂到ITO襯底上，經退火后得到摻Au納米顆粒的PEDOT PSS空穴傳輸層。
2.根據權利要求1所述的增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，步驟1 中所述檸檬酸鈉和氯金酸的質量比為2 3 2 1。
3.根據權利要求1所述的增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，步驟1 中所述在沸騰條件下反應一定時間，該一定時間為5 20分鐘。
4.根據權利要求1所述的增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，步驟2 中所述在一定轉速下離心，Au膠體溶液的離心速度為5000轉/分鐘，離心時間為15分鐘。
5.根據權利要求1所述的增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，步驟3 中所述得到的Au納米顆粒的水溶性溶液中，Au納米顆粒的質量分數為3. 6%。
6.根據權利要求1所述的增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，步驟4 中所述得到的含Au納米顆粒的PED0T:PSS溶液中，Au納米顆粒的水溶性溶液與PED0T:PSS 的體積比為1:2。
7.根據權利要求1所述的增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，其特征在于，步驟5 中所述對含Au納米顆粒的PED0T:PSS溶液進行退火的溫度為130°C，退火時間為15分鐘。
8.一種應用權利要求1-7中任一項所述的方法制備有機聚合物太陽能電池的方法，其特征在于，包括步驟1 清洗圖案化的ITO/玻璃襯底；步驟2 在ITO/玻璃襯底上制備一層含Au納米顆粒的PED0T:PSS層作為空穴傳輸層；步驟3 在含Au納米顆粒的PEDOTPSS層上旋涂一層PEDOTPSS層；步驟4 擦除一側的PED0T:PSS，至露出ITO表面，作為電池的陽極；步驟5 在PED0T:PSS層上制備有機物聚噻吩和富勒烯衍生物的共混層作為光敏層；步驟6 在聚合物/富勒烯衍生物共混層上制備Al電極，作為電池的陰極；步驟7:退火，電池制備完畢。
9.根據權利要求8所述的制備有機聚合物太陽能電池的方法，其特征在于，步驟5中所述光敏層中有機物聚噻吩與富勒烯衍生物的質量比為1 1。
10.根據權利要求8所述的制備有機聚合物太陽能電池的方法，其特征在于，步驟5中所述光敏層中有機物的溶劑采用氯苯(CB)溶劑。
11.根據權利要求8所述的制備有機聚合物太陽能電池的方法，其特征在于，步驟6中所述制備Al電極采用熱蒸發(fā)法，制備的Al電極的厚度為100-130nm。
12.根據權利要求8所述的制備有機聚合物太陽能電池的方法，其特征在于，步驟7中所述退火是在充滿高純氮氣的手套箱中進行，手套箱中含水量和含氧量均低于lppm，退火溫度為120-150°C，退火時間為10-15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用Au表面等離激元增強有機聚合物太陽能電池效率的方法，在電池的PEDOT:PSS空穴傳輸層摻入一定尺寸和濃度的Au納米顆粒。Au納米顆粒利用濕化學法合成，通過氯金酸和檸檬酸鈉反應得到Au納米顆粒，并分散在水溶性溶劑中。按一定的比例將Au納米顆粒與PEDOT:PSS混合，旋涂在ITO襯底上，退火處理，含Au納米顆粒的空穴傳輸層制備完畢。利用Au納米顆粒的局部電場增強作用可以提高有機聚合物太陽能電池的光吸收，進而提高電池效率。
文檔編號H01L51/48GK102394272SQ20111037347
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2011年11月22日
發(fā)明者吳金良, 尹志崗, 張興旺, 譚海仁, 高紅麗 申請人:中國科學院半導體研究所