[发明专利]一种基于TiO2同质核壳纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及纳米材料和能源领域，确切地说是一种基于TiO₂同质核壳纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法 。

背景技术：

以有机共轭聚合物为电子给体 (D) 和无机纳米晶为电子受体 (A) 组成的聚合物太阳电池是一种新型有机/无机杂化太阳电池。由于其兼具聚合物（重量轻、柔韧性好、易大面积低价成膜等）和无机半导体材料（载流子迁移率高、性质稳定、结构易控制等）的优点，近年来成为低价太阳电池中的重要研究对象。研究结果表明，高性能的电池器件需满足以下条件：大面积用于分离激子的D/A界面、连续的电荷传输通道和稳定的电池材料凝聚态结构。通常，将无机半导体纳米颗粒与有机聚合物在有机溶剂中混合，实现简单共混，再由适当方式将这些简单共混物制成无序有机/无机杂化电池；例如，有机共轭聚合物与TiO₂【Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 183513】、ZnO【Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1112-1116；J. Phys. Chem. C 2011, 115, 18901-18908】、PbS【Nanotechnology 2009, 20, 095202】、PbSe【ACS Nano 2009, 3, 1345-1352）或CdSe【J. Phys. Chem. C 2010, 114, 12784-12791】等无机半导体纳米颗粒组成的太阳电池。然而，聚合物和纳米颗粒经简单共混而制成的太阳电池效率仍然低下。一方面，由于纳米颗粒本身极易团聚，严重影响了有机/无机界面和电子传输通道的形成；另一方面，光生电子要经过纳米颗粒间的传递才能到达电子收集电极，使得电池中存在严重的界面电荷复合。

用一维无机纳米棒（或线）阵列取代纳米颗粒与有机共轭聚合物形成的复合结构，是一种理想的有机/无机杂化太阳电池结构形式【Chem. Rev. 2007, 107, 1324-1338；Adv. Mater. 2011, 23, 1810-1828；Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1851-1864; Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2700-2720】。一维无机纳米结构阵列可以提供直接的电子传输通道，使光生电子沿着取向生长的纳米阵列直接输运到收集电极上，可减少电荷的复合现象；同时，在这种复合结构中，既可以获得较大的电荷分离界面面积又可以克服聚合物中激子有效扩散长度短（5-20 nm）的缺点，还可以获得有机/无机界面和电荷传输通道在三维空间的稳定分布。TiO₂纳米棒或线阵列（简称，TiO₂-NA）具有许多优点，例如，性质稳定、环境友好、且容易通过溶液法实现大面积制备等。目前，TiO₂-NA与有机聚合物组成的杂化太阳电池（简称，聚合物/TiO₂-NA电池）主要有以下几种： （1）以沉积于导电玻璃上的TiO₂致密薄膜为仔晶层，通过水热法生长TiO₂ 纳米棒阵列，然后将阵列与MEH-PPV复合后制成MEH-PPV/TiO₂-NA电池，获得的开路电压（V_oc）较高（～0.88V）但短路电流（J_sc）很小【Chem. Mater. 2006, 18, 5080】。（2）通过氧化铝模板（AAO）在导电玻璃上直接合成TiO₂纳米棒阵列，该阵列制作成的P3HT/TiO₂-NA电池, V_oc仅为0.32 V【Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 033307】；Williamson等通过纳米球刻蚀模板法，在导电玻璃上制备了TiO₂纳米棒阵列，制备的P3HT/TiO₂-NA电池的V_oc仍然不理想，约为0.58 V【Chem. Mater. 2008, 20, 5229】。（3）最近Wang等【Chem. Phys. Lett. 2012，541，105】和Liao等【J. Phys. Chem. C 2012, 116, 15938】分别用水热法在FTO导电玻璃上直接生长出TiO₂-NA，制作成的P3HT/TiO₂-NA电池的V_oc也非常低，仅为0.3-0.4 V。总之，因为器件的V_oc不高，已报道的聚合物/TiO₂-NA电池的效率仍然较低，大都在0.03-0.5 %。