[发明专利]基于金属纳米粒子掺杂三端子并联聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于金属纳米粒子（NPs）掺杂的三端子并联结构聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池由于其材料来源广泛、低成本、柔性、可大面积制备等优点成为近年来极具吸引力的研究课题。传统反型聚合物太阳能电池结构由阴极、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极构成。但是一种活性层只能吸收固定波长的太阳光，这样会大大降低光的利用效率。目前研究发现，在活性层中掺杂金属纳米粒子后，纳米粒子局域表面等离激元增强效应增强了活性层的光吸收能力，增加了器件中光激子的生成，从而提升了器件光电流，提高了对于太阳光的利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于金属纳米粒子掺杂的三端子并联（所谓三端子并联即有三个电极，采用共阳极、双阴极的并联结构）结构聚合物太阳能电池及其制备方法，通过将活性层吸收光范围互补的两个子电池组成并联结构，并且在每个子电池的活性层中掺杂金属纳米粒子，利用金属纳米粒子附近的等离子增强效应提高太阳能电池对于太阳光的利用率，从而提高太阳能电池的性能。

本发明所制备的聚合物太阳能电池，从下至上，依次为：作为衬底和阴极的ITO导电玻璃、TiO₂电子传输层、PSBTBT:PC₇₀BM:NPs活性层、MoO₃空穴传输层、Ag阳极、WO₃空穴传输层、P3HT:PC₇₀BM:NPs活性层、LiF电子传输层和Al阴极，即结构为ITO/TiO₂/PSBTBT:PC₇₀BM:NPs/MoO₃/Ag/WO₃/P3HT:PC₇₀BM:NPs/LiF/Al；其中NPs代表Au或Ag纳米粒子。

ITO阴极层的厚度为50～100nm，TiO₂电子传输层的厚度为25～50nm，PSBTBT:PC₇₀BM:NPs活性层的厚度为200～300nm，MoO₃空穴传输层的厚度为3～5nm，Ag阳极的厚度为80～120nm，WO₃空穴传输层的厚度为3～5nm，P3HT:PC₇₀BM:NPs活性层的厚度为200～300nm，LiF电子传输层的厚度为1～3nm，Al阴极的厚度为70～110nm。PSBTBT:PC₇₀BM:NPs活性层的质量比为1：1：0.02～0.05，P3HT:PC₇₀BM:NPs活性层的质量比为1：1：0.02～0.05。

本发明中采用的三端子并联结构聚合物太阳能电池，选择聚合物材料体系P3HT:PC₇₀BM和PSBTBT:PC₇₀BM为叠层聚合物电池的两个活性层，P3HT的吸收光谱是400～600nm，PSBTBT的吸收光谱是600～800nm，这两种材料的吸收光谱可以在可见光区实现互补。并且我们采用自己合成Au、Ag纳米颗粒和活性层材料进行共混，实现金属纳米粒子在活性层中均匀分布，并实现良好的相分离，保证纳米粒子的等离子共振吸收效应能够在活性层的各部分发生作用，保证活性层成膜均匀，起伏度小，没有皲裂。纳米粒子周围的局域表面等离激元增强效应增强了活性层的光吸收能力，增加了器件中光激子的生成，从而提升了器件光电流。

Ag纳米粒子的合成：将0.4～0.6g的硝酸银溶于15～25ml的去离子水，并置于100ml的反应釜中，再分别将1～3ml的亚油酸、0.4～0.6g的油酸钠和40～60ml的乙醇先后放入到反应釜中；反应温度为80～100℃，反应时间为8～12h；反应结束后，冷却至室温时，在反应釜的底部收集到银纳米晶；然后，将银纳米晶超声分散在乙醇中，离心清洗，反复3～5次；最后，将银纳米晶分散在甲苯中，得到银纳米粒子的甲苯溶液；

Au纳米粒子的合成：在100mL烧杯中加入20～40mg柠檬酸钠水溶液，加热至90～100℃，然后将2～3ml、0.16mg/ml的HAuCl₄加入上述溶液中，保持温度并定容20～40min后冷却。

本发明所述基于金属纳米粒子掺杂的三端子并联结构聚合物太阳能电池，其步骤如下：

1)将ITO导电玻璃（深圳南玻集团）放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20～30min，清洗后用氮气吹干，放入培养皿中；