[发明专利]一种聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池领域，特别涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池是由聚合物材料构成核心部分，基于聚合物半导体的光生伏特效应，通过聚合物材料吸收光子从而实现光电转换的太阳能电池。由于聚合物材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好，从而使得聚合物太阳能电池的造价低廉而且还有多样性的用途，成为太阳能电池发展的新方向。聚合物太阳能电池光活性层的最佳厚度为80~200nm之间，这样的薄层导致光吸收较低，从而成为制约光电转换效率的一个重要因素。因此，如何在不增加光活性层厚度的前提下提高电池的光电转换效率成为一个重要的研究课题。

增加光吸收的技术即光俘获技术有很多，如：微腔和光子晶体效应、光学间隔、引入一个周期性结构来增加光程长度、表面等离子体激元等。其中，利用金属纳米材料的表面等离子体激元提高聚合物太阳能电池的光电转换效率的方法得到广泛的关注。例如，申请号为201210101153.6的中国专利公开了一种太阳能电池，该太阳能电池在空穴传输层中掺杂有金属纳米颗粒-氧化石墨烯，利用金属纳米颗粒表面等离子体局域增强的效应，增加了太阳能电池对入射光的吸收效率，但由于金属纳米材料与光活性层之间的直接接触，影响了太阳能电池器件的电阻、开路电压、填充因子等电学性质，影响了电池的光电转换效率。Alan J. Heeger发表的“Enhancement of Donor-Acceptor Polymer Bulk Heterojunction SolarCell Power Conversion Efficiencies by Addition of Au Nanoparticles”（Angew. Chem. Int. Ed.，2011，50，5519-5523）提出在聚合物太阳能电池光活性层中掺杂Au纳米颗粒可提高光电转换效率，由于只在光活性层中掺杂Au纳米颗粒，致光电转换效率提高较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题和不足，提供一种聚合物太阳能电池，在第一空穴传输层和光活性层中都掺杂一定比例的金属纳米材料，在不降低电池开路电压和填充因子的情况下，电池具有较高的光电转换效率。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种聚合物太阳能电池的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种聚合物太阳能电池，包括透明阳极、空穴传输层、光活性层和金属阴极，所述空穴传输层由第一空穴传输层和第二空穴传输层组成，第一空穴传输层设置在透明阳极的表面，第一空穴传输层中掺杂有金属纳米材料；第二空穴传输层设置在第一空穴传输层表面；所述光活性层中掺杂有金属纳米材料，金属阴极设置在光活性层表面。

上述聚合物太阳能电池，所述第一空穴传输层和光活性层中的金属纳米材料选自Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ti、Co、Ni、Fe 中的一种或几种。

上述聚合物太阳能电池，所述第一空穴传输层和光活性层中金属纳米材料选自金属纳米颗粒、金属纳米棒、金属纳米片中的一种或几种。

上述聚合物太阳能电池，所述第一空穴传输层和光活性层中的金属纳米颗粒的粒径为2nm~50nm。

上述聚合物太阳能电池，所述第一空穴传输层和光活性层中的金属纳米棒的直径为2~20nm，长度为10~50nm。

上述聚合物太阳能电池，所述第一空穴传输层和光活性层中的金属纳米片的厚度为2~20nm，边长为10~50nm。

上述聚合物太阳能电池，所述的金属纳米材料占第一空穴传输层或光活性层重量的0.1%~10%。

上述聚合物太阳能电池，所述空穴传输层总厚度为10~100nm，第一空穴传输层的厚度为2~60nm，第二空穴传输层的厚度为5~50nm。

上述聚合物太阳能电池，在光活性层与金属阴极之间设置电子传输层。

一种聚合物太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：（1）制备透明阳极；（2）在透明阳极上制备第一空穴传输层，第一空穴传输层中掺杂有金属纳米材料；在第一空穴传输层上制备第二空穴传输层；（3）在第二空穴传输层上制备光活性层，光活性层中掺杂有金属纳米材料；（4）在光活性层上制备金属阴极。