[发明专利]一种双仿生陷光兼具等离子体表面共振效应的聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于蛾眼减反射和蝴蝶翅膀鳞片陷光的双仿生陷光兼具等离子体表面共振效应的聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池因其柔性、可弯曲、低成本、便于大面积生产等优点为新能源发展提供了一条新的道路，文献报道基于共混体系反型聚合物太阳能电池已经具有较高的效率，但是由于有机物本身载流子迁移率低的影响，为减少载流子复合，一般活性层厚度保持在100nm左右，然而，较薄的活性层不利于光的吸收，因此，解决聚合物太阳能电池活性层吸收率低的缺点，进一步提高电池效率是研究人员必须面对的问题。世界各地的研究人员尝试通过各种方法改善器件特性，提高器件性能，例如，发展较宽吸收边的聚合物，改进器件结构等方法，而在本发明中通过仿生方法制作基于蛾眼减反射和蝴蝶翅膀鳞片陷光的双仿生陷光聚合物太阳能电池，提高对太阳光的有效利用，并且利用纳米粒子表面等离子体共振效应提高光利用，加强载流子传输，进一步提高聚合物太阳能电池的性能，

发明内容

本发明的目的是提供一种基于蛾眼减反射和蝴蝶翅膀鳞片陷光的双仿生兼具等离子体表面共振效应的有机聚合物太阳能电池及其制备方法。

该方法利用蛾眼和蝴蝶翅膀结构陷光界面的光汇聚和光场再分布作用提高太阳能电池性能，同时结合活性层纳米粒子掺杂，利用其表面等离子体共振效应提高器件光利用，同时提高载流子传输，进而大幅度提高聚合物太阳能电池效率。

本发明所述的基于蛾眼减反射和蝴蝶翅膀鳞片陷光的双仿生陷光兼具等离子体表面共振效应的聚合物太阳能电池制备主要包括三个部分：1、防蛾眼减反射层的制备；2、仿蝴蝶翅膀鳞片陷光层的制备；3、纳米粒子掺杂。

本发明所述的基于蛾眼减反射和蝴蝶翅膀鳞片陷光的双仿生陷光兼具等离子体表面共振效应的聚合物太阳能电池仿生结构的制备采用多种方法，简化了制备工艺，节约成本。

本发明所述的聚合物太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次由TiO₂蛾眼减反射层、ITO导电玻璃衬底、陷光TiO₂电子传输层、掺杂金或银纳米粒子的PCDTBT:PCBM活性层、MoO₃空穴传输层和Ag阳极组成。

采用溶胶凝胶法、模板法、阳极两部氧化法在ITO背面制备蛾眼减反射结构，采用溶胶凝胶法、模板法在TiO₂电子传输层制备蝴蝶翅膀仿生陷光结构。同时，在活性层中掺杂金或银纳米粒子，利用纳米粒子表面等离子体共振效应增加光的利用，从而提高器件的性能，其中蛾眼减反射层的厚度为40～60nm、PCDTBT：PCBM活性层的厚度为100～200nm、MoO₃空穴传输层的厚度为3～5nm、Ag阳极的厚度为80～120nm。

本发明所述基于蛾眼减反射和蝴蝶翅膀鳞片陷光的双仿生陷光兼具等离子体表面共振效应的聚合物太阳能电池制备方法。其步骤如下：

1、TiO₂蛾眼减反射层的制备

1)TiO₂溶胶的配制

20～30℃下，将10～30mL的钛酸四丁酯(北京益利化工厂)滴加到装有60～100mL无水乙醇(北京化工厂)的反应容器中，磁力搅拌60～90分钟(定时恒温磁力搅拌器)，再滴加5～20mL的冰乙酸(北京化工厂)，搅拌30～90min，得到均匀透明的淡黄色溶液；然后加入5～20mL乙酰丙酮(天津化学试剂厂)，搅拌30～90min，再加入20～40mL无水乙醇，将5～20mL去离子水以2～6mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌2～3天，得到均匀透明的淡黄色溶胶，放置陈化3～5天，得到TiO₂溶胶。

2)衬底清洗

将ITO导电玻璃衬底依次使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10～20分钟，然后用氮气吹干；

3)TiO₂蛾眼减反射层的制备

采用两步阳极氧化法，用高纯铝箔作为减反射压印模版，实验采用外形为20mm×15mm×0.5mm的纯度为99.9％的高纯铝箔为原材料，机械展平后使用。

第一步，以高纯铝箔为阳极，铜片为阴极，0.3～0.6M草酸作为溶剂和腐蚀剂，给定电压30～50V、溶剂温度2～5℃条件下腐蚀铝箔2～6h；