[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

摘要

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，属于有机聚合物太阳能电池技术领域。该太阳能电池依次由TiO2蛾眼减反射层、ITO导电玻璃衬底、仿蝴蝶翅膀鳞片陷光TiO2电子传输层、掺杂金或银纳米粒子的PCDTBTPCBM活性层、MoO3空穴传输层和Ag阳极组成。本发明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，进而大幅度提高有机太阳能电池效率。

主权项

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的制备方法，其步骤如下：(1)TiO2蛾眼减反射层的制备①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；②以步骤①得到的铝箔为阳极，铜片为阴极，4～7wt％磷酸作为溶剂和腐蚀剂，给定电压30～50V、溶剂温度30～90℃条件下继续腐蚀铝箔2～6h，从而在铝箔表面得到倒圆锥形凹槽阵列，倒锥形凹槽阵列直径40～60nm，周期40～60nm，高度40～60nm；③将TiO2溶胶旋涂在清洗后的ITO导电玻璃衬底的玻璃表面，旋涂转速为1000～4000rpm，旋涂时间为10～30s，得到的TiO2溶胶层的厚度范围是40～60nm；④将步骤③得到的ITO导电玻璃衬底的玻璃表面向上放入压印机，以步骤②制备的铝箔为减反射压印模版，设定加压温度为70～130℃，保压温度为130～150℃，保压时间为10～20min，泄压温度为30～60℃，从而在TiO2溶胶层上压印得到圆锥形阵列，圆锥形阵列底部直径为40～60nm，周期为40～60nm，高度为40～60nm，该阵列模拟蛾眼结构，能够有效减小对于入射光的反射作用；⑤将步骤④得到的ITO导电玻璃衬底在300～500℃条件下焙烧1～3h，自然降温至室温，从而在ITO导电玻璃衬底的玻璃表面制备得到TiO2蛾眼减反射层，其厚度范围40～60nm；(2)仿生陷光结构聚合物太阳能电池的制备①陷光TiO2电子传输层的制备A：在培养皿内加入去离子水，并向去离子水表面缓慢加入PS小球的水和乙醇单分散液，PS小球在水面散开，继续加入分散液直至PS小球铺满整个水面；然后向水面滴入2wt％～5wt％的C12H25NaO4S水溶液调整水面的表面张力，使PS小球排列紧密，进而控制调节PS小球间隔尺寸；再然后，将步骤(1)得到的ITO导电玻璃衬底倾斜着插入水中并缓慢提起，使排列紧密的PS小球单分散层转移到ITO导电玻璃衬底的ITO表面上；最后，将载有PS小球单分散层的ITO导电玻璃衬底在90℃～150℃条件下干燥15～30分钟去除溶剂，从而在ITO导电玻璃衬底的ITO表面得到紧密排列、有序的二维PS小球阵列；B：将得到的覆盖有PS小球阵列的ITO导电玻璃衬底垂直缓慢浸入到TiO2溶胶溶液中3～5分钟，使TiO2溶胶填满PS小球模板的缝隙；然后，将从TiO2溶胶溶液中取出的ITO导电玻璃衬底在350～500℃条件下退火1.5～2.5小时，自然冷却至室温；PS小球在高温条件下碳化，留下二维碗状镂空阵列结构，从而在ITO导电玻璃衬底的ITO表面得到二维结构的陷光TiO2电子传输层，该阵列形状模拟镂空型蝴蝶翅膀，能够有效改变电池内部光场发布，增加太阳光的吸收，该阵列的直径350～450nm，高度170～230nm，周期350～450nm；②活性层的制备首先，以1‑2‑二氯苯为溶剂，以PCDTBT为给体材料，PCBM为受体材料按质量比1：4配制成5mg/mL～20mg/mL浓度的活性层溶液，同时在活性层溶液中掺杂0.1～5wt％的Ag或Au纳米粒子材料；然后，在步骤①制备的陷光TiO2电子传输层上旋涂该活性层溶液，旋涂转速为1000～3000rpm，旋涂时间为10～30s，得到的活性层的厚度为50～150nm；③空穴传输层的制备及电极的制备在压强2×10‑4～5×10‑4Pa条件下，在活性层表面蒸镀MoO3空穴传输层，厚度为3～5nm，生长速度为最后在MoO3空穴传输层上，在3×10‑4～5×10‑4Pa条件下蒸镀Ag电极，厚度为80～150nm，生长速度为从而制备得到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。