CN105529404B - 一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于纳米热压印技术的二维碗阵列陷光结构有机太阳能电池及其制备方法，该方法具体包括：利用PS小球模板法和溶胶凝胶法制备TiO2二维纳米碗阵列模版，利用二维纳米碗阵列作为陷光结构模版，通过纳米压印机直接在活性层上压印出均匀分布的二维纳米碗阵列，这种方法创新性采用PS小球结合溶胶凝结法快速制备压印模版，不仅缩短时间，而且节约成本。同时，利用纳米压印技术制作出二维纳米周期结构，可以有效增加光吸收，提高对太阳光的利用率。因此，本发明不仅创新压印模版制备方法，同时，有效提高有机太阳能电池的效率，为未来纳米压印以及有机太阳能电池的发展有很大借鉴意义。

Description

一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池及其制 备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于纳米热压印技术的二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
二维和三维的有序微孔结构在光伏、光催化、光探测、传感器以及超疏水等方面都具有非常大的应用价值，二维和三维的有序微孔的陷光结构在有机太阳能电池方面也有广泛的应用，而在制备二维或三维的有序微孔结构时，经常要用到不同模板材料，目前比较常用的模板材料多为二氧化硅或硅模板。但由于二氧化硅材料不易于刻蚀，并且材料的脆性也增加了图像转移的难度。其模版制备工艺复杂而且难以满足大规模生产的需要，这极大的限制了陷光结构在有机太阳能电池中的应用。基于二氧化硅和硅材料的压印模版在使用时要经过切割、光刻，腐蚀、去胶、清洗等准备过程，准备周期较长，过程繁琐。为了解决这些问题，我们需要用新型的工艺及方法快速制备陷光结构模版并将其应用于有机太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米热压印技术的反型有机太阳能电池及其制备方法。该方法利用PS小球制备二维纳米碗阵列模版，其于该模版利用溶胶凝胶法制备TiO2二维纳米碗阵列作为陷光结构模板，通过纳米压印机直接在活性层上压印出均匀分布的二维纳米碗阵列，从而使操作更加简单方便，并且二维纳米碗阵列能够增强器件对于光的吸收，提高器件的性能。
本发明中的基于纳米热压印技术的二维碗阵列陷光结构有机太阳能电池制备主要包括两部分：1，PS小球模板法和溶胶凝胶法制备TiO2二维纳米碗阵列作为陷光结构模版：2，陷光结构反型有机太阳能电池制备。
本发明所制备的有机太阳能电池，从下至上，依次ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、PCDTBT:PCBM活性层、MoO3空穴传输层、Ag阳极组成，即结构为玻璃/ITO/TiO2/PCDTBT:PCBM/MoO3/Ag，其特征在于：与MoO3空穴传输层相接触的PCDTBT:PCBM活性层表面为高度有序的二维纳米碗阵列陷光结构，纳米碗的直径为350～450nm，高度为170～230nm；TiO2电子传输层的厚度为30～50nm、PCDTBT:PCBM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。
二维纳米碗阵列陷光结构模版采用PS小球模板法和溶胶凝胶法制备，采用纳米压印技术将图形转移到活性层，PS小球模板法制备陷光结构模版工艺简单，并且通过专用的纳米压印机直接在活性层表面制得均匀分布的二维纳米碗阵列陷光结构。当太阳光照射的时候，由于界面处陷光结构的存在，可以大大的提高器件对于光的耦合，从而增强器件对于太阳光的吸收。这样可以极大的提高光生电流，从而提高器件的性能。
本发明所述基于纳米热压印技术的二维碗阵列陷光结构有机太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
一、TiO2二维纳米碗阵列模版的制备
1)TiO2溶胶的配制
向30～60mL的无水乙醇中加入5～20mL的C16H36O4Ti，搅拌50～90分钟；加入5～20mL冰醋酸和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL乙酰丙酮和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL去离子水和10～30mL无水乙醇，搅拌15～30h；静置2～4天，得到TiO2溶胶；
2)衬底的处理
将玻璃衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10～30分钟，氮气吹干；
3)PS小球模板的制备
直径为300～500nm聚苯乙烯PS小球的单分散层是通过在水/空气界面的自组装办法形成的。首先，配制质量分数5wt％～10wt％的PS小球的水和乙醇(水和乙醇的体积比是1:1)单分散液；其次，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，将清洁处理后的玻璃衬底倾斜着***水中并缓慢提起，使排列紧密的PS小球单分散层转移到玻璃衬底上；最后，将载有PS小球单分散层的玻璃衬底在马弗炉中90℃～150℃条件下干燥15～30分钟去除溶剂，从而在玻璃衬底表面得到紧密排列、有序的二维PS小球阵列；
4)TiO2二维纳米碗阵列的制备
首先，将步骤3)得到的覆盖有PS小球阵列的玻璃衬底垂直缓慢浸入到步骤1)得到的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溶胶溶液中取出的玻璃衬底在马弗炉中350～500℃条件下退火1.5～2.5小时，自然冷却至室温后在玻璃衬底上得到高度有序的TiO2二维纳米碗阵列；纳米碗阵列结构直径350～450nm，高度约170～230nm；
二、有机太阳能电池制备。
1)将ITO导电玻璃放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20～30分钟，清洗后用氮气吹干；
2)将TiO2溶胶旋涂在ITO表面，旋涂速度为3000～5000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃用马弗炉在350～500℃条件下退火2～3h；自然冷却降温到室温后，即可在ITO上制得TiO2薄膜，薄膜的厚度为30～50nm；
3)室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM(质量比1:4)溶于有机溶剂二氯苯(北京百灵威公司)中，配置成5～10mg/mL的溶液，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，即可配置成PCDTBT：PCBM的混合溶液；
4)在TiO2薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM混合溶液，转速为1000～2500rpm；然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70～100℃退火30～50分钟，从而在TiO2薄膜上制得PCDTBT:PCBM活性层，厚度为200～300nm；
5)将旋涂有活性层的样品放在纳米热压印机中，采用制备好的TiO2二维纳米碗阵列作为模版，然后设定加压温度为50～70℃，保压温度60～80℃，保压时间10～20分钟，泄压温度30～60℃，从而在PCDTBT:PCBM活性层的表面制得二维纳米碗阵列的陷光结构；
6)再在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在具有二维纳米碗阵列陷光结构的活性层上蒸镀MoO3(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为3～5nm，生长速度为
7)最后在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下在MoO3空穴传输层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备得到本发明所述的二维纳米碗阵列陷光结构有机太阳能电池。
附图说明
图1：本发明所述压印模版制备示意图；
图2：本发明所述有机太阳能电池的结构示意图；
图3：本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池光电流曲线的对比。
如图1所示，步骤1为生长PS小球，步骤2为控制调节PS小球间隔尺寸，步骤3为TiO2形成、步骤4为退火后形成二维纳米结构。各部分名称为：PS小球11、TiO2溶胶层12、玻璃衬底13。
如图2所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为ITO导电玻璃衬底，2为TiO2电子传输层，3为活性层，4为MoO3空穴传输层，5为Ag电极。
如图3所示，在100mw/cm2的氙灯光照下测得了V-I特性曲线，a为对比器件，b为改造后的器件。图3结果说明本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池光电流曲线的对比，其电池短路电流，填充因子，能量转换效率明显提高。
具体实施方式
实施例1
一、TiO2二维纳米碗阵列模版的制备。
1)TiO2溶胶的配制步骤
向40mL的无水乙醇中加入10mL的C16H36O4Ti搅拌均匀60分钟；加入10mL冰醋酸和20mL无水乙醇，搅拌30分钟；加入10mL乙酰丙酮和20mL无水乙醇，搅拌30分钟；加入10mL去离子水和20mL无水乙醇，搅拌24h；静置3天，最终形成TiO2溶胶。
2)衬底的处理
玻璃衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20分钟，氮气吹干。
3)PS小球模板的制备
直径为420nm聚苯乙烯PS小球的单分散层是通过在水/空气界面的自组装办法形成的。首先，配制质量分数为5w％的PS小球单分散的水/乙醇(水和乙醇的体积比是1:1)混合溶液；其次，在培养皿内装入去离子水，并用微量进样器向去离子水表面缓慢注射PS小球的单分散溶液，PS小球会在水面散开，继续注射直至小球铺满整个水面；然后，向水面滴入2wt％的C12H25NaO4S水溶液调整水面的表面张力，控制PS小球排列；再然后，将玻璃衬底倾斜着***水中并缓慢提起，使PS小球转移到玻璃衬底上；最后，将载有PS小球单分散层的玻璃衬底在马弗炉中100℃条件下干燥25分钟去除溶剂，从而在玻璃衬底表面得到紧密排列、有序的二维PS小球阵列。
4)TiO2二维纳米碗阵列的制备
首先，将覆盖有PS小球阵列的玻璃衬底薄膜垂直缓慢浸入到TiO2溶胶溶液中时间5分钟，待衬底全部浸入后，将其缓慢提起，使TiO2溶胶填满PS小球模板的缝隙；然后，将从TiO2溶胶溶液中取出的玻璃衬底薄膜在马弗炉中450℃条件下退火2小时，自然冷却至室温后得到高度有序的TiO2二维纳米碗阵列；纳米碗阵列结构直径420nm，高度约210nm.
二、有机太阳能电池制备。
1)将ITO导电玻璃放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20分钟，清洗后用氮气吹干；
2)将制得的TiO2溶胶旋涂在ITO表面，旋涂速度为3000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃用马弗炉在450℃条件下焙烧2h；自然冷却降温到室温后，即可在ITO上制得TiO2薄膜，薄膜的厚度为40nm；
3)室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM(质量比1:4)溶于有机溶剂二氯苯(北京百灵威公司)中，配置成7mg/mL的溶液，然后在300rpm的搅拌速度下搅拌48h，即可配置成PCDTBT：PCBM的混合溶液；
4)在TiO2薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM混合溶液，转速为2000rpm；然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70℃退火30分钟，从而在TiO2薄膜上制得活性层，厚度为200nm；
5)将旋涂有活性层的样品放在纳米热压印机中，采用制备好的TiO2二维纳米碗阵列作为模版，然后设定加压温度为50℃，保压温度70℃，保压时间20分钟，泄压温度30℃，从而在活性层上制得二维纳米碗阵列；
6)将样品取出，在压强为1×10-5Pa下，在活性层上蒸镀MoO3(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为4nm，生长速度为
7)最后在压强为1×10-5Pa下蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为100nm，生长速度为进而制备得到本发明所述的二维纳米碗阵列陷光结构有机太阳能电池。

Claims (3)

1.一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1)将ITO导电玻璃放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20～30分钟，清洗后用氮气吹干；
2)将TiO2溶胶旋涂在ITO导电玻璃表面，旋涂速度为3000～5000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃用马弗炉在350～500℃条件下退火2～3h；自然冷却降温到室温后，即可在ITO上制得TiO2薄膜；
3)室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM按质量比1：4溶于有机溶剂二氯苯中，配置成5～10mg/mL的溶液，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，即可配置成PCDTBT：PCBM的混合溶液；
4)在TiO2薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM混合溶液，转速为1000～2500rpm；然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70～100℃退火30～50分钟，从而在TiO2薄膜上制得PCDTBT:PCBM活性层；
5)将旋涂有活性层的样品放在纳米热压印机中，以TiO2二维纳米碗阵列为模版，然后设定加压温度为50～70℃，保压温度60～80℃，保压时间10～20分钟，泄压温度30～60℃，从而在PCDTBT:PCBM活性层的表面制得二维纳米碗阵列的陷光结构；纳米碗的直径为350～450nm，高度为170～230nm；
6)再在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在具有二维纳米碗阵列陷光结构的活性层上蒸镀MoO3空穴传输层，厚度为3～5nm，生长速度为
7)最后在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下在MoO3空穴传输层上蒸镀Ag电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备得到具有二维纳米碗阵列陷光结构有机太阳能电池。
2.如权利要求1所述的一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：TiO2二维纳米碗阵列的制备步骤如下，
1)PS小球模板的制备
首先，配制质量分数5wt％～10wt％的直径为300～500nm聚苯乙烯PS小球的水和乙醇单分散液；其次，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，将清洁处理后的玻璃衬底倾斜着***水中并缓慢提起，使排列紧密的PS小球单分散层转移到玻璃衬底上；最后，将载有PS小球单分散层的玻璃衬底在马弗炉中90℃～150℃条件下干燥15～30分钟去除溶剂，从而在玻璃衬底表面得到紧密排列、有序的二维PS小球阵列；
2)TiO2二维纳米碗阵列的制备
首先，将步骤1)得到的覆盖有PS小球阵列的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溶胶溶液中取出的玻璃衬底在马弗炉中350～500℃条件下退火1.5～2.5小时，自然冷却至室温后在玻璃衬底上得到高度有序的TiO2二维纳米碗阵列。
3.如权利要求1或2所述的一种具有二维纳米碗阵列陷光结构的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：TiO2溶胶的配制是向30～60mL的无水乙醇中加入5～20mL的C16H36O4Ti，搅拌50～90分钟；加入5～20mL冰醋酸和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL乙酰丙酮和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL去离子水和10～30mL无水乙醇，搅拌15～30h；静置2～4天，得到TiO2溶胶。
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