[发明专利]一种高效率的有机无机杂化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池，尤其涉及一种高效率的有机—无机杂化太阳能电池及其制备方法。 

背景技术

随着石油价格的大幅上涨和矿物资源的日益枯竭，太阳能由于其取之不尽、不受地域限制以及清洁安全等优点越来越受到人们的重视。基于光伏效应将太阳能转换为电能的太阳能电池是利用太阳能的主要途径之一。然而，目前商品化的太阳能电池基本上采用硅或无机化合物半导体作为活性层材料，制备工艺复杂、成本高。另一方面，以有机半导体材料作为活性层的太阳能电池虽然具有可溶液加工、可得到大面积柔性器件、成本较低等优点，但同时也存在着载流子迁移率低、光吸收范围窄等缺陷，限制了其能量转换效率的提高。而以有机半导体材料（主要为共轭聚合物）与无机半导体纳米晶体（如ZnO、TiO₂、CdS、CdSe和PbS量子点、纳米棒、多臂纳米棒、支化的纳米晶和纳米阵列等）的复合膜为活性层的有机—无机杂化太阳能电池，综合了无机材料的高迁移率和有机材料的可溶液加工性等优势，理论上可以获得高效率、低成本的太阳能电池。 

然而，目前有机—无机杂化太阳能电池的光电能量转换效率还比较低，效率较高的杂化太阳能电池能量转换效率大多介于2-3%之间。人们采用了多种办法提高杂化太阳能电池的能量转换效率，比如调节无机纳米晶体的尺寸与形状、对纳米晶体表面进行化学修饰、采用窄带隙共轭聚合物作为活性层中的有机材料、对共轭聚合物进行端基修饰以及优化电池器件结构，等等。在制约杂化太阳能电池器件效率的众多因素中，无机纳米晶体的表面化学结构是一个尤其重要的影响因素。合成得到的无机纳米晶体表面通常存在着大量长链配体，如油酸、三辛基氧化膦（TOPO）和三辛基膦（TOP）等。这些空间位阻大、非电活性的配体会严重阻碍无机纳米晶体和共轭聚合物之间的光致电荷转移以及电子在无机纳米晶体之间的传输，导致电池的激子分离效率和载流子传输效率下降。如果这些长链配体能被短链配体取代，杂化太阳能电池的效率即能获得很大的提高。例如，现在人们大多采用的方法是将合成后的无机纳米晶体用吡啶处理，利用吡啶取代晶体表面的长链配体，以此修饰无机纳米晶体表面。然而，由于吡啶与纳米晶体的结合力较弱，无法完全取代无机晶体表面的长链配体，从而制约杂化太阳能电池能量转换效率的进一步提高。而将合成后的无机纳米晶体用结合力强的短链配体处理，会导致无机纳米晶体在溶剂中的溶解性下降，无法采用溶液加工法制备电池的活性层。 

为解决以上问题，最近人们采用了一种后处理的方法来修饰无机纳米晶体表面，即将制备得到的杂化太阳能电池活性层薄膜置于短链配体溶液中浸泡或置于短链配体气氛中进行热处理，从而取代无机纳米晶体表面的长链配体，提高杂化太阳能电池的能量转换效率。例如，美国普渡大学的Wu等人将CdSe纳米棒与P3HT的复合膜置于1,3-苯二硫醇（BDT）气氛中进行热处理以除去纳米棒表面残留的含膦长链配体，从而将杂化电池的能量转换效率从1.56%提高至2.65%（Nano Letters2010, 10, 1628）。美国佛罗里达大学的Jiangeng Xue课题组则利用了另一种短链配体1,2-乙二硫醇（EDT），并采用液相后处理的方法，得到了能量转换效率为2.4%的活性层为CdSe量子点与P3HT复合膜的杂化太阳能电池（Solar Energy Materials & Solar Cells2011, 95, 476）。但是，由于采用的这些短链配体带有两个官能团（二硫醇），在杂化太阳能电池中，当配体的其中一个巯基连接于无机纳米晶体表面时，另一个巯基很有可能形成悬挂键，从而成为影响电子传输的缺陷, 制约杂化太阳能电池能量转换效率的提高。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高效率的有机—无机杂化太阳能电池及其制备方法。 

高效率的有机—无机杂化太阳能电池包括顺次相连的阴极、活性层、阳极修饰层、阳极、衬底；活性层为共轭聚合物与表面经过短碳链单硫醇修饰的CdSe量子点共混形成的复合膜。 

所述的共轭聚合物为P3HT或PCPDTBT，化学结构式分别为： 

                 

  P3HT                                        PCPDTBT

所述的短碳链单硫醇的化学结构式为C_nH_2n+1SH，其中n为3~8。