[发明专利]一种TiO2与MEH-PPV杂化复合异质结薄膜太阳能电池及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明属于材料物理化学技术领域，尤其涉及一种在FTO导电玻璃基底上制备TiO₂与MEH-PPV无机有机杂化复合的异质结薄膜的方法。

背景技术

目前，人类社会正在面临环境恶化和能源枯竭的严重问题。环境污染日趋加重以及地球上化石燃料消耗殆尽、能源短缺已经成为世界各国普遍存在的问题，所以寻找新的清洁能源和可再生能源已经成为全世界人民共同关注和必须应对的问题。太阳能的优势在于其无污染、资源分布广泛、使用寿命长、安全可靠，且取之不尽、用之不竭，是一种真正意义上的绿色环保能源。因此，对太阳能的开发利用已成为世界关注的热点课题。在太阳能电池的发展历程中，根据制备太阳能电池所用材料的不同，将太阳能电池的发展归结为以下几个阶段：Si基太阳能电池即第一代太阳能电池，可以大规模的应用及工业化生产，且规模生产时转化效率约为15%，但受其价格以及繁琐的制备工艺的影响，其成本居高不下。无机化合物薄膜太阳能电池即第二代太阳能电池，例如砷化镓具有较高的吸收效率，载流子迁移率高，但材料价格昂贵，生产成本高，仅适用于空间方面的应用；硫化镉、碲化镉薄膜太阳能电池的效率比非晶硅薄膜太阳能电池效率高，易于大规模生产，但是由于镉有剧毒，危害人体健康，还会造成严重的环境污染。染料敏化太阳能电池即第三代太阳能电池，液态染料敏化太阳能电池，电解液易泄漏且具有腐蚀性；固态染料敏化太阳能电池用固态空穴代替液态电解质，便于组装，但其缺点是内量子效率低、光吸收不完全。聚合物太阳能电池即第四代太阳能电池，由于光谱响应范围与太阳光地面辐射光谱的不匹配，载流子迁移率低、电极对其收集率较低等缺陷，导致目前所开发的聚合物太阳能电池的转换效率普遍较低。无机-有机复合薄膜太阳能电池即第五代太阳能电池，无机纳米晶载流子迁移率高、化学稳定性好，又保留了高分子材料的良好柔韧性和可加工性。人们希望通过寻找新的材料和方法来改进太阳能电池，并期望使用简单的生产工艺制备出低成本高效率的太阳能电池，大多无机半导体材料都具有较高的电荷迁移率，并且具有D/A相分离互穿导电网络结构的有机-无机复合结构的光伏器件，可提高转换效率，所以人们综合有机物和无机物各自的优点，制备出无机有机杂化复合薄膜太阳能电池。

美国加利福尼亚州立大学伯克利分校的Alivisatos研究组报道了使用CdSe半导体纳米棒作为受体，与P3HT共混制备的共轭聚合物与无机半导体纳米晶杂化薄膜太阳电池，能量效率达到1.7%。n型无机半导体与p型半导体的聚合物形成互穿网络的结构可提高转换效率，作为电子受体的无机半导体材料具有以下优点：(1)纳米粒子的能级及带隙可通过改变纳米粒子的种类及尺寸来调节，使其在整个可见光范围都有吸收，可以扩大聚合物有机层对太阳光谱的吸收范围，改善电池响应光谱与太阳辐射的匹配性；(2)纳米材料有较高的电子迁移率，化学稳定性较好；（3）控制电子受体的尺寸来调节器件载流子的传输性，降低界面电阻。在此基础上，人们使用其他的无机半导体材料（ZnO、ZnS、CdTe、CdSe、SnSe、TiO₂等）与有机物（P3HT或者MEH-PPV（可溶性聚对苯乙炔）或者MDMO-PPV（聚[2-甲氧基,5-(3′,7′二甲基-辛氧基)]-对苯撑乙撑）杂化，制备出一系列类似结构的太阳能电池器件，且效率也提高到5.06%。这为无机半导体纳米晶的应用打开了一个新的领域，引起了广泛关注。

TiO₂属于一种宽带隙n型半导体材料，其直接禁带宽度为3.2eV，作为一种环保型半导体材料，由于具有电子传输性好、合成工艺简单、成本低、毒性低、稳定性好、使用寿命长等优点，在光电池领域中具有很高的应用价值。另外，就目前同类制备研究而言，采用水与溶剂热法或者溶胶-凝胶法制备TiO₂纳米粉体材料，然后利用刮刀法或旋涂技术等进行薄膜的制备；或是在基底上种植一层晶种进行诱导生长形成薄膜。但在组装太阳能光伏器件，测试光电转换性能方面存在一些缺陷：第一，溶胶-凝胶制备过程中实验步骤要求繁琐，条件苛刻，且会用到一些有毒反应物或溶剂，危害健康，造成污染；第二，在成膜过程中，晶种诱导生长或旋涂法等技术对薄膜的厚度和分布均匀度很难控制；因此，在与有机聚合物进行复合时，会直接影响复合效果，从而影响光电转换效率。因此，对于有重要应用价值的半导体材料，无论工业应用还是实验室研究，都对材料制备技术提出了更高的要求，即采用简单的工艺、廉价的原料，尽量降低能耗，合成出对环境无污染，高纯度的产品，以满足当今资源短缺、能源不足条件下的制备要求。本文采用溶剂热的方法制备透明、均匀、厚度可控的TiO₂薄膜。