[发明专利]一种多元有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及纳米材料和能源领域，确切地说是一种具有互补性能的多组分有机/无机杂化太阳电池及其制备方法。

背景技术：

由有机共轭聚合物（给体材料,简称D）和无机半导体纳米结构（受体材料，简称A）组成的聚合物太阳电池是一种新型的有机/无机杂化太阳电池。由于其兼具聚合物（重量轻、柔韧性好、易大面积低价成膜等）和无机半导体材料（载流子迁移率高、性质稳定、结构易控制等）的优点，近年来成为低价太阳电池中的重要研究对象。此类杂化电池的活性层通常采用平板和体型两种结构。平板结构是将D和A的膜层相继沉积到电极上，形成二维D/A界面。体型结构是将无机纳米材料分散到聚合物中，从而形成三维D/A界面。体型结构通常具有较高的D/A界面面积，这有利于激子的分离；此外，体型结构的D和A通常形成纳米尺度的双连续互穿网络结构，从而解决了常见聚合物中因激子扩散长度较短（小于20nm）(Phys.Rev.B.2005,72,045217；Nanoscale2011,446-489)而导致的激子无法有效利用的问题。目前，采用聚合物/CdTe平板和体型结构相结合（Energy Environ.Sci.2013,6,1597-1603）或聚合物/Sb₂S₃敏化TiO₂多孔膜体型结构（Nano Lett.2010,10,2609-2612）已经实现了能量转换效率（η）为5%左右的电池器件。

用一维无机纳米棒（或线）阵列取代纳米颗粒与有机聚合物形成的复合结构是一种理想的有机/无机杂化太阳电池结构形式（Chem.Rev.2007,107,1324-1338；Energy Environ.Sci.2010,3,1851-1864;Adv.Mater.2011,23,1810-1828；Energy Environ.Sci.2011,4,2700-2720）。首先，纳米结构阵列可以提供直接的电子传输通道，使光生电子沿着取向生长的纳米阵列直接输运到收集电极上，减少电荷的复合；其次，在这种复合结构中，既可以获得较大的电荷分离界面面积，又可以克服聚合物中激子有效扩散长度短的缺点，提高了聚合物中激子的利用效率；再者，预先生长在衬基上的阵列，可以保持有机/无机界面和电荷传输通道在三维空间的稳定分布。ZnO纳米棒或线阵列（简称，ZnO-NA）具有许多优点，例如，性质稳定、环境友好、电子迁移率高及容易由简单的方法实现大面积制备等，是目前此类取向结构杂化太阳电池中使用最多的一种材料（Energy Environ.Sci.2009,2,19-34；Adv.Mater.2011,23,1810-1828；Energy Environ.Sci.2011,4,2700-2720）。然而，ZnO-NA与聚合物组成的是活性层仅含两种组分(即，ZnO和聚合物)的二元杂化太阳电池（简称，聚合物/ZnO-NA电池），其效率η比较低（大都在0.2%-0.5%），主要是由于较低的开路电压（V_oc）（大都在0.1-0.5V）和较窄的聚合物吸收谱带（400-600nm）以及较低的填充因子（FF）(大都在30%左右)造成的。