[发明专利]双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种双重等离激元增强的有机光伏电池及其制备方法，所述有机光伏电池包括透明导电衬底、银纳米颗粒、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，其制备方法包括：超声清洗透明导电衬底、烘干；在ITO薄膜上蒸镀纳米银膜并对其进行退火，然后旋涂PEDOT水溶液，空气中退火固化，以形成空穴传输层；再在其上面旋涂金棒水溶液，加热固化；在手套箱中，旋涂活性层溶液以形成有机活性层；通过热蒸发方法镀上金属电极，在惰性气体保护下对整个器件进行热退火。本发明通过对纳米银膜进行退火以在ITO薄膜上形成银纳米颗粒，并通过旋涂法在空穴传输层与活性层界面掺杂金纳米棒，工艺简单、易于大面积生产，能改善电池性能。

技术领域

本发明涉及一种双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法，既属于薄膜材料与器件领域。

背景技术

人类进入二十一世纪以来，能源与环境已成为全球关注的焦点。世界各国都在开发绿色环保的新能源。太阳能的开发和利用是人类解决能源危机的有效途径之一。硅基太阳能电池已有广泛的应用, 但硅的提纯对环境是一个重污染过程。多元化合物薄膜太阳能电池由于材料中含镉，会对环境造成严重的污染，因此，并非晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。而有机太阳能电池因具备成本低、轻便、可柔性、易加工、可大面积生产等优点受到广泛关注，近十几年以来，发展迅速，但要真正实现商业化，其光电转换效率还需要进一步提高。

一般而言，在有机太阳能电池中，吸收层膜厚越大，光吸收则越强。然而在有机太阳能电池中，有机材料载流子迁移率相对较低、激子扩散长度短的特性限制了吸收层的厚度，导致活性层的厚度只可折中选择在100~200 nm之间。为了充分利用太阳光谱，增强电池的光吸收，研究人员探索各种可应用于太阳能电池中的光捕获技术，比如：制备叠层结构的电池，使电池的吸收光谱与太阳光谱更加匹配；或制备绒面、微槽面等具有更大光接收面积的特殊表面结构等，使电池的光吸收增强。其中，在电池中引入利用金属纳米结构也成为众多研究者们研究的热点。对于金属纳米颗粒而言(如：Au ，Ag ，Cu ，Ni 等)，其在电池中增强光吸收的机制主要有两种：其一是由金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应引起的近场增强性质，即在当入射光的频率与其吸收光的频率相互匹配时，金属表面的自由电子将发生共振，金属表面的局域电磁场将会增强，近场耦合到光吸收层，增加其有效光吸收截面，并由此增加激子解离，进而电池的光吸收得到增强；其二是局域表面等离子体共振效应引起的远场散射，即一定尺寸的金属纳米颗粒可以散射光，将光散射到活性层中的各个位置，从而增加光在活性层中的光程，也可以达到增强光吸收的目的，从而提高电池的光电流。

到目前为止，国内外的研究者们对金属纳米颗粒在有机太阳能电池中的应用开展了一系列研究，将其掺杂于电池中的活性层，传输层或者它们之间的界面，电池性能得到了不同程度的改善。为了进一步改善电池光电性能、提高电池效率，在电池中引入双重等离子体也是一种有效手段。由于双重等离子体可以利用上述不止一种机制，对电池的性能将有更多影响。

发明内容

针对上述金属纳米颗粒对于电池效率提高的现状，本发明所要提供的是一种金纳米棒和银纳米颗粒共掺杂的双重等离子体增强的有机光伏电池及其制备方法，得到的光伏电池成本低廉、稳定、耐腐蚀性较好，保护环境，易于大面积生产。

本发明提供的技术方案是：一种双重等离子体增强的有机光伏电池，包括氧化物透明导电衬底、银纳米颗粒、空穴传输层、金纳米棒、有机活性层和金属电极，所述银纳米颗粒是通过真空蒸镀和退火技术掺杂于透明导电衬底和空穴传输层之间的界面，金纳米棒是通过旋涂法掺杂于空穴传输层和活性层之间的界面。

所述氧化物透明导电衬底为ITO导电玻璃、ITO透明柔性塑料、FTO导电玻璃、FTO透明柔性塑料、AZO导电玻璃、AZO透明柔性塑料、ITAZO导电玻璃、ITAZO透明柔性塑料中的任意一种。

所述空穴传输层是PEDOT:PSS薄膜。

所述有机活性层为P3HT:PCBM（由聚3-已基噻吩和C60衍生物组成的混合溶液作为活性层）。