[发明专利]一种基于多种异质结性能集成的杂化太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多种异质结性能集成的杂化太阳电池及其制备方法，太阳电池组成包括在玻璃衬基上依次沉积有阳极、TiO₂纳米结构薄膜和CdS纳米结构薄膜组成的、有机共轭聚合物和有机共轭小分子组成的有机共混体异质结薄膜、无机空穴传输层、阴极。本发明电池实现了无机平板型异质结、杂化平板型异质结及有机体型异质结性能的集成，克服了现有TiO₂纳米结构薄膜和纯有机共轭聚合物组成的杂化太阳电池中存在的瓶颈性不足，具有叠层状结构，关键材料膜层和器件的制备方法简便，对设备要求低，非常适合大面制备，在低价薄膜太阳电池领域具有很大的应用价值。

技术领域

本发明属于纳米材料和能源技术领域，尤其涉及一种基于多种异质结性能集成的杂化太阳电池及其制备方法。

背景技术

将太阳能转化成电能，实现光伏发电，是利用再生能源的一种重要方式。光伏发电系统中最关键的是捕获太阳光子并实现光电转换的装置，即太阳电池。太阳电池的光活性层通常由n-型半导体和p-型半导体组成的异质结薄膜构成，是光吸收和自由电荷产生的区域，对电池的光电转换过程有决定性作用，是太阳电池的关键材料。将n-型半导体薄膜和p-型半导体薄膜复合组成平板型异质结(planar heterojunction，略作PHJ)薄膜，然后再在异质结薄膜上沉积其他辅助性材料薄膜(如，选择性电子或空穴传输层)和电极薄膜，得到基于平板型异质结薄膜的太阳电池；PHJ电池的特点是将功能性薄膜材料逐层叠加在一起，结构简单，非常有利于大面积制备。PHJ结构也是当前高效电池所采用的典型结构(Science2016，352，aad4424；Science 2016，354，203-206)。

TiO₂具有资源丰富、性质稳定、环境友好、导电性好、透明且易由溶液法实现大面积制备等优点，是太阳电池中常用的重要材料。由n-型TiO₂纳米结构薄膜为电子受体(A)和p-型有机共轭聚合物薄膜为电子给体(D)组成PHJ薄膜，由此制备的杂化聚合物太阳电池(HPSC)称为TiO₂薄膜基平板型杂化聚合物太阳电池(简称，TiO₂薄膜基PHJ-HPSC电池)。PHJ-HPSC具有简单的叠层结构，是一种很容易由溶液加工法，例如旋涂、刮涂、丝网印刷、喷墨打印等实现大面积制备的新型的低价、全固态薄膜太阳电池。

然而，由于聚合物中的激子扩散长度通常较短(大约5-20nm)(Synthetic Metals190(2014)20-26)，只有在距离D/A很小范围内的聚合物激子才能被有效分离成自由载流子，使得光子的利用效率很低，进而导致器件的光电转换性能差。聚合物激子扩散长度短是PHJ-HPSC电池中的挑战性困难，也是研究过程中PHJ-HPSC电池结构很少被采用的重要原因所在(Synthetic Metals 160(2010)1–15；Energy Environ.Sci.2010，3，1851-1864；Energy Environ.Sci.2011，4，2700-2720；J.Mater.Chem.2012，22，2351-2368；Mater.Chem.Front.2017，1，1502-1513)。另外，聚合物中载流子迁移率较低，导致D/A杂化界面处的载流子复合严重，也是造成电池性能差的另一个因素。目前，报道中的TiO₂薄膜基PHJ-HPSC电池的效率均不高(大都＜1％)(React.Funct.Polym.2006，66，13-20；J.Appl.Phys.2007，101，114503；Appl.Phys.Lett.2007，90，183513；Appl.Phys.Lett.2009，95，213506)。目前通过在对聚合物薄膜的结构进行调控，并在TiO₂薄膜和聚合物薄膜之间增加CdTe纳米薄膜作为补充光吸收层，获得了效率为4.8％的TiO₂薄膜基PHJ-HPSC电池(ACS Appl.Mater.Interfaces 2017，9，17942-17948)。而若要获得TiO₂薄膜基PHJ-HPSC电池效率的突破，需要提高聚合物薄膜中光生激子的有效分离效率，减少D/A界面电荷复合。