[發明專利]采用等離激元效應制備反型聚合物太陽電池的方法

無效

• 申請號: 201210101838.0
• 申請日: 2012-03-31
• 公開（公告）號: CN102623643A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 宋維;張興旺;高紅麗;尹志崗
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L51/48
• 分類號: H01L51/48;H01L51/42;H01L51/44
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及有機太陽能電池技術領域，特別涉及采用等離激元效應制備反型聚合物太陽電池的方法。

背景技術

有機聚合物太陽電池和硅基及其它無機化合物電池相比，由于不涉及高溫制備過程、工藝流程簡單、適合大面積生產等優勢，可大幅度降低電池生產成本。此外，聚合物太陽電池與柔性襯底結合，在生產過程中可以采用卷對卷生產工藝，同時制備的柔性器件具有更廣闊的應用前景。然而，目前有機聚合物電池還存在光電轉換效率低，使用壽命短等問題。因此通過研究制備有機聚合物太陽電池相關的材料、結構及制備工藝，提高聚合物電池的光電轉換效率及使用壽命成為國內外研究的熱點。

目前研究最多的一種電池結構為ITO沉積于襯底上作為陽極，最后沉積金屬鋁(Al)作為陰極，兩電極之間為阻擋層及活性層，這種結構被稱為正型太陽電池結構。這種電池結構由于采用性質活潑的Al作陰極，在空氣中極易被氧化導致電極對電子的抽取及傳導能力下降；另一方面，ITO作為陽極時通常采用PEDOT：PSS作為阻擋層以達到減少陽極區域載流子復合幾率提高電池光電轉換的目的，然而PEDOT：PSS作為酸性水溶液涂覆不但會增加工藝復雜性，而且水分子會降低電池活性層材料的光電轉換效率，同時對ITO電極具有腐蝕作用，縮短電池壽命。一種解決正型電池上述缺陷的方式為采用反型電池結構，即選擇透明電極作為陰極，選擇具有更高功函數的惰性金屬作為陽極。陰極選用ZnO:Al材料不必額外增加陰極阻擋層，這主要得益于ZnO作為寬禁帶半導體其價帶與給體LUMO能量差提供足夠的空穴勢壘。而陽極在電池背面，一方面選用惰性金屬可以避免電極氧化問題，另一方面不用苛求陽極阻擋層的透光性而有更廣闊的材料選擇空間。

目前還有一種提高太陽電池光電轉換效率的方法是采用金屬表面等離激元效應增強電池活性層對太陽光的吸收能力。金屬表面等離激元為電磁場使位于金屬表面附近自由電子集體震蕩的行為。這種量子化的震蕩使金屬附近的介質對某一波長的光產生增強吸收現象。近年來，已經通過實驗證實在聚合物太陽電池中摻入Au顆粒或Ag顆粒可以提高電池的光電轉換效率。

化學法合成Au顆粒以其工藝簡單并與聚合物太陽制備工藝兼容被眾多研究團隊所采用。然而目前合成方案成熟的Turkevich法制備的Au顆粒為親水性顆粒，不能直接添加至聚合物層中，限制其在聚合物太陽電池中的應用。解決方案為在Au顆粒表面修飾疏水性基團，使其能在非極性溶劑中穩定分散，在電池制備過程中可直接按比例向聚合物溶液中添加。

綜上所述，本發明基于上述提高聚合物有機電池穩定性及光電轉化效率的方案，提出在利用氧化鋅(ZnO):鋁(Al)作為陰極的反型電池結構中，活性層中加入表面由DDAB修飾的金(Au)顆粒，以提高反型聚合物太陽電池效率的方法。

發明內容

本發明的目的在于，提出一種采用等離激元效應制備反型聚合物太陽電池的方法，其是通過表面改性過Au顆粒摻入光敏層中，利用金屬表面等離激元效應增強聚合物電池的光電轉換效率。解決聚合物太陽電池PEDOT：PSS層對ITO的腐蝕問題，同時解決Al電極的氧化問題。通過表面改性Au顆粒，解決其不能穩定分散于非極性溶劑的問題，增強電池對太陽光的吸收能力。提高聚合物太陽電池的壽命及光電轉換效率。

為達到上述目的，本發明提出了一種采用等離激元效應制備反型聚合物太陽電池的方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底上面的一側沉積濺射一層氧化鋅摻鋁層，該氧化鋅摻鋁層為陰極；

步驟2：在暴露的襯底上面和氧化鋅摻鋁層上面的一側，旋涂摻入金顆粒的聚噻吩富勒烯混合物，形成光敏層；

步驟3：在光敏層上通過熱蒸發沉積一層氧化鉬層；

步驟4：通過熱蒸發，在氧化鉬層上沉積銀層，該銀層為陽極，完成反型聚合物太陽電池的制備。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1、有表面修飾的Au顆粒可穩定分散于P3HT與PCBM混合物的氯苯溶液。本發明采用相轉移法在有機溶劑中直接合成Au顆粒，其表面有DDAB修飾，可穩定分散于非極性溶劑中。

2、采用本發明的方法制備的反型電池結構，其可解決正型結構中ITO電極與Al電極的腐蝕氧化問題。用ZnO:Al作為透明電極，其透光率高于ITO電極，表面粗糙度小于ITO電極。同時ZnO作為寬禁帶半導體，作為聚合物太陽電池陰極時，不用額外制備陰極阻擋層。用MoO3代替PEDOT：PSS作為陽極阻擋層，可減少在器件制備過程中水對活性層的不利影響。

3、本發明避免了含水工藝。在簡化工藝的同時，保證電池的穩定與高效。