一種具有二維納米碗陣列陷光結構的有機太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于有機太陽能電池技術領域，具體涉及一種基于納米熱壓印技術的二維 納米碗陣列陷光結構的有機太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 二維和三維的有序微孔結構在光伏、光催化、光探測、傳感器以及超疏水等方面都 具有非常大的應用價值，二維和三維的有序微孔的陷光結構在有機太陽能電池方面也有廣 泛的應用，而在制備二維或三維的有序微孔結構時，經(jīng)常要用到不同模板材料，目前比較常 用的模板材料多為二氧化硅或硅模板。但由于二氧化硅材料不易于刻蝕，并且材料的脆性 也增加了圖像轉移的難度。其模版制備工藝復雜而且難以滿足大規(guī)模生產的需要，這極大 的限制了陷光結構在有機太陽能電池中的應用?；诙趸韬凸璨牧系膲河∧０嬖谑褂?時要經(jīng)過切割、光刻，腐蝕、去膠、清洗等準備過程，準備周期較長，過程繁瑣。為了解決這些 問題，我們需要用新型的工藝及方法快速制備陷光結構模版并將其應用于有機太陽能電 池。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于納米熱壓印技術的反型有機太陽能電池及其制備 方法。該方法利用PS小球制備二維納米碗陣列模版，其于該模版利用溶膠凝膠法制備Ti0 2 二維納米碗陣列作為陷光結構模板，通過納米壓印機直接在活性層上壓印出均勻分布的二 維納米碗陣列，從而使操作更加簡單方便，并且二維納米碗陣列能夠增強器件對于光的吸 收，提尚器件的性能。
[0004] 本發(fā)明中的基于納米熱壓印技術的二維碗陣列陷光結構有機太陽能電池制備主 要包括兩部分：1，PS小球模板法和溶膠凝膠法制備Ti0 2二維納米碗陣列作為陷光結構模 版:2,陷光結構反型有機太陽能電池制備。
[0005] 本發(fā)明所制備的有機太陽能電池，從下至上，依次IT0導電玻璃襯底、Ti02電子傳 輸層、PCDTBT:PCBM活性層、Mo0 3空穴傳輸層、Ag陽極組成，即結構為玻璃/IT0/Ti02/PCDTBT: PCBM/M〇03/Ag，其特征在于:與Mo03空穴傳輸層相接觸的PCDTBT: PCBM活性層表面為高度有 序的二維納米碗陣列陷光結構，納米碗的直徑為350~450nm，高度為170~230nm;Ti〇2電子 傳輸層的厚度為30~50nm、PCDTBT:PCBM活性層的厚度為200~300nm、Mo0 3空穴傳輸層的厚 度為3~5nm、Ag陽極的厚度為80~120nm〇
[0006] 二維納米碗陣列陷光結構模版采用PS小球模板法和溶膠凝膠法制備，采用納米壓 印技術將圖形轉移到活性層，PS小球模板法制備陷光結構模版工藝簡單，并且通過專用的 納米壓印機直接在活性層表面制得均勻分布的二維納米碗陣列陷光結構。當太陽光照射的 時候，由于界面處陷光結構的存在，可以大大的提高器件對于光的耦合，從而增強器件對于 太陽光的吸收。這樣可以極大的提尚光生電流，從而提尚器件的性能。
[0007] 本發(fā)明所述基于納米熱壓印技術的二維碗陣列陷光結構有機太陽能電池的制備 方法，其步驟如下：
[0008] 一、Ti〇2二維納米碗陣列模版的制備
[0009] l)Ti〇2溶膠的配制
[0010] 向30~60mL的無水乙醇中加入5~20mL的C16H36〇4Ti，攪拌50~90分鐘；加入5~ 20mL冰醋酸和10~30mL無水乙醇，攪拌20~40分鐘；加入5~20mL乙酰丙酮和10~30mL無水 乙醇，攪拌20~40分鐘；加入5~20mL去離子水和10~30mL無水乙醇，攪拌15~30h;靜置2~ 4天，得到Ti0 2溶膠；
[0011] 2)襯底的處理
[0012]將玻璃襯底依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗10~30分鐘，氮氣吹干；
[0013] 3)PS小球模板的制備
[0014] 直徑為300~500nm聚苯乙烯PS小球的單分散層是通過在水/空氣界面的自組裝辦 法形成的。首先，配制質量分數(shù)5wt %~10wt %的PS小球的水和乙醇（水和乙醇的體積比是 1:1)單分散液;其次，在培養(yǎng)皿內加入去離子水，并向去離子水表面緩慢加入PS小球的水和 乙醇單分散液，PS小球在水面散開，繼續(xù)加入分散液直至PS小球鋪滿整個水面;然后，向水 面滴入2wt %~5wt %的C12H25Na〇4S水溶液調整水面的表面張力，使PS小球排列緊密，進而控 制調節(jié)PS小球間隔尺寸;再然后，將清潔處理后的玻璃襯底傾斜著插入水中并緩慢提起，使 排列緊密的PS小球單分散層轉移到玻璃襯底上;最后，將載有PS小球單分散層的玻璃襯底 在馬弗爐中90°C~150°C條件下干燥15~30分鐘去除溶劑，從而在玻璃襯底表面得到緊密 排列、有序的二維PS小球陣列；
[0015] 4)Ti02二維納米碗陣列的制備
[0016] 首先，將步驟3)得到的覆蓋有PS小球陣列的玻璃襯底垂直緩慢浸入到步驟1)得到 的Ti02溶膠溶液中3~5分鐘，使Ti0 2溶膠填滿PS小球模板的縫隙；然后，將從Ti02溶膠溶液 中取出的玻璃襯底在馬弗爐中350~500°C條件下退火1.5~2.5小時，自然冷卻至室溫后在 玻璃襯底上得到高度有序的Ti0 2二維納米碗陣列；納米碗陣列結構直徑350~450nm，高度 約170~230nm;
[0017]二、有機太陽能電池制備。
[0018] 1)將IT0導電玻璃放入燒杯中，分別用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗20~30 分鐘，清洗后用氮氣吹干；
[0019] 2)將Ti02溶膠旋涂在IT0表面，旋涂速度為3000~5000rpm;然后將帶有Ti0 2溶膠的 IT0導電玻璃用馬弗爐在350~500°C條件下退火2~3h;自然冷卻降溫到室溫后，即可在IT0 上制得Ti02薄膜，薄膜的厚度為30~50nm;
[0020] 3)室溫條件下，將給體材料PCDTBT與受體材料PCBM(質量比1:4)溶于有機溶劑二 氯苯(北京百靈威公司）中，配置成5~10mg/mL的溶液，然后在100~400rpm的攪拌速度下攪 拌24~48h，即可配置成P⑶TBT: PCBM的混合溶液；
[0021] 4)在Ti〇2薄膜上旋涂PCDTBT: PCBM混合溶液，轉速為1000~2500rpm;然后，將樣品 放入充滿氬氣的手套箱中，在熱臺上以70~100°C退火30~50分鐘，從而在Ti0 2薄膜上制得 PCDTBT: PCBM活性層，厚度為200~300nm;
[0022] 5)將旋涂有活性層的樣品放在納米熱壓印機中，采用制備好的Ti02二維納米碗陣 列作為模版，然后設定加壓溫度為50~70°C，保壓溫度60~80°C，保壓時間10~20分鐘，泄 壓溫度30~60°C，從而在P⑶TBT: PCBM活性層的表面制得二維納米碗陣列的陷光結構； [0023] 6)再在壓強為1 X 10-4~1 X l(T5Pa條件下，在具有二維納米碗陣列陷光結構的活 性層上蒸鍍Mo〇3(國藥集團化學試劑有限公司）空穴傳輸層，厚度為3~5nm，生長速度為 1~2 A/s
[0024] 7)最后在壓強為1 X ΚΓ5~1 X l(T3Pa條件下在Mo〇3空穴傳輸層上蒸鍍Ag(國藥集團 化學試劑有限公司）電極，厚度為80~120nm，生長速度為3~6 Α/s,進而制備得到本發(fā)明所 述的二維納米碗陣列陷光結構有機太陽能電池。
【附圖說明】
[0025] 圖1:本發(fā)明所述壓印模版制備示意圖；
[0026] 圖2:本發(fā)明所述有機太陽能電池的結構不意圖；
[0027] 圖3:本發(fā)明制備的反型有機太陽能電池與傳統(tǒng)反型有機太陽能電池光電流曲線 的對比。
[0028] 如圖1所示，步驟1為生長PS小球，步驟2為控制調節(jié)PS小球間隔尺寸，步驟3為Ti02 形成、步驟4為退火后形成二維納米結構。各部分名稱為:PS小球11、Ti02溶膠層12、玻璃襯 底13。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明所述有機太陽能電池的結構示意圖，1為IT0導電玻璃襯底，2為 Ti〇2電子傳輸層，3為活性層，4為Mo〇3空穴傳輸層，5為Ag電極。
[0030] 如圖3所示，在lOOmw/cm2的氙燈光照下測得了 V-I特性曲線，a為對比器件，b為改 造后的器件。圖3結果說明本發(fā)明制備的反型有機太陽能電池與傳統(tǒng)反型有機太陽能電池 光電流曲線的對比，其電池短路電流，填充因子，能量轉換效率明顯提高。
【具體實施方式】
[0031] 實施例1
[0032] 一、Ti02二維納米碗陣列模版的制備。
[0033] l)Ti02溶膠的配制步驟
[0034] 向40mL的無水乙醇中加入10mL的C16H36〇4Ti攪拌均勻60分鐘；加入10mL冰醋酸和 20mL無水乙醇，攪拌30分鐘；加入10mL乙酰丙酮和20mL無水乙醇，攪拌30分鐘；加入10mL去 離子水和20mL無