一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機(jī)-無機(jī)雜化太陽電池，特別是一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)太陽電池被稱為第三代太陽電池，因其自身具備的諸多優(yōu)勢(shì)而受到了人們的廣泛關(guān)注。有機(jī)太陽電池不僅原材料豐富、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，而且與柔性襯底相兼容，可以利用卷對(duì)卷技術(shù)進(jìn)行大面積的生產(chǎn)，因而具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。然而，與無機(jī)電池相比，有機(jī)太陽電池目前的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，而制約其轉(zhuǎn)換效率的因素主要有以下兩點(diǎn):I)聚合物材料吸收光譜與太陽光譜不匹配，導(dǎo)致有機(jī)電池對(duì)太陽光的利用率較低，器件的短路電流不高；2)聚合物材料的載流子迀移率較低(?10—5cm2/V.s)，激子擴(kuò)散長度較短(?1nm)，光生電荷很容易復(fù)合。此外，有機(jī)電池也存在光譜吸收和載流子收集相互制約的問題。一般而言，光譜吸收隨著吸收層厚度的增加而增強(qiáng)，要確保電池足夠的光吸收就要盡量增加吸收層的厚度。但在有機(jī)電池中，激子的擴(kuò)散長度在很大程度上限制了活性層的厚度，目前報(bào)道的有機(jī)太陽電池活性層厚度普遍為lOOnm，當(dāng)厚度進(jìn)一步增加時(shí)將大大增加電子和空穴的復(fù)合幾率，引起電池各項(xiàng)性能參數(shù)的惡化。
[0003]有機(jī)-無機(jī)雜化太陽電池的提出為上述問題的解決提供了一個(gè)很好的思路。將無機(jī)納米材料作為電子受體材料弓I入有機(jī)電池當(dāng)中，無機(jī)材料與有機(jī)材料形成互補(bǔ)光吸收的同時(shí)，無機(jī)材料高載流子迀移率的特性也彌補(bǔ)了有機(jī)聚合物低載流子迀移的不足。然而，有機(jī)-無機(jī)雜化太陽電池目前的器件性能還有待提升，轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性都不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的:針對(duì)上述存在的問題，發(fā)明一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:以有機(jī)太陽電池給體/受體互穿的體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，弓丨入一種具有η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜，形成有機(jī)給體/無機(jī)受體平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在體相異質(zhì)結(jié)和平面異質(zhì)結(jié)共存的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的雙通道載流子高效輸運(yùn)。一方面，多孔結(jié)構(gòu)和納米尺寸的結(jié)合極大程度的提升了鍺薄膜的比表面積，確保了薄膜與有機(jī)材料的充分接觸進(jìn)而形成良好的有機(jī)/無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)。另一方面，與非晶材料相比，初晶態(tài)材料具有更高的短程有序度，同時(shí)又很好的避免了高晶化率所帶來晶界缺陷，因而具有很好的電學(xué)性能。所以，η型的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜即可在有機(jī)給體/有機(jī)受體體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中作為電子傳輸層，又可在有機(jī)給體/無機(jī)受體平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中作為無機(jī)受體材料，從而構(gòu)建體相異質(zhì)結(jié)和平面異質(zhì)結(jié)共存的雙通道復(fù)合結(jié)構(gòu)。同時(shí)，窄帶隙、高吸收系數(shù)、高載流子迀移率的鍺材料將有效增強(qiáng)和拓展電池的光譜吸收，并改善電池的載流子輸運(yùn)能力，進(jìn)而提升電池的性能。此電池中，η型的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜采用平板電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)在室溫條件下制備，該薄膜由尺寸大小5-25nm的錯(cuò)納米顆粒堆積而成，如圖1所不。初晶相是處于非晶相和結(jié)晶相兩者之間的一種相結(jié)構(gòu)。初晶態(tài)的鍺納米顆粒由極小的鍺晶粒(?Inm)和短程有序的鍺團(tuán)簇組成，如圖2所示，由于這些極小的晶粒和有序團(tuán)簇的存在，初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的選區(qū)電子衍射具有明顯的同心圓環(huán)特征。
[0006]所述的一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池，其在玻璃襯底上的制備順序?yàn)?如圖3所示):“I”是第一氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層、“2”是氧化鋅(ZnO)電子傳輸層、“3”是多孔納米鍺薄膜層、“4”是PTB7-Th與PC7qBM共混的有機(jī)層、“5”是氧化鉬(MoO3)空穴傳輸層、“6”是第二氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層。其中，電子傳輸層和共混有機(jī)層采用旋涂法制備，多孔納米鍺采用平板電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制備，空穴傳輸層和氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層采用真空熱蒸發(fā)法制備。所述的太陽電池在工作時(shí)太陽光由第二氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層入射。
[0007]所述的一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池，其能帶排列以及電子和空穴的具體輸運(yùn)機(jī)制如圖4所示:在有機(jī)給體/有機(jī)受體體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(PTB7-Th: PC7QBM體系)中，光生激子在PTB7-Th與PC7QBM界面處分離，電子通過PCyoBM/Ge/ZnO/1TO輸運(yùn)至電極處，納米鍺薄膜充當(dāng)電子傳輸層作用，空穴則通過PTB7_Th通道輸運(yùn)并隧穿至電極處，從而實(shí)現(xiàn)光生電子與空穴的分離與收集(如圖4中路徑“I”所示)；在有機(jī)給體/無機(jī)受體的平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(PTB7-Th:Ge體系)中，納米鍺顆粒作為電子受體材料，光生激子在PTB7-Th: Ge界面處分離，電子通過Ge/ZnO/ITO輸運(yùn)至電極處，空穴則通過PTB7-Th通道輸運(yùn)并隧穿至電極處，同樣實(shí)現(xiàn)光生電子與空穴的分離與收集(如圖4中路徑“2”所示)。體相異質(zhì)結(jié)與平面異質(zhì)結(jié)共存，雙通道獨(dú)立進(jìn)行載流子輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的高效輸運(yùn)，其等效并聯(lián)電路如圖5所示。
[0008]本發(fā)明的有益效果:提出一種體相異質(zhì)結(jié)與平面異質(zhì)結(jié)共存的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池，有機(jī)給體/有機(jī)受體互穿的體相異質(zhì)結(jié)和有機(jī)給體/無機(jī)受體的平面異質(zhì)結(jié)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)有機(jī)電池載流子輸運(yùn)和光譜吸收的共同提升，為有機(jī)電池的發(fā)展提供了新的思路和方向。
[0009]【【附圖說明】】
圖1是η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的表面SEM照片。
[0010]圖2是η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的TEM以及選區(qū)電子衍射照片。
[0011]圖3是一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖4是一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池的能帶排布以及電子和空穴的輸運(yùn)機(jī)制示意圖。
[0013]圖5是一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池的等效并聯(lián)電路圖。
[0014]【【具體實(shí)施方式】】
一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池的制備，具體過程如下:
1.玻璃襯底依次經(jīng)電子清洗液/去離子水/酒精/去離子水超聲清洗，氮?dú)獯蹈?，采用熱蒸鍍法沉積一層厚度10nm的氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層。
[0015]2.對(duì)上述沉積有氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層的玻璃襯底進(jìn)行15min臭氧處理，之后旋涂一層厚度為30nm的氧化鋅(ZnO)電子傳輸層，并進(jìn)行200 °C退火一小時(shí)處理。
[0016]3.上述經(jīng)200°C退火處理的襯底進(jìn)入平板電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)，采用頻率為13.56MHz的射頻電源，襯底和反應(yīng)腔室溫度維持在室溫，通入鍺烷(GeH4 )和氫氣(H2)混合的反應(yīng)氣體，其中鍺烷占?xì)怏w體積流量的百分比為I % ο輝光功率設(shè)定為80W，電極間距調(diào)整為5cm，待腔室壓強(qiáng)穩(wěn)定在3.0Tor時(shí)開始輝光，輝光12min沉積厚度為45nm的η型初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜。
[0017]4.上述襯底從平板電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)取出，將共混的PTB7-Th:PC70BMC 1:1.5 w/w)溶液均勻滴涂于帶η型初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的襯底上，靜置35秒后，低速(800轉(zhuǎn)/分鐘)和高速(2000轉(zhuǎn)/分鐘)分別旋轉(zhuǎn)1s和60s，放入培養(yǎng)皿中溶劑退火30min。
[0018]5.采用熱蒸鍍法依次沉積5nm的氧化鉬(MoO3)空穴傳輸層和10nm的氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層以及銀柵線電極，至此電池制備完成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜，所述納米鍺薄膜由顆粒堆積而成，顆粒尺寸為5-25nm，所述納米鍺薄膜的厚度為100-200nm，并在30V漏壓下的場(chǎng)效應(yīng)迀移率為1.65 X 10—3cm2 V—1 S—1。2.—種如權(quán)利要求1所述的具有η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的制備方法，其特征在于:將襯底置于平板電容耦合等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，采用頻率為13.56MHz的射頻電源，襯底和反應(yīng)腔室溫度維持在室溫，在平板電容耦合等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中通入鍺烷(GeH4)和氫氣(H2)混合的反應(yīng)氣體，其中鍺烷占?xì)怏w體積流量的百分比為1%，輝光功率為80W，電極間距為5cm，在空間等離子體中形成帶負(fù)電荷的納米鍺顆粒，所述納米鍺顆粒在電場(chǎng)的作用下向襯底進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)并形成由初晶態(tài)顆粒堆積而成的多孔薄膜。3.—種如權(quán)利要求1所述的具有η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜材料的應(yīng)用，其特征在于:將所述納米鍺薄膜用于雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池，所述太陽電池采用有機(jī)給體/有機(jī)受體體相異質(zhì)結(jié)和有機(jī)給體/無機(jī)受體平面異質(zhì)結(jié)共存的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的雙通道載流子輸運(yùn)，所述有機(jī)給體/有機(jī)受體體相異質(zhì)結(jié)由ΡΤΒ7-Th和富勒烯衍生物(PC7qBM)組成，所述有機(jī)給體/無機(jī)受體平面異質(zhì)結(jié)由PTB7-Th和多孔納米鍺薄膜組成，多孔納米鍺薄膜作為有機(jī)給體/有機(jī)受體體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電子傳輸層，同時(shí)作為有機(jī)給體/無機(jī)受體平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的無機(jī)受體材料，有機(jī)給體/有機(jī)受體體相異質(zhì)結(jié)和有機(jī)給體/無機(jī)受體平面異質(zhì)結(jié)在一次旋涂工藝中同時(shí)形成，具體方法如下:將共混的PTB7-Th:PC70BMC 1:1.5 w/w)溶液均勻滴涂于多孔納米鍺薄膜上，靜置35s后，低速(800轉(zhuǎn)/分鐘)和高速(1500轉(zhuǎn)/分鐘)分別旋轉(zhuǎn)1s和60s。4.一種如權(quán)利要求3所述的具有η型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜材料的應(yīng)用，其特征在于:所述太陽電池的制備為:在玻璃襯底上依次形成第一氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層、氧化鋅(ZnO)電子傳輸層、多孔納米鍺薄膜層、PTB7-Th與PC7qBM共混的有機(jī)層、氧化鉬(MoO3)空穴傳輸層、第二氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層，所述氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層的厚度為lOOnm，所述氧化鋅(ZnO)電子傳輸層的厚度為30nm，所述多孔納米鍺薄膜層，厚度為45nm，所述PTB7_Th與PCtqBM共混的有機(jī)層的厚度為lOOnm，所述氧化鉬(MoO3)空穴傳輸層的厚度為5nm，所述太陽電池在工作時(shí)太陽光由第二氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層入射。
【專利摘要】一種基于初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜的雙通道并聯(lián)型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽電池，以具有n型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜為基礎(chǔ)，在其上旋涂有機(jī)給體/有機(jī)受體活性層，有機(jī)給體/有機(jī)受體形成體相異質(zhì)結(jié)的同時(shí)有機(jī)給體/無機(jī)受體形成平面異質(zhì)結(jié)。在此體相異質(zhì)結(jié)和平面異質(zhì)結(jié)共存的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，載流子可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的雙通道輸運(yùn)，進(jìn)而在改善電池輸運(yùn)性能的同時(shí)增強(qiáng)和拓展電池對(duì)太陽光譜的吸收。其中，n型導(dǎo)電特征的初晶態(tài)多孔納米鍺薄膜采用平板電容耦合等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）系統(tǒng)在室溫下制備而成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：載流子并聯(lián)的雙通道輸運(yùn)方式與鍺材料窄帶隙、高吸收系數(shù)、高載流子遷移率的特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有機(jī)電池載流子輸運(yùn)能力和太陽光譜吸收的共同提升。
【IPC分類】H01L51/42, H01L51/44, H01L51/48
【公開號(hào)】CN105591031
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610167336
【發(fā)明人】倪牮, 孫小香, 張建軍, 李昶, 蔡宏琨, 張德賢, 李娟 , 許芮, 李正龍
【申請(qǐng)人】南開大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2016年3月23日