[发明专利]一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及纳米材料和能源领域，确切地说是一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法。

背景技术：

利用有机共轭聚合物和无机半导体纳米结构组成的杂化聚合物太阳电池是一种新型有机/无机杂化太阳电池。由于其兼具聚合物(重量轻、柔韧性好、易大面积低价成膜等)和无机半导体材料(载流子迁移率高、性质稳定、结构易控制等)的优点，近年来成为低价太阳电池中的重要研究对象。通常，将无机半导体纳米颗粒与有机聚合物在有机溶剂中混合，实现简单共混，再由适当方式将这些简单共混物制成无序有机/无机杂化电池；例如，有机聚合物与ZnO(J.Phys.Chem.B 2005，109，9505-9516；Adv.Funct.Mater.2006，16，1112-1116)、TiO₂(Appl.Phys.Lett.2007，90，183513)、PbS(Nanotechnology 2009，20，095202)、PbSe(ACS Nano 2009，3，1345-1352)或CdSe(J.Phys.Chem.C 2010，114，12784-12791)等无机半导体纳米颗粒组成的太阳电池。然而，聚合物和纳米颗粒经简单共混而制成的太阳电池效率仍然低下。一方面，由于纳米颗粒本身极易团聚，严重影响了有机/无机界面和电子传输通道的形成；另一方面，光生电子要经过纳米颗粒间的传递才能到达电子收集电极，使得电池中存在严重的界面电荷复合。

用一维无机纳米棒(或线)阵列取代纳米颗粒与有机聚合物形成的复合结构，是一种理想的有机/无机杂化太阳电池结构形式(Chem.Rev.2007，107，1324-1338；J.Phys.Chem.C 2010，114，13846-13852)。一维无机纳米结构阵列可以提供直接的电子传输通道，使光生电子沿着取向生长的纳米阵列直接输运到收集电极上，可减少电荷的复合现象；同时，在这种复合结构中，可获得有机/无机界面和电荷传输通道在三维空间的稳定分布。ZnO纳米棒或线阵列(简称，ZnO-NA)具有许多优点，例如，性质稳定、环境友好、电子迁移率高及容易由简单的方法实现大面积制备等，是目前此类取向结构杂化太阳电池中使用最多的一种材料。然而，在ZnO-NA与有机聚合物组成的杂合太阳电池(简称，聚合物/ZnO-NA电池)中，器件的开路电压(V_oc)较低，大都在0.1-0.4V左右(J.Mater.Chem.2006，16，2088-2096；J.Phys.Chem.B 2006，110，7635-7639；J.Phys.Chem.C 2007，111，16670-16678)；虽然短路电流(J_sc)已达到毫安级，但很低的V_oc使得聚合物/ZnO-NA电池的转换效率(η)仍然较低，大都在0.2-0.4％。目前，大都通过对ZnO表面进行有机物修饰，来改善有机/无机界面的接触性能，获得了显著提高的J_sc，也在一定程度上提高了电池的V_oc(J.Mater.Chem.2006，16，2088-2096；J.Phys.Chem.B 2006，110，7635-7639；J.Phys.Chem.C 2011，115，3745-3752)。然而，经过有机物修饰，聚合物/ZnO-NA电池的性能仍不理想，尤其是V_oc仍然较低(大都在0.5V以下)。除有机修饰外，Lee等(J.Phys.Chem.C 2009，113，15778-15782)用TiO₂修饰ZnO-NA，形成了以ZnO为核TiO₂为壳的ZnO-TiO₂异质核壳结构纳米棒阵列(简称，ZnO-TiO₂-NA)；虽然与聚合物/ZnO-NA电池相比，聚合物/ZnO-TiO₂-NA电池的J_sc得到显著改善，但电池的V_oc仍然小于0.5V。因此，如何提高ZnO-NA组成的杂化聚合物太阳电池的开路电压，是获得高效理想结构电池过程中亟待解决的关键问题。