[发明专利]有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是一种有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法。

背景技术

全球能源的高需求以及使用化石能源而带来的环境污染促使开发利用太阳能成为世界关注的热点课题。在众多太阳能电池类型中，有机聚合物太阳能电池由于有机材料结构的可设计性、材料重量轻、制造成本低、柔性和加工性能好、便于制造大面积电池和材料来源广泛等优点，得到广泛的研究开发。然而纯有机聚合物太阳能电池的光电转换效率较低。1992年，Heeger等首次发现共轭聚合物与C60之间存在光诱导超快电荷转移这种现象（Sariciftci, N. S.; Smilowitz, L.; Heeger, A. J.; et al. Science1992, 258, 1474.），继而提出杂化太阳能电池的概念。目前，有机聚合物-富勒烯衍生物（PCBM）体系仍然主导着该类太阳能电池，电池效率已经突破10%（Li G.; Zhu R.; Yang Y. Nature Photon., 2012, 6, 153.）。无机半导体纳米晶（CdSe、TiO2、ZnO等）与PCBM薄膜相比，电子迁移率较高；因此可将其引入聚合物体系中，以制备无机纳米晶/聚合物杂化太阳能电池。作为p型半导体的聚合物（Electron Donor）与作为n型半导体无机纳米晶（Electron Acceptor）形成D/A互穿网络，并且形成pn异质结以利于激子的有效分离。经计算，有机-无机杂化太阳能电池（Hybrid Solar Cell，简称为HSC）具有很高的理论效率。因此，有机-无机杂化太阳能电池具有良好的发展前景，成为科研工作者的研究热点。

目前，有机-无机杂化太阳能电池的光电转换效率还很低，其开路电压Voc、短路电流Jsc和填充因子FF都有待进一步提高。光照产生的激子只有迁移到有机-无机界面才可以分离，而激子扩散长度非常有限（~10 nm），所以有机给体和无机受体要尽可能地良好接触并保证激子在此两相界面快速有效地分离，这是影响电池性能的关键。杂化太阳能电池往往因为有机-无机材料接触面积小以及有机、无机材料性质的差异使两相界面接触不佳，激子传输到两相界面不能有效分离，导致电子不能顺利地从有机聚合物传递给无机半导体而与空穴复合。电荷复合越严重，Voc越小。所以，可以通过修饰有机-无机两相界面来提高激子在此界面处的分离效率并减小电荷复合。而电荷复合的降低，某种程度上可以提高电荷的收集效率，对产生较大的光电流以及光电转换效率是有益的。因此，选择合适的界面修饰剂来调控两相界面性质并优化杂化太阳能电池性能具有非常重要的作用和意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法，制备了有序本体异质结结构的太阳能电池、并通过界面修饰来优化杂化界面。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案1是：

一种有机-无机杂化太阳能电池，包括FTO导电玻璃、生长在FTO导电玻璃上的TiO₂纳米棒阵列、包覆在TiO₂纳米棒阵列表面的PEDOT:PSS膜构成的空穴传输层、以及蒸镀在PEDOT:PSS膜上的金属Au， TiO₂纳米棒阵列的表面吸附有三苯胺染料、并旋涂有p型有机聚合物聚-3-己基噻吩膜；所述TiO₂纳米棒阵列的厚度为2.5μm，纳米棒粗10~20nm，PEDOT:PSS膜的厚度为60nm。

本发明还提供了上述有机-无机杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

①清洗FTO导电玻璃，并在FTO导电玻璃上用水热法生长TiO₂纳米棒阵列（2），得FTO/TiO₂电极；

②将三苯胺染料溶于乙腈中，配成浓度为0.5 mM的溶液，然后将步骤①中的FTO/TiO₂电极浸入上述溶液，得FTO/dye-TiO₂电极；

③将P3HT的氯苯溶液旋涂在所述FTO/dye-TiO₂电极的TiO₂膜上，得FTO/dye-TiO₂/P3HT电极；

④空穴传输材料PEDOT:PSS在P3HT膜上的旋涂：按照体积比1:100的比例将表面活性剂ZF-300与PEDOT:PSS水溶液混合，然后将上述混合液旋涂在所述FTO/dye-TiO₂/P3HT电极上，得FTO/dye-TiO₂/P3HT/PEDOT:PSS电极；