[发明专利]一种SnO2与P3HT杂化异质结薄膜太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

   本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种在ITO导电玻璃基底上制备SnO₂与P3HT 杂化的异质结薄膜的方法。

背景技术

   全球能源需求逐年增加，太阳能的开发利用已成为世界关注的热点课题。在太阳能电池的发展历程中，可分为以单晶硅和多晶硅为材料的第一代太阳能电池，利用薄膜材料完成光电转换的第二代太阳能电池，在薄膜电池的基础上引入有机物和无机纳米科技的第三代太阳能电池，第四代电池主要为多层结构。人们正不断寻找新的材料和方法，期望使用简单的生产工艺制备出低成本高效率的太阳能电池。有机物薄膜太阳能电池受到极大关注，利用有机物的可溶性，在常温常压下直接在电极表面成膜，形成活性层。但由于有机物自身的电荷迁移率较低，因此目前为止其能量转化效率并不理想。与有机物不同，大多无机半导体材料都具有较高的电荷迁移率，所以人们综合有机物和无机物各自的优点，制备出有机无机杂化薄膜的太阳能电池。

   美国加利福尼亚州立大学伯克利分校的Alivisatos 研究组报道了使用CdSe 半导体纳米棒作为受体，与P3HT共混制备的共轭聚合物/无机半导体纳米晶杂化薄膜太阳电池，能量效率达到1.7%。n 型无机半导体与p 型半导体的聚合物形成互穿网络，作为电子受体的无机半导体材料具有以下优点：(1) 纳米粒子的能级及带隙可通过改变纳米粒子的种类及尺寸来调节，使其在整个可见光范围都有吸收，可以扩大聚合物有机层对太阳光谱的吸收范围，改善电池响应光谱与太阳辐射的匹配性；(2) 纳米材料有较高的电子迁移率，化学稳定性较好。在此基础上，人们使用其他的无机半导体材料（ZnO、ZnS、TiO₂等）与有机物（P3HT或者MEHPPV）杂化，制备出一系列类似结构的太阳能电池器件，且效率也提高到5.06%。这为无机半导体纳米晶的应用打开了一个新的领域，引起了广泛关注。

SnO₂属于一种宽带隙n型半导体材料，其直接禁带宽度为3.6eV，作为一种环保型半导体材料，由于具有电子传输性好、合成工艺简单、成本低、毒性低、稳定性好、使用寿命长等优点，在光电池领域中具有很高的应用价值，目前其大多应用于锂离子电池和染料敏化电池中，而对于SnO₂与有机共轭聚合物杂化做薄膜太阳能电池方面的报道很少。另外，就目前同类制备研究而言，这类材料的制备大多以金属锡盐作为锡源，采用水与溶剂热法或者溶胶-凝胶法制备SnO₂纳米粉体材料，然后利用刮刀法或旋涂技术等进行薄膜的制备；或是在基底上种植一层晶种进行诱导生长形成薄膜。但在组装太阳能光伏器件，测试光电转换性能方面存在一些缺陷：第一，制备过程中实验步骤要求繁琐，条件苛刻，且会用到一些有毒反应物或溶剂，危害健康，造成污染；第二，在成膜过程中，晶种诱导生长或旋涂法等技术对薄膜的厚度和分布均匀度很难控制；因此，在与有机聚合物进行复合时，会直接影响复合效果，从而影响光电转换效率。因此，对于有重要应用价值的半导体材料，无论工业应用还是实验室研究，都对材料制备技术提出了更高的要求，即采用简单的工艺、廉价的原料，尽量降低能耗，合成出对环境无污染，高纯度的产品，以满足当今资源短缺、能源不足条件下的制备要求。

   本发明采用在低温条件下水与溶剂热法来实现SnO₂纳米薄膜材料的制备，并将其与P3HT杂化，组装有机无机杂化的异质结薄膜太阳能电池光伏器件，研究其光电转换性能。整个制备过程操作简便、绿色环保，能耗低，使用原料成本低廉，无任何毒害副产物。

发明内容

   本发明所要解决的问题是：提供一种直接在导电玻璃基底上低温水与溶剂热合成SnO₂纳米薄膜材料的化学方法，并将其与P3HT杂化，制备SnO₂与P3HT（SnO₂/P3HT）杂化的异质结薄膜太阳能电池器件。

本发明对要解决的问题所采取的技术方案是：

    本发明的一种无机/有机杂化的异质结薄膜太阳能电池器件，它为ITO/SnO₂:P3HT/Al无机/有机杂化的异质结薄膜太阳能电池器件。