基于表面等離激元效應的有機太陽電池結構及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有機太陽電池，特別涉及一種利用等離激元效應提高有機太陽電池效率的結構以及制備方法。
【背景技術】
[0002]能源需求和環境污染問題的日益嚴重使清潔能源的開發和利用成為研宄熱點。太陽能可以說是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，利用太陽電池將太陽能轉換為電能是解決能源危機的一種有效途徑。目前硅基太陽電池已經實現工業化生產，技術發展成熟，電池效率接近理論極限，成本偏高。近年來，低成本的有機太陽電池受到了廣泛關注。有機半導體材料具有柔性好、輕質、成本低的特點，并且有機半導體器件制備工藝簡單，采用基于溶液的旋涂法、提拉法等方法即可制備。有機太陽電池研宄進展很快，目前效率已經超過10%。
[0003]由于有機半導體材料載流子迀移率低、激子擴散長度短，有機太陽電池的有源層需要做的比較薄，一般不超過200nm。而薄的有源層不能保證充分的光吸收。二者之間的矛盾制約了有機太陽電池效率的提高。在保證有源層厚度不變的前提下，增強太陽電池光吸收的一種有效途徑是引入金屬表面等離激元效應。金屬納米顆粒，如Au、Ag，在可見光區域具有明顯的表面等離激元效應，可以有效增強光吸收，從而提高有機太陽電池光電轉換效率。
[0004]表面等離激元具有近場增強的特點，等離激元增強的效果隨著距金屬納米顆粒表面距離的增大呈指數衰減。在有機太陽電池中，有源層是光吸收和光電效應的主體。金屬納米顆粒距離有源層越近，光吸收增強效果越明顯。但是直接將金屬納米顆粒引入有源層中，容易形成電荷復合中心，產生大的漏電流，不利于電池效率的提高。常用的方法是將金屬納米顆粒引入緩沖層中，或者電極與緩沖層界面處。
[0005]基于以上分析，我們提出一種利用等離激元效應提高有機太陽電池效率的新結構。這種結構既能有效發揮金屬表面等離激元近場增強的效果，又能避免電荷復合中心的形成。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于，提供一種基于表面等離激元效應的有機太陽電池結構及制備方法，一方面要充分發揮等離激元近場增強的效果，增強太陽電池的光吸收，從而增大光電流；另一方面，要避免金屬納米顆粒與有源層直接接觸，形成電荷復合中心，產生大的漏電流。
[0007]為了達到上述目的，本發明提供一種基于表面等離激元效應的有機太陽電池結構，包括:
[0008]一陽極透明導電襯底；
[0009]一三明治結構的空穴傳輸層，其制作在陽極透明導電襯底上，該空穴傳輸層的中間為一層金屬納米顆粒，形成三明治結構；
[0010]一有源層，其制作在空穴傳輸層上；
[0011]一緩沖層，其制作在有源層上；
[0012]一陰極，其制作在緩沖層上。
[0013]本發明還提供一種基于表面等離激元效應的有機太陽電池的制備方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1:在陽極透明導電襯底上旋涂第一層PEDOT:PSS溶液；
[0015]步驟2:在第一層PEDOT:PSS溶液上旋涂一層金屬納米顆粒溶液；
[0016]步驟3:在金屬納米顆粒溶液上旋涂第二層PEDOT:PSS溶液；
[0017]步驟4:退火，形成具有三明治結構的空穴傳輸層；
[0018]步驟5:在空穴傳輸層上旋涂有機聚合物與富勒烯衍生物的混合溶液，形成有源層；
[0019]步驟6:采用熱蒸發的方式在有源層上制備一層緩沖層；
[0020]步驟7:采用熱蒸發的方式在緩沖層上制備一層Al電極，作為陰極，完成太陽電池制備。
[0021]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0022]本發明將Au、Ag等金屬納米顆粒作為單獨的一層引入空穴傳輸層中間，形成一種三明治結構。這種結構既能有效發揮金屬表面等離激元近場增強的效果，又能避免電荷復合中心的形成。能夠有效提尚有機太陽電池光電流，從而提尚太陽電池光電轉換效率。
【附圖說明】
[0023]為使本發明的目的、技術方案更加清晰明白，以下結合【具體實施方式】，并參照附圖，對本發明作進一步詳細說明，其中:
[0024]圖1為本發明的有機太陽電池結構示意圖；
[0025]圖2為光源為100mW/cm2的AMl.5模擬太陽光下，本發明器件及參比器件的電流密度-電壓曲線。
[0026]圖3為本發明的制備流程圖。
【具體實施方式】
[0027]請參閱圖1所示，本發明提供一種基于表面等離激元效應的有機太陽電池結構，包括:
[0028]—陽極透明導電襯底10，所述的陽極透明導電襯底10的材料為ITO或FTO透明導電玻璃；
[0029]一三明治結構的空穴傳輸層20，其制作在陽極透明導電襯底10上，該空穴傳輸層20的中間為一層金屬納米顆粒21，形成三明治結構，所述的空穴傳輸層20的材料為PEDOT:PSS，金屬納米顆粒21的材料為Au或Ag，該空穴傳輸層20的厚度為30_50nm，制作在其內的金屬納米顆粒21的厚度為5-50nm，在此結構中，金屬納米顆粒上下都為空穴傳輸材料PEDOT:PSS，并且上層PEDOT:PSS的厚度小于下層PEDOT:PSS，上層厚度為5_20nm，上層PEDOT:PSS可以將金屬納米顆粒完全淹沒形成平整的表面，也可以只在金屬納米顆粒表面包覆一層，形成隨著納米顆粒形狀起伏的表面，具體情況與金屬納米顆粒的尺寸和上層PEDOT:PSS厚度控制有關；
[0030]在此結構中，金屬納米顆粒表面被空穴傳輸材料PEDOT:PSS覆蓋，使得金屬納米顆粒與有源層不直接接觸，避免了形成電荷復合中心，另一方面，上層PEDOT:PSS厚度小，能夠充分發揮金屬表面等離激元近場增強的效果；
[0031]一有源層30，其制作在空穴傳輸層20上，所述的有源層30的材料為有機聚合物與富勒烯衍生物的混合物，厚度為70-200nm，所述的有機聚合物的材料為P3HT、PTB7、PBDTTT-C,PBDTTT-CT或PBDTTT-CF，富勒烯衍生物的材料為PC61BM或PC71BM,有機聚合物與富勒烯衍生物的質量比為1:1或1: 0.8或1: 1.5;
[0032]一緩沖層40，其制作在有源層30上，所述的緩沖層40的材料為LiF或Ca，厚度為0.8_30nm ；
[0033]一陰極50，其制作在緩沖層40上，所述的陰極50的材料為Al，厚度為80_120nm。
[0034]請參閱圖3，并結合參閱圖1，本發明還提供一種基于表面等離激元效應的有機太陽電池的制備方法，包括以下步驟:
[0035]步驟1:在陽極透明導電襯底10上旋涂第一層PEDOT:PSS溶液，所述的第一層PEDOT:PSS溶液的旋涂速率為2000-5000rpm ；
[0036]步驟2:在第一層PEDOT:PSS溶液上旋涂一層金屬納米顆粒溶液，所述的金屬納米顆粒溶液的旋涂速率為500-3000rpm，分散金屬納米顆粒的溶液為乙醇，通過調節金屬納米顆粒溶液的旋涂速率，可以得到不同分布密度的金屬納米顆粒層；
[0037]步驟3:在金屬納米顆粒溶液上旋涂第二層PEDOT:PSS溶液，所述的第二層PEDOT:PSS溶液的旋涂速率為4000-7000rpm，其中第二層PEDOT:PSS溶液的旋涂速率高于第一層，使得覆蓋金屬納米顆粒的PEDOT:PSS層厚度小于第一層，此層PEDOT:PSS 一方面起到空穴傳輸的作用，另一方面覆蓋在金屬納米顆粒表面使得金屬納米顆粒與有源層不直接接觸，同時有