一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池

摘要

一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机‑无机复合太阳电池，以具有n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜为基础，在其上旋涂有机给体/有机受体活性层，有机给体/有机受体形成体相异质结的同时有机给体/无机受体形成平面异质结。在此体相异质结和平面异质结共存的复合结构中，载流子可实现并联方式的双通道输运，进而在改善电池输运性能的同时增强和拓展电池对太阳光谱的吸收。其中，n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜采用平板电容耦合等离子增强化学气相沉积（PECVD）系统在室温下制备而成。本发明的优点在于：载流子并联的双通道输运方式与锗材料窄带隙、高吸收系数、高载流子迁移率的特性相结合，实现有机电池载流子输运能力和太阳光谱吸收的共同提升。

权利要求

1.一种具有n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜材料的应用，其特征在于：所述纳米锗薄膜由颗粒堆积而成，颗粒尺寸为5-25nm，将所述纳米锗薄膜用于双通道并联型有机-无机复合太阳电池，所述太阳电池采用有机给体/有机受体体相异质结和有机给体/无机受体平面异质结共存的复合结构，所述复合结构实现并联方式的双通道载流子输运，所述有机给体/有机受体体相异质结由PTB7-Th和PC70BM组成，所述有机给体/无机受体平面异质结由PTB7-Th和多孔纳米锗薄膜组成，多孔纳米锗薄膜作为有机给体/有机受体体相异质结结构的电子传输层，同时作为有机给体/无机受体平面异质结结构的无机受体材料，有机给体/有机受体体相异质结和有机给体/无机受体平面异质结在一次旋涂工艺中同时形成，具体方法如下：将质量比为1:1.5的PTB7-Th:PC70BM共混溶液均匀滴涂于多孔纳米锗薄膜上，静置35s后，在800转/分钟和1500转/分钟分别旋转10s和60s。

2.如权利要求1所述的具有n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜材料的应用，其特征在于：所述太阳电池的制备为：在玻璃衬底上依次形成第一氧化铟锡透明导电层、氧化锌电子传输层、多孔纳米锗薄膜层、PTB7-Th与PC70BM共混的有机层、氧化钼空穴传输层、第二氧化铟锡透明导电层，所述第一氧化铟锡透明导电层和第二氧化铟锡透明导电层的厚度均为

100nm，所述氧化锌电子传输层的厚度为30nm，所述多孔纳米锗薄膜层厚度为45nm，所述PTB7-Th与PC70BM共混的有机层的厚度为100nm，所述氧化钼空穴传输层的厚度为5nm，所述太阳电池在工作时太阳光由第二氧化铟锡透明导电层一侧入射。

说明书

一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机

复合太阳电池

技术领域

[0001] 本发明涉及有机-无机杂化太阳电池，特别是一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池。技术背景

[0002] 有机太阳电池被称为第三代太阳电池，因其自身具备的诸多优势而受到了人们的广泛关注。有机太阳电池不仅原材料丰富、生产工艺简单、成本低廉，而且与柔性衬底相兼容，可以利用卷对卷技术进行大面积的生产，因而具有很好的发展和应用前景。然而，与无机电池相比，有机太阳电池目前的转换效率相对较低，而制约其转换效率的因素主要有以下两点：1）聚合物材料吸收光谱与太阳光谱不匹配，导致有机电池对太阳光的利用率较低，器件的短路电流不高；2）聚合物材料的载流子迁移率较低（10-5cm2/V•s），激子扩散长度~较短（10nm），光生电荷很容易复合。此外，有机电池也存在光谱吸收和载流子收集相互制~
约的问题。一般而言，光谱吸收随着吸收层厚度的增加而增强，要确保电池足够的光吸收就要尽量增加吸收层的厚度。但在有机电池中，激子的扩散长度在很大程度上限制了活性层的厚度，目前报道的有机太阳电池活性层厚度普遍为100nm，当厚度进一步增加时将大大增加电子和空穴的复合几率，引起电池各项性能参数的恶化。

[0003] 有机-无机杂化太阳电池的提出为上述问题的解决提供了一个很好的思路。将无机纳米材料作为电子受体材料引入有机电池当中，无机材料与有机材料形成互补光吸收的同时，无机材料高载流子迁移率的特性也弥补了有机聚合物低载流子迁移的不足。然而，有机-无机杂化太阳电池目前的器件性能还有待提升，转化效率和稳定性都不理想。

发明内容

[0004] 本发明的目的：针对上述存在的问题，发明一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池。

[0005] 本发明的技术方案：以有机太阳电池给体/受体互穿的体相异质结结构为基础，引入一种具有n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜，形成有机给体/无机受体平面异质结结构。在体相异质结和平面异质结共存的复合结构中，实现并联方式的双通道载流子高效输运。一方面，多孔结构和纳米尺寸的结合极大程度的提升了锗薄膜的比表面积，确保了薄膜与有机材料的充分接触进而形成良好的有机/无机平面异质结。另一方面，与非晶材料相比，初晶态材料具有更高的短程有序度，同时又很好的避免了高晶化率所带来晶界缺陷，因而具有很好的电学性能。所以，n型的初晶态多孔纳米锗薄膜即可在有机给体/有机受体体相异质结结构中作为电子传输层，又可在有机给体/无机受体平面异质结结构中作为无机受体材料，从而构建体相异质结和平面异质结共存的双通道复合结构。同时，窄带隙、高吸收系数、高载流子迁移率的锗材料将有效增强和拓展电池的光谱吸收，并改善电池的载流子输运能力，进而提升电池的性能。此电池中，n型的初晶态多孔纳米锗薄膜采用平板电容耦合等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统在室温条件下制备，该薄膜由尺寸大小5-25nm的锗纳米颗粒堆积而成，如图1所示。初晶相是处于非晶相和结晶相两者之间的一种相结构。初晶态的锗纳米颗粒由极小的锗晶粒（ 1nm）和短程有序的锗团簇组成，如图2所示，~
由于这些极小的晶粒和有序团簇的存在，初晶态多孔纳米锗薄膜的选区电子衍射具有明显的同心圆环特征。

[0006] 所述的一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池，其在玻璃衬底上的制备顺序为（如图3所示）：“1”是第一氧化铟锡（ITO）透明导电层、“2”是氧化锌（ZnO）电子传输层、“3”是多孔纳米锗薄膜层、“4”是PTB7-Th与PC70BM共混的有机层、“5”是氧化钼（MoO3）空穴传输层、“6”是第二氧化铟锡（ITO）透明导电层。其中，电子传输层和共混有机层采用旋涂法制备，多孔纳米锗采用平板电容耦合等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备，空穴传输层和氧化铟锡（ITO）透明导电层采用真空热蒸发法制备。所述的太阳电池在工作时太阳光由第二氧化铟锡（ITO）透明导电层一侧入射。

[0007] 所述的一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池，其能带排列以及电子和空穴的具体输运机制如图4所示：在有机给体/有机受体体相异质结结构（PTB7-Th:PC70BM体系）中，光生激子在PTB7-Th与PC70BM界面处分离，电子通过PC70BM/Ge/ZnO/ITO输运至电极处,纳米锗薄膜充当电子传输层作用，空穴则通过PTB7-Th通道输运并隧穿至电极处，从而实现光生电子与空穴的分离与收集（如图4中路径“1”所示）；在有机给体/无机受体的平面异质结结构（PTB7-Th:Ge体系）中,纳米锗颗粒作为电子受体材料，光生激子在PTB7-Th:Ge界面处分离，电子通过Ge/ZnO/ITO输运至电极处，空穴则通过PTB7-Th通道输运并隧穿至电极处，同样实现光生电子与空穴的分离与收集（如图4中路径“2”所示）。体相异质结与平面异质结共存，双通道独立进行载流子输运，实现并联的高效输运，其等效并联电路如图5所示。

[0008] 本发明的有益效果：提出一种体相异质结与平面异质结共存的有机-无机复合太阳电池，有机给体/有机受体互穿的体相异质结和有机给体/无机受体的平面异质结的结合实现有机电池载流子输运和光谱吸收的共同提升，为有机电池的发展提供了新的思路和方向。

附图说明

[0009] 图1是n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜的表面SEM照片。

[0010] 图2是n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜的TEM以及选区电子衍射照片。

[0011] 图3是一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池的结构示意图。

[0012] 图4是一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池的能带排布以及电子和空穴的输运机制示意图。

[0013] 图5是一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池的等效并联电路图。

具体实施方式

[0014] 一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池的制备，具体过程如下：

[0015] 1.玻璃衬底依次经电子清洗液/去离子水/酒精/去离子水超声清洗，氮气吹干，采用热蒸镀法沉积一层厚度100nm的氧化铟锡（ITO）透明导电层。

[0016] 2.对上述沉积有氧化铟锡（ITO）透明导电层的玻璃衬底进行15min臭氧处理，之后旋涂一层厚度为30nm的氧化锌（ZnO）电子传输层，并进行200℃退火一小时处理。

[0017] 3.上述经200℃退火处理的衬底进入平板电容耦合等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统，采用频率为13.56MHz的射频电源，衬底和反应腔室温度维持在室温，通入锗烷（GeH4）和氢气（H2）混合的反应气体，其中锗烷占气体体积流量的百分比为 1%。辉光功率设定为80W，电极间距调整为5cm，待腔室压强稳定在3.0Tor时开始辉光，辉光12min沉积厚度为45nm的n型初晶态多孔纳米锗薄膜。

[0018] 4.上述衬底从平板电容耦合等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统取出，将质量比为1:1.5的PTB7-Th:PC70BM共混溶液均匀滴涂于带n型初晶态多孔纳米锗薄膜的衬底上，静置35秒后， 800转/分钟和2000转/分钟分别旋转10s和60s，放入培养皿中溶剂退火30min。

[0019] 5.采用热蒸镀法依次沉积5nm的氧化钼（MoO3）空穴传输层和100nm的氧化铟锡（ITO）透明导电层以及银栅线电极，至此电池制备完成。