一種可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池及其制備方法和
應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)
[0002] 隨著
煤炭、石油和
天然氣等非可再生資源日益枯竭，新
能源特別是太陽(yáng)能電池成為國(guó)內(nèi)外研究關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。在太陽(yáng)能電池家族中，有機(jī)太陽(yáng)能電池(Organic?solar?cells，OSCs)由于具備柔性、
質(zhì)量輕、易制備以及潛在的價(jià)格低廉優(yōu)勢(shì)而受到廣泛的關(guān)注，并且其最高效率已經(jīng)超過(guò)11％。OSCs的另一特點(diǎn)是其吸收
光譜不連續(xù)，易制成在可見(jiàn)光波段半透明的電池器件?；谶@一性質(zhì)，OSCs可被集成到玻璃上制備既具有
光伏發(fā)電功能又在特定可見(jiàn)光波段透明的光伏玻璃(Photovoltaic?glass，PV-Glass)。這種玻璃在光伏半透明彩色
窗戶(hù)、光伏建筑一體化和光伏
汽車(chē)玻璃等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，半透明OSCs也因此成為光伏領(lǐng)域中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。
[0003] 制備半透明OSCs的基本方法是將有機(jī)
半導(dǎo)體活性層置于兩透明
電極之中。自2006年R.F.Bailey-Salzman等人首次報(bào)導(dǎo)了半透明OSCs以來(lái)，科研工作者投入了巨大的精
力來(lái)優(yōu)化半透明OSCs的光電轉(zhuǎn)換效率、透明度以及
色度學(xué)性能(如：透視
顏色、
顯色指數(shù)等)。這類(lèi)研究主要集中在三個(gè)方面：第一，研制并優(yōu)化新型透明頂電極，如金屬導(dǎo)電
氧化物、半透明金屬
薄膜、導(dǎo)電
聚合物、納米
銀薄膜、
石墨烯、
碳納米管薄膜等；第二，采用高效有機(jī)活性層提高器件性能等；第三，優(yōu)化半透明太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用這些方法，半透明OSCs的效率得到了很大的提高。
[0004] 在目前研制的半透明OSCs中，電池器件的透視顏色主要決定于活性層的吸收光譜和器件的結(jié)構(gòu)。電池器件一旦制成后，就不能再調(diào)節(jié)其透視顏色，即不能在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)器件的透視顏色進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。
發(fā)明內(nèi)容
[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服
現(xiàn)有技術(shù)的
缺陷，提供一種可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備方法。該方法在半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的最外層使用氣致變色氧化物材料，然后在氣致變色氧化物材料表面薄膜的表面蒸度1-2nm厚的Pt作催化劑，利用H2改變氧化物薄膜的光學(xué)屬性，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)半透明OSCs透視顏色和透明度的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0006] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述方法制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池。該有機(jī)太陽(yáng)能電池包括基底，第一電極，第一傳輸層，光活性層，第二傳輸層和第二電極，所述第二電極上設(shè)有氣致變色層，所述氣致變色層包括半導(dǎo)體氧化物層和催化劑層。能夠吸收一部分入射光，將其轉(zhuǎn)換為
電能；同時(shí)部分入射光能夠透過(guò)電池器件，保持器件的透明度；器件一旦制成后，可以利用氫氣對(duì)半透明OSCs透明度的實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0007] 本發(fā)明的再一目的在于提供上述可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。
[0008] 本發(fā)明上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池的備方法，包括如下具體步驟：
[0010] S1.用溶液清洗基底，將電極材料濺射轉(zhuǎn)移到基體上，制得第一電極層；
[0011] S2.將有機(jī)材料
旋涂或熱
蒸發(fā)在第一電極層上，制得第一傳輸層；
[0012] S3.將有機(jī)物與
富勒烯的衍
生物的混合物旋涂在第一傳輸層上制得光活性層，然后將氧化物旋涂在光活性層上制得第二傳輸層，再將金屬蒸
鍍在第二傳輸層上制得第二電極；
[0013] S4.將半導(dǎo)體氧化物蒸鍍?cè)诘诙姌O上，再將催化劑濺射到半導(dǎo)體氧化物層上制得催化劑層，即制得可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
[0014] 優(yōu)選地，步驟S1中所述溶液為去離子
水、酒精或丙
酮，所述基底為玻璃或PET，所述電極材料為ITO或
石墨烯。
[0015] 優(yōu)選地，步驟S2中所述有機(jī)材料為聚[9,9-二(3'-(N,N-二甲胺基)丙基)-2,7-芴]-交-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)或聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)。
[0016] 優(yōu)選地，步驟S3中所述氧化物為MoO3或TiO2，所述金屬為Ag或Au。
[0017] 優(yōu)選地，步驟S3中所述有機(jī)物為PTB7、[6,6]-苯基C71丁酸甲酯與[6,6]-苯基C71丁酸甲酯的混合物，或者聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-二基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5-噻吩二基](PCDTBT)與PC71BM的混合物；所述富勒烯的衍生物為PC71BM。
[0018] 優(yōu)選地，所述PTB7和PC71BM的質(zhì)量比為1：1.5～1.6，所述PCDTBT與PC71BM的質(zhì)量比為1：3.5～4.5。
[0019] 優(yōu)選地，步驟S4中所述半導(dǎo)體氧化物為WO3或MoO3，所述催化劑為Pt或Pd，所述催化劑層的厚度為1～2nm。
[0020] 一種可動(dòng)態(tài)調(diào)控半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池是通過(guò)上述的方法制備得到。
[0021] 所述可動(dòng)態(tài)調(diào)控半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池包括基底，第一電極，第一傳輸層，光活性層，第二傳輸層和第二電極，所述第二電極上設(shè)有氣致變色層，所述氣致變色層包括半導(dǎo)體氧化物層和催化劑層。
[0022] 上述可動(dòng)態(tài)調(diào)控半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池在智能光伏玻璃和光伏建筑一體化領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0023] 本發(fā)明在有機(jī)太陽(yáng)能電池的最外層WO3薄膜的表面蒸度1-2nm的Pt，此時(shí)電池器件的結(jié)構(gòu)為基底/第一電極/第一載流子傳輸層/光活性層/第二載流子傳輸層/第二電極/WO3/Pt(1-2nm)。當(dāng)器件制成后，在WO3薄膜表面通氫氣(H2)，
吸附在Pt納米顆粒表面的H2分子被離化為H
原子，H原子通過(guò)溢出機(jī)制轉(zhuǎn)移到WO3薄膜表面，氫離子和
電子雙注入到WO3薄膜內(nèi)，然后氫離子與晶格中的O形成結(jié)構(gòu)水分子，該結(jié)構(gòu)水分子在熱擾動(dòng)或者光照的情況下，容易脫落其原先
位置，導(dǎo)致氧空位的出現(xiàn)。同時(shí)，注入的電子填充到由氧空位的出現(xiàn)引起的導(dǎo)帶底局域態(tài)中，從而引起W價(jià)態(tài)的改變，WO3薄膜的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變并對(duì)紅光的吸收很大，由于光學(xué)干涉以及光學(xué)吸收等光學(xué)規(guī)律，導(dǎo)致器件的透過(guò)率光譜發(fā)生變化，進(jìn)而改變器件的顏色和透明度；當(dāng)著色后的器件暴露在空氣或者氧氣環(huán)境時(shí)，吸附在表面的O2分子在Pt納米顆粒表面發(fā)生離化并轉(zhuǎn)移到WO3表面，同時(shí)WO3薄膜中結(jié)構(gòu)H2O分子分解成H+和O離子，其中H+與WO3表面吸附的O離子結(jié)合形成H2O分子，
解吸附到空氣中；另一方面，O離子填補(bǔ)了氧空位，使材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)恢復(fù)到著色前的WO3結(jié)構(gòu)，WO3薄膜完成褪色過(guò)程，此時(shí)WO3薄膜對(duì)入射光的吸收較小，半透明太陽(yáng)能電池的透過(guò)率將升高。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0025] 1.本發(fā)明在半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的最外層使用氣致變色氧化物材料，然后在氣致變色氧化物材料表面薄膜的表面蒸度1-2nm厚的Pt或者Pd作催化劑，利用H2改變氧化物薄膜的光學(xué)屬性，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的透視顏色的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0026] 2.本發(fā)明解決了有機(jī)太陽(yáng)能電池一旦制成后，就不能再調(diào)節(jié)其透視顏色和透明度的問(wèn)題，在應(yīng)用過(guò)程中可對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的透明度和透視顏色實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。
附圖說(shuō)明
[0027] 圖1為本發(fā)明制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖2為
實(shí)施例1中制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池在通H2前后的透過(guò)率的曲線(xiàn)分布。
[0029] 圖3為實(shí)施例2中制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池在通H2前后的透過(guò)率的曲線(xiàn)分布。
具體實(shí)施方式
[0030] 下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明采用的
試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。
[0031] 圖1為本發(fā)明的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，有機(jī)太陽(yáng)能電池包括基底1，第一電極2，第一傳輸層3，光活性層4，第二傳輸層5和第二電極6。第二電極6上設(shè)有氣致變色層7，氣致變色層7包括半導(dǎo)體氧化物層71和催化劑層72，半導(dǎo)體氧化物層71介于所述第二電極6和所述催化劑層72之間。
[0032] 實(shí)施例1
[0033] 1.制備：
[0034] (1)以玻璃為基底，采用去離子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，然后用氧
等離子體處理，制作第一電極ITO；
[0035] (2)將濃度為2mg/mL的PFN界面材料的乙
酸溶液旋涂到ITO電極上，制作PFN第一傳輸層；
[0036] (3)采用旋涂法將PTB7和PC71BM(或PTB7：PC71BM)混合溶液旋涂到PFN上，制成光活性層，通過(guò)調(diào)節(jié)旋涂的轉(zhuǎn)速控制光活性層的厚度，進(jìn)而控制有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和透明度。
[0037] (4)利用
真空熱法在光活性層表面上蒸鍍第二傳輸層MoO3，其厚度為10nm，然后在MoO3的表面上蒸鍍15nm厚度的Ag，制成第二電極Ag；
[0038] (5)在第二電極Ag的表面上制備WO3，WO3的厚度控制在10～400nm，厚度不同，電池器件的透過(guò)率光譜和效率不同。
[0039] (6)在WO3的表面制備鉑金催化劑層，WO3和鉑金催化劑層組成氣致變色層，鉑金催化劑層的厚度為1～2nm，制得可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
[0040] 2.性能測(cè)試：
[0041] 當(dāng)有機(jī)太陽(yáng)能電池制成后，在WO3薄膜表面通氫氣(H2)，控制氫氣的流量，有機(jī)太陽(yáng)能電池的透過(guò)率光譜就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，同時(shí)電池器件的效率有所變化。這是由于H2被Pt離解后與WO3薄膜發(fā)生相互作用，導(dǎo)致外層WO3薄膜內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)水和氧空位而改變其光學(xué)特性，進(jìn)而改器件的透明度和透視顏色。
[0042] 本實(shí)施例制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池包括玻璃基底，第一電極為ITO，第一傳輸層為PFN，光活性層為PTB7：P71CBM，第二傳輸層為MoO3，第二電極為Ag。所述第二電極Ag上設(shè)有氣致變色層，該氣致變色層包括半導(dǎo)體氧化物WO3層和催化劑Pt層。在本實(shí)施方式中，該太陽(yáng)能電池為倒置式太陽(yáng)能電池，此時(shí)第一傳輸層為PFN，而第二傳輸層則為MoO3。該太陽(yáng)能電池也可以為正置式太陽(yáng)能電池，此時(shí)第一傳輸層為MoO3，而第二傳輸層則為PFN。
[0043] 圖2為本實(shí)施例制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池在通H2前后的透過(guò)率的曲線(xiàn)分布。從圖2中可知，對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池通H2前后，透過(guò)率光譜明顯降低，有機(jī)太陽(yáng)能電池的平均透明度從34％降低到19％，同時(shí)有機(jī)太陽(yáng)能電池的色坐標(biāo)從(0.23，0.17)變成(0.18，0.07)，這表明利用H2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的透明度和透視顏色的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0044] 表1為光活性層厚度為100nm時(shí)，不同WO3厚度的器件，在通H2前和通H2后的主要參數(shù)。從表1中可知，通過(guò)在有機(jī)太陽(yáng)能電池的第二電極上設(shè)有氣致變色層，氣致變色層包括半導(dǎo)體氧化物層和催化劑層，在半導(dǎo)體氧化物WO3層的表面蒸度1～2nm厚的Pt催化劑層，通氫氣前后器件的色坐標(biāo)和平均透過(guò)率發(fā)生較大變化，這表明利用氫氣對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的透視顏色和透明度實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0045] 表1?實(shí)施例1中有機(jī)太陽(yáng)能電池在通氫氣前后的性能
[0046]
[0047] 實(shí)施例2
[0048] 1.制備：
[0049] (1)以聚對(duì)苯二
甲酸乙二醇酯(PET)為基底，采用去離子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，將第一電極石墨烯轉(zhuǎn)移到PET上；
[0050] (2)將PEDOT：PSS旋涂到石墨烯電極上，制作第一傳輸層，厚度為30nm～50nm；
[0051] (3)采用旋涂法將PCDTBT：PC71BM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS上，制成光活性層，通過(guò)調(diào)節(jié)旋涂的轉(zhuǎn)速控制光活性層的厚度，進(jìn)而控制電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率和透明度。
[0052] (4)利用溶膠凝膠法制備TiO2，將TiO2旋涂在光活性層表面，然后在TiO2的表面上蒸鍍15nm厚度的Au，制成第二電極Au；
[0053] (5)在第二電極Ag的表面上制備MoO3，MoO3的厚度控制在10～300nm，厚度不同，電池器件的透過(guò)率光譜和效率不同。
[0054] (6)在MoO3的表面制備Pd催化劑層，MoO3和Pd催化劑層組成氣致變色層，Pd催化劑層的厚度為1～2nm，制得可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
[0055] 2.性能測(cè)試：
[0056] 當(dāng)有機(jī)太陽(yáng)能電池制成后，在MoO3薄膜表面通氫氣(H2)，控制氫氣的流量，有機(jī)太陽(yáng)能電池的透過(guò)率光譜就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，同時(shí)電池器件的效率有所變化。這是由于H2被Pt離解后與MoO3薄膜發(fā)生相互作用，導(dǎo)致外層MoO3薄膜內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)水和氧空位而改變其光學(xué)特性，進(jìn)而改變器件的透明度和透視顏色。
[0057] 本實(shí)施例制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池包括基底PET，第一電極為石墨烯，第一傳輸層為PEDOT：PSS，光活性層為PCDTBT:PC71BM，第二傳輸層為T(mén)iO2，第二電極為Au。所述第二電極Au上設(shè)有氣致變色層7，包括半導(dǎo)體氧化物MoO3層和催化劑Pd層，在本實(shí)施方式中，該太陽(yáng)能電池為正置式太陽(yáng)能電池，此時(shí)第一傳輸層為PEDOT：PSS，而第二傳輸層則為T(mén)iO2。該太陽(yáng)能電池也可以為正置式太陽(yáng)能電池，此時(shí)第一傳輸層為T(mén)iO2，而第二傳輸層則為PEDOT：PSS。
[0058] 圖3為本實(shí)施中制備的可動(dòng)態(tài)調(diào)控透明度的有機(jī)太陽(yáng)能電池在通H2前后的透過(guò)率的曲線(xiàn)分布。從圖3中可知，對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池通H2前后，透過(guò)率光譜明顯降低，有機(jī)太陽(yáng)能電池的平均透明度從37％降低到17％，同時(shí)有機(jī)太陽(yáng)能電池的色坐標(biāo)從(0.51，0.33)變成(0.49，0.36)，這表明利用H2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池透明度和透視顏色的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0059] 表2為光活性層厚度為100nm時(shí)，MoO3厚度分別為100nm、200nm和300nm的器件在通H2前和通H2后的性能。從表1中可知通過(guò)在有機(jī)太陽(yáng)能電池的第二電極上設(shè)有氣致變色層，氣致變色層包括半導(dǎo)體氧化物層和催化劑層，在半導(dǎo)體氧化物MoO3層的表面蒸度1～2nm厚的Pd催化劑層，通氫氣前后有機(jī)太陽(yáng)能電池的色坐標(biāo)和平均透過(guò)率發(fā)生較大變化，這表明利用氫氣對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的透視顏色和透明度實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0060] 表2?實(shí)施例2中有機(jī)太陽(yáng)能電池在通氫氣前后的性能
[0061]
[0062]
[0063] 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合和簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
