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CN103972393B - 一种微型天然有机膜光电转换器件 - Google Patents

一种微型天然有机膜光电转换器件 Download PDF

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Abstract

一种天然有机膜光电转换器件，它由下列复合而成：A层：ITO导电玻璃，作为阴极；B层：在A层上覆盖有一层M‑PVA透明膜，M‑PVA透明膜是由含有锌离子Zn2+的M‑PVA导电膜；C层：在B层上覆盖有一层p型共轭聚合物导体（p/M‑PVA）膜，p型共轭聚合物导体膜是由上述的M‑PVA导电胶与红花醌苷制成；D层：在C层上覆盖有一层n型共轭聚合物导体（n/M‑PVA）膜，n型共轭聚合物导体膜是由上述的M‑PVA导电胶加入蒜辣素制成；E层：最后用上述的M‑PVA导电胶（F层）在n型共轭聚合物导体膜上黏贴一层铝箔作为阳极，构成微型天然有机膜光电转换器件。该器件开路电压可达0.6‑0.9v，电流密度可达0.12mA。本发明公开了其制法。

Description

一种微型天然有机膜光电转换器件
技术领域
本发明涉及聚合物多层复合膜光电转换器。
背景技术
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。
太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等
目前市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能，是没有价值的，因为单晶硅是石英砂经还原，融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大，产生的有毒有害物质多，环境污染严重。
1885年Kroto等发现了富勒烯C60具有像足球样的结构，它打开了一个全新的化学分支，因而于1996年获得诺贝尔化学奖。C60因其结构而拥有独特的光、电、超导等特性，尤其是能供给多多的π电子，用在聚合物太阳能电池上表现出特异性能。其后，C60的衍生物用于聚合物太阳能电池的文献介绍也逐年吸引众多科学家的兴趣。然而历经十多年的研究、试验，得知多种化学方法生成C60的原材料来源不易，化学反应产率也低，况且C60又不溶于一般溶剂和水，这就使其被应用于聚合物太阳能电池的n型导体-电子受体的实际应用价值降低了。
国内近十年来关于有机太阳能电池的报道较少，天然有机太阳能电池更少见相关文献介绍。
发明内容
本发明的目的是提供一种原料易得，制作方便的微型天然有机膜光电转换器件。它是以有机共轭聚合物的自组有序规则，使多层有机膜体相异质掺杂，组成拥有有机共轭聚合物p型导体及n型导体的有机膜光电转换器件。
本发明的技术方案如下：
一种天然有机膜光电转换器件，它是由下列多层材料复合而成：
A层：ITO导电玻璃，作为阴极；
B层：在A层的导电玻璃上覆盖有一层20-70nm厚的M-PVA透明膜，M-PVA透明膜是由含有锌离子Zn2+的聚乙烯醇胶水配成的M-PVA导电胶制成的M-PVA导电膜；
C层：在B层M-PVA透明膜上覆盖有一层20-70nm厚的p型共轭聚合物导体（p/M-PVA）膜，p型共轭聚合物导体膜是由上述的M-PVA导电胶与红花醌苷（Carthamidin,分子式为C15H12O6）的乙醇溶液搅拌均匀后涂覆、自然干燥制成的p型共轭聚合物导体透明膜；
D层：在C层p型共轭聚合物导体膜上覆盖有一层20-70nm厚的n型共轭聚合物导体（n/M-PVA）膜，n型共轭聚合物导体膜是由上述的M-PVA导电胶加入蒜辣素(Allicin,分子是为C6H10S2O)的甲醇或乙醇溶液搅拌均匀后涂覆、自然干燥制成的n型共轭聚合物导体透明膜；
E层：最后用上述的M-PVA导电胶（F层）在n型共轭聚合物导体膜上黏贴一层铝箔作为阳极，构成微型天然有机膜光电转换器件。
一种制备上述的微型天然有机膜光电转换器件的方法，它包括下列步骤：
步骤1. 准备ITO导电玻璃：选择透光率大于等于85%的ITO导电玻璃；
步骤2. 制备M-PVA导电胶：取聚乙烯醇胶水加ZnCl2配制成浓度为0.1-0.3mol/L的ZnCl2溶液，再将ZnCl2溶液与聚乙烯醇胶水按1:1质量比配制成M-PVA导电胶，将该M-PVA导电胶均匀地涂覆在步骤1的ITO导电玻璃的导电面，自然干燥，形成厚20-70nm的透明M-PVA导电膜；
步骤3. 制备p型共轭聚合物导体（p/M-PVA）膜：将浓度为0.1-0.3mol/L的红花醌苷甲醇或乙醇溶液与步骤2的制得的M-PVA导电胶以质量比1:2的比例搅拌、调匀，均匀地涂覆在步骤2制得的M-PVA透明膜上，自然干燥，形成厚20-70nm的p型共轭聚合物导体透明膜；
步骤4. 制备n型共轭聚合物导体（n/M-PVA）膜：将浓度为0.1-0.3mol/L的蒜辣素甲醇或乙醇溶液，加入等质量的步骤2的制得的M-PVA导电胶搅拌调匀制得ns/M-PVA胶，再将ns/M-PVA胶加入2倍质量的步骤2制得的M-PVA导电胶，搅拌调匀，均匀地涂覆在步骤3制得的p型共轭聚合物导体膜上，自然干燥，形成厚20-70nm的n型共轭聚合物导体膜；
步骤5. 阳极的制备：在n型共轭聚合物导体膜表面用厚20-70nm的M-PVA导电胶黏贴一层铝箔，作为阳极，制得微型天然有机膜光电转换器件。
本发明的微型天然有机膜光电转换器件的p型共轭聚合物导电膜在200-2000nm波段均有较强吸收，其膜结构增大了給体-受体界面，当光照射在共轭聚合物导电膜时，电子与空穴间的传递是以互穿网络结构式传输，大大地提高了能量转换效率，器件的开路电压可达0.6-0.9v，电流密度可达0.12mA/cm2。
附图说明
图1为本发明的天然有机太阳能电池的结构示意图，其中：A层为ITO导电玻璃，作为阴极；B层为透明M-PVA导电膜；C层为p型共轭聚合物导体透明膜；D层为n型共轭聚合物导体透明膜；E层为铝箔，作为阳极；F层为M-PVA导电膜。
图2为p型共轭聚合物导体透明膜的紫外可见吸收光谱图。
具体实施方式
红花醌苷的制备：将100克中草药红花先用50ml-60ml甲醇或乙醇浸泡提取，除去黄色素，重复提取五次，将黄色素除尽，残留物用含有浓度为0.05-0.1mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾的甲醇或乙醇溶液浸泡提取三次，合并提取液，备用。该红花醌苷溶液的浓度为0.1-0.3mol/L（参见：宋小妹等编著《中药化学成分提取、分离与制备》）。
蒜辣素的制备：将100克蒜头捣碎，用50ml-60ml甲醇或乙醇浸泡提取三次，合并黄色提取液，备用。该蒜辣素溶液的浓度为0.1-0.3mol/L（参见：Nature 1946.vol 157,p441）。
实施例1.
1.取透光率大于、等于85%的ITO导电玻璃一片，面积为20х20mm；
2. 取聚乙烯醇胶水（市售PVA胶水，宁波松鹤文具有限公司提供，下同）加ZnCl2配制成浓度为0.1mol/L的ZnCl2溶液，再将ZnCl2溶液与聚乙烯醇胶水按1:1质量比配制成M-PVA导电胶，将该M-PVA导电胶均匀地涂覆在步骤1的ITO导电玻璃的导电面，面积为10х20mm，自然干燥，形成厚20nm的透明M-PVA导电膜；
3.将步骤2的制得的M-PVA导电胶与上述红花醌苷溶液以质量比2:1的比例搅拌、调匀，均匀地涂覆在步骤2制得的M-PVA透明膜上，自然干燥，形成厚20nm、面积为10х20mm的p型共轭聚合物导体透明膜；另取p型共轭聚合物导体透明膜进行紫外可见吸收光谱检测，其图谱见图2，说明p型共轭聚合物导体透明膜在波长200-2000nm范围都有较强吸收；
4. 将上述蒜辣素溶液加入等质量的步骤2的制得的M-PVA导电胶搅拌调匀制得ns/M-PVA胶，再将ns/M-PVA胶加入2倍质量的步骤2制得的M-PVA导电胶，搅拌调匀，均匀地涂覆在步骤3制得的p型共轭聚合物导体膜上，自然干燥，形成厚20nm、面积为10х20mm的n型共轭聚合物导体膜；
步骤5.在n型共轭聚合物导体膜表面用厚20nm的M-PVA导电胶黏贴一层铝箔，作为阳极，制得微型天然有机膜光电转换器件，如图1所示。该微型天然有机膜光电转换器件的开路电压为0.15-0.4v，电流密度为6.7х10-2mA/cm2。
实施例2.
1.取透光率大于、等于85%的ITO导电玻璃一片，面积为20х20mm；
2. 取聚乙烯醇胶水加ZnCl2配制成浓度为0.2mol/L的ZnCl2溶液，再将ZnCl2溶液与聚乙烯醇胶水按1:1质量比配制成M-PVA导电胶，将该M-PVA导电胶均匀地涂覆在步骤1的ITO导电玻璃的导电面，面积为10х20mm，自然干燥，形成厚50nm的透明M-PVA导电膜；
3.将步骤2的制得的M-PVA导电胶与上述红花醌苷溶液以质量比2:1的比例搅拌、调匀，均匀地涂覆在步骤2制得的M-PVA透明膜上，自然干燥，形成厚30nm、面积为10х20mm的p型共轭聚合物导体透明膜；
4. 将上述蒜辣素溶液加入等质量的步骤2的制得的M-PVA导电胶搅拌调匀制得ns/M-PVA胶，再将ns/M-PVA胶加入2倍质量的步骤2制得的M-PVA导电胶，搅拌调匀，均匀地涂覆在步骤3制得的p型共轭聚合物导体膜上，自然干燥，形成厚30nm、面积为10х20mm的n型共轭聚合物导体膜；
步骤5.在n型共轭聚合物导体膜表面用厚30nm的M-PVA导电胶黏贴一层铝箔，作为阳极，制得微型天然有机膜光电转换器件，如图1所示。该微型天然有机膜光电转换器件的开路电压为0.3-0.5v，电流密度为2.4х10-2mA/cm2。
实施例3.
1. 取透光率大于、等于85%的ITO导电玻璃一片，面积为20х20mm；
2. 取聚乙烯醇胶水加ZnCl2配制成浓度为0.3mol/L的ZnCl2溶液，再将ZnCl2溶液与聚乙烯醇胶水按1:1质量比配制成M-PVA导电胶，将该M-PVA导电胶均匀地涂覆在步骤1的ITO导电玻璃的导电面，面积为10х20mm，自然干燥，形成厚70nm的透明M-PVA导电膜；
3. 将步骤2的制得的M-PVA导电胶与上述红花醌苷溶液以质量比2:1的比例搅拌、调匀，均匀地涂覆在步骤2制得的M-PVA透明膜上，自然干燥，形成厚70nm、面积为10х20mm的p型共轭聚合物导体透明膜；
4. 将上述蒜辣素溶液加入等质量的步骤2的制得的M-PVA导电胶搅拌调匀制得ns/M-PVA胶，再将ns/M-PVA胶加入2倍质量的步骤2制得的M-PVA导电胶，搅拌调匀，均匀地涂覆在步骤3制得的p型共轭聚合物导体膜上，自然干燥，形成厚70nm、面积为10х20mm的n型共轭聚合物导体膜；
步骤5.在n型共轭聚合物导体膜表面用厚70nm的M-PVA导电胶黏贴一层铝箔，作为阳极，制得微型天然有机膜光电转换器件，如图1所示。该微型天然有机膜光电转换器件的开路电压为0.5-0.8v，电流密度为5.4х10-2mA/cm2。
实施例4.
1. 取透光率大于、等于85%的ITO导电玻璃一片，面积为20х20mm；
2. 取聚乙烯醇胶水加ZnCl2配制成浓度为0.2mol/L的ZnCl2溶液，再将ZnCl2溶液与聚乙烯醇胶水按1:1质量比配制成M-PVA导电胶，将该M-PVA导电胶均匀地涂覆在步骤1的ITO导电玻璃的导电面，面积为10х20mm，自然干燥，形成厚30nm的透明M-PVA导电膜；
3. 将步骤2的制得的M-PVA导电胶与上述红花醌苷溶液以质量比2:1的比例搅拌、调匀，均匀地涂覆在步骤2制得的M-PVA透明膜上，自然干燥，形成厚50nm、面积为10х20mm的p型共轭聚合物导体透明膜；
4. 将上述蒜辣素溶液加入等质量的步骤2的制得的M-PVA导电胶搅拌调匀制得ns/M-PVA胶，再将ns/M-PVA胶加入2倍质量的步骤2制得的M-PVA导电胶，搅拌调匀，均匀地涂覆在步骤3制得的p型共轭聚合物导体膜上，自然干燥，形成厚50nm、面积为10х20mm的n型共轭聚合物导体膜；
步骤5.在n型共轭聚合物导体膜表面用厚70nm的M-PVA导电胶黏贴一层铝箔，作为阳极，制得微型天然有机膜光电转换器件，如图1所示。该微型天然有机膜光电转换器件的开路电压为0.6-0.9v，电流密度为1.2х10-1mA/cm2。

Claims (2)

1.一种天然有机膜光电转换器件，其特征是它是由下列多层材料复合而成：
A层：ITO导电玻璃，作为阴极；
B层：在A层的导电玻璃上覆盖有一层20-70nm厚的M-PVA透明膜，M-PVA透明膜是由含有锌离子Zn2+的聚乙烯醇胶水配成的M-PVA导电胶制成的M-PVA导电膜；
C层：在B层M-PVA透明膜上覆盖有一层20-70nm厚的p型共轭聚合物导体(p/M-PVA)膜，p型共轭聚合物导体膜是由上述的M-PVA导电胶与红花醌苷的甲醇或乙醇溶液搅拌均匀后涂覆、自然干燥制成的p型共轭聚合物导体透明膜；
D层：在C层p型共轭聚合物导体膜上覆盖有一层20-70nm厚的n型共轭聚合物导体(n/M-PVA)膜，n型共轭聚合物导体膜是由上述的M-PVA导电胶加入蒜辣素的甲醇或乙醇溶液搅拌均匀后涂覆、自然干燥制成的n型共轭聚合物导体透明膜；
E层：最后用上述的M-PVA导电胶(F层)在n型共轭聚合物导体膜上黏贴一层铝箔作为阳极，构成微型天然有机膜光电转换器件。
2.一种制备权利要求1所述的天然有机膜光电转换器件的方法，其特征是它包括下列步骤：
步骤1.准备ITO导电玻璃：选择透光率大于等于85％的ITO导电玻璃；
步骤2.制备M-PVA导电胶：取聚乙烯醇胶水加ZnCl2配制成浓度为0.1-0.3mol/L的ZnCl2溶液，再将ZnCl2溶液与聚乙烯醇胶水按1:1质量比配制成M-PVA导电胶，将该M-PVA导电胶均匀地涂覆在步骤1的ITO导电玻璃的导电面，自然干燥，形成厚20-70nm的透明M-PVA导电膜；
步骤3.制备p型共轭聚合物导体(p/M-PVA)膜：将红花醌苷加甲醇或乙醇配制成浓度为0.1-0.3mol/L的红花醌苷溶液，然后将步骤2的制得的M-PVA导电胶与红花醌苷溶液以质量比2:1的比例搅拌、调匀，均匀地涂覆在步骤2制得的M-PVA透明膜上，自然干燥，形成厚20-70nm的p型共轭聚合物导体透明膜；
步骤4.制备n型共轭聚合物导体(n/M-PVA)膜：将蒜辣素加甲醇或乙醇配制成浓度为0.1-0.3mol/L的蒜辣素溶液，然后加入等质量的步骤2的制得的M-PVA导电胶搅拌调匀制得ns/M-PVA胶，再将ns/M-PVA胶加入2倍质量的步骤2制得的M-PVA导电胶，搅拌调匀，均匀地涂覆在步骤3制得的p型共轭聚合物导体膜上，自然干燥，形成厚20-70nm的n型共轭聚合物导体膜；
步骤5.阳极的制备：在n型共轭聚合物导体膜表面用厚20-70nm的M-PVA导电胶黏贴一层铝箔，作为阳极，制得微型天然有机膜光电转换器件。
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