專利名稱：一種有機(jī)太陽(yáng)能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽(yáng)能電池及其制備方法，既屬于薄膜材料與器件領(lǐng)域，也屬于新能源材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光生伏特效應(yīng)為機(jī)理的太陽(yáng)能電池為主流。該類電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)光照射電池時(shí)有一部分光會(huì)被半導(dǎo)體吸收，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電子的能量，在光伏電池內(nèi)部電場(chǎng)作用下自由電子定向流動(dòng)，通過(guò)電極可以將電流引出到外電路。根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為:無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、光化學(xué)太陽(yáng)能電池，其中無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池又包括半導(dǎo)體硅太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池等，有機(jī)太陽(yáng)能電池主要指采用聚合物作為活性層的太陽(yáng)能電池，光化學(xué)太陽(yáng)能電池主要采用一些納米二氧化鈦等。硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。由于硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，所以科學(xué)工作者一直在致力于尋找晶體硅太陽(yáng)能電池的替代品，近年來(lái)多元化合物薄膜、有機(jī)、染料敏化等太陽(yáng)能電池得到了廣泛深入的研究。多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料多為一些無(wú)機(jī)鹽，主要包括砷化鎵II1-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅銦硒薄膜電池等。但由于鎘有劇毒，銦在地球的含量很稀少，因此，此類電池并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代產(chǎn)品。有機(jī)太陽(yáng)能電池，是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽(yáng)能電池。以有機(jī)聚合物代替無(wú)機(jī)材料是太陽(yáng)能電池制造的一個(gè)研究方向。由于有機(jī)材料具有柔性好，制作簡(jiǎn)單，材料來(lái)源廣泛，成本低廉等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者普遍認(rèn)為的有機(jī)聚合物應(yīng)用于太陽(yáng)能電池中較為理想的結(jié)構(gòu)是:
透明導(dǎo)電玻璃/空穴傳輸層/聚3-已基噻吩:C60衍生物/ (P3HT:PCBM) /鋁(Al)其中:透明導(dǎo)電玻璃為FTO或者ITO或長(zhǎng)有CuS透明導(dǎo)電膜的玻璃。FTO是摻氟的氧化錫，ITO是摻錫的氧化銦，作為電池的陽(yáng)極。由P3HT (聚3-已基噻吩)組成的網(wǎng)構(gòu)成電子施主，由PCBM (C60衍生物)組成的網(wǎng)構(gòu)成了電子受體，P3HT和PCBM組成的混合溶液作為光敏層(有機(jī)活性層)，Al是陰極。目前，用Mo03、PEDOT:PSS (聚二氧乙基噻吩:聚對(duì)苯乙烯磺酸)作為空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池都有過(guò)很多報(bào)道。但是PED0T:PSS對(duì)襯底具有腐蝕性，降低了器件的穩(wěn)定性，MoO3制備價(jià)格相對(duì)昂貴，針對(duì)這些問(wèn)題我們提出了基于廉價(jià)穩(wěn)定聞效的硫化銅制備有機(jī)光伏電池的方案。硫化銅作為_(kāi)■維材料具有很聞的載流子遷移率和很好的P型導(dǎo)電特性，既可以做空穴傳輸層，也可以做電極材料。

硫化銅因其較高的比表面積、比較小的納米尺寸、高空穴遷移率以及優(yōu)秀的光學(xué)和光催化特性，近年來(lái)在生物傳感器、光學(xué)器件、能源存儲(chǔ)等等方面得到了廣泛的應(yīng)用。(參考文獻(xiàn):1.Copper sulfide nanorods grown at room temperature for photovoltaicapplication, Materials Letters 90 (2013) 138 - 141;2.A hybrid ink of binarycopper sulfide nanoparticles and indium precursor solution for a dense CuInSe2absorber thin film and its photovoltaic performance,J.Mater.Chem., 2012, 22,17893)。硫化銅研究前景巨大，尤其體現(xiàn)在可以采取硫化銅摻雜的方法制備寬帶隙材料作為更有優(yōu)勢(shì)的空穴傳輸層或者制備窄帶隙材料作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的吸光層來(lái)減少P3HT的使用量。二維納米硫化銅的制備也涌現(xiàn)出了很多低價(jià)方便簡(jiǎn)潔的方法。目前其應(yīng)用主要集中在鋰離子電池的陰極材料、無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的光吸收層、非線性光學(xué)材料等，本專利首次證實(shí)了二維硫化銅薄膜作為空穴傳輸層的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種有機(jī)太陽(yáng)能電池及其制備方法。對(duì)比傳統(tǒng)的空穴傳輸層的太陽(yáng)能電池，本發(fā)明以硫化銅為空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，制備成本低廉、性能穩(wěn)定、易于大面積生產(chǎn)，得到的光伏電池轉(zhuǎn)化效率較高。其相對(duì)與傳統(tǒng)的PED0T:PSS不存在對(duì)襯底的腐蝕問(wèn)題，同時(shí)其效率達(dá)到以MoO3為空穴傳輸層的電池的水平。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
一種有機(jī)太陽(yáng)能電池，包括透明導(dǎo)電襯底、空穴傳輸層、有機(jī)活性層、電子傳輸層、金屬電極，所述空穴傳輸層為CuS。所述有機(jī)活性層為P3HT:PCBM。所述的金屬電極為Al電極。所述透明導(dǎo)電襯底為FTO或ITO導(dǎo)電玻璃或長(zhǎng)有CuS透明導(dǎo)電膜的玻璃。本發(fā)明電池的結(jié)構(gòu)為:透明導(dǎo)電襯底/空穴傳輸層/P3HT:PCBM有機(jī)活性層/LiF/金屬電極Al。
本發(fā)明還提供了上述有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備方法:
(1)清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干；
(2)用磁控濺射方法在透明導(dǎo)電襯底上沉積金屬Cu薄膜，然后通過(guò)水熱法在襯底原位生長(zhǎng)空穴傳輸層CuS ；
(3)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在CuS薄膜上用勻膠甩膠的方法甩上有機(jī)活性層；
(4)在有機(jī)活性層之上,蒸發(fā)一層電子傳輸層LiF；
(5)在有機(jī)活性層表面蒸發(fā)金屬電極，通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火。上述磁控濺射銅薄膜的流程為:
(1)將直徑5厘米純度99.999%的金屬銅靶以及基片放入真空室；
(2)開(kāi)始抽真空，直到真空度優(yōu)于1X10_3Pa；
(3)保持襯底溫度為4(Γ70攝氏度，調(diào)節(jié)氬氣流量為l(Tl2sCCm；
(4)調(diào)節(jié)射頻濺射功率為4(T60W，濺射氣壓IPa，開(kāi)始濺射，濺射時(shí)間為5 15秒。上述水熱法制備硫化銅的流程為:
(O反應(yīng)釜中加入一定量的硫粉和無(wú)水乙醇；
(2)將濺射有Cu薄膜的基底放入反應(yīng)釜；
(3)溫度保持6(Γ90攝氏度反應(yīng)3、小時(shí)；(4)取出，無(wú)水乙醇去離子水沖洗，烘箱烘干待用。本發(fā)明采用原位生長(zhǎng)硫化銅薄膜(先磁控濺射一層金屬銅薄膜再水熱生成硫化銅)的方法，并將其作為空穴傳輸層，得到了一種新型的有機(jī)太陽(yáng)能電池及制備方法，其成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、易于大面積生產(chǎn)。以CuS為空穴傳輸層的太陽(yáng)能電池,相對(duì)于沒(méi)有空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率有了明顯的提高，相對(duì)與傳統(tǒng)的PED0T:PSS不存在對(duì)襯底的腐蝕問(wèn)題，同時(shí)其效率達(dá)到以MoO3為空穴傳輸層的電池的水平。


圖1為有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)不意圖；1-透明導(dǎo)電襯底，2-空穴傳輸層:CuS, 3-P3HT: PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層，4-電子傳輸層LiF，5-鋁電極；
圖2為以CuS作為空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以硫化銅為空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池可采取下述步驟制備:
I襯底處理
試驗(yàn)中采用的基片是FTO、ITO導(dǎo)電玻璃或長(zhǎng)有CuS透明導(dǎo)電膜的玻璃，在試驗(yàn)前應(yīng)首先對(duì)基片進(jìn)行清洗。首先將襯底切成所需的形狀，用清潔劑將其清洗干凈，然后分別用自來(lái)水沖洗、去離子水沖洗，接著將其放在超聲波清洗器中依次用去離子水、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘，最后再用去離子水沖洗，用干燥的高純氮?dú)獯蹈刹⒑娓杉纯傻玫奖砻鏉崈舻囊r底。2空穴傳輸層CuS薄 膜的制備
(I)將金屬銅靶和潔凈的導(dǎo)電玻璃襯底放入沉積室中的相應(yīng)位置，調(diào)整樣品架位置，使之與靶面對(duì)準(zhǔn)，并保持適當(dāng)?shù)木嚯x。(2)將真空系統(tǒng)抽真空。首先開(kāi)冷卻水。開(kāi)啟機(jī)械泵抽低真空，當(dāng)系統(tǒng)真空度低于IOPa以后，開(kāi)分子泵抽高真空，直至系統(tǒng)真空度優(yōu)于IX 10_3 Pa。(3)向沉積室內(nèi)通入適量的高純氬氣，使氬氣氣壓達(dá)到所需的沉積氣壓。(4)采用通用的射頻平面磁控濺射工藝。高純氬氣作為濺射與反應(yīng)氣體，整個(gè)過(guò)程中不通氧。濺射時(shí)襯度溫度在4(Γ70攝氏度變化，濺射氣壓在1.0 Pa，濺射功率在4(T60 W變化，通過(guò)沉積時(shí)間控制薄膜厚度。濺射時(shí)間為5 15秒。(5)薄膜沉積完成后，關(guān)機(jī)取出樣品。(6)隨后將襯底置入體積約100毫升的聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入
0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)6(Γ90攝氏度保持3、小時(shí)取出。將樣品用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次烘干待用。3太陽(yáng)能電池制備
(I)有機(jī)活性層配方:在手套箱中用電子天平稱取Ρ3ΗΤ (Rieke Metals) 20.0毫克，PCBM (Nano C) 20毫克?；旌虾?，將其溶解在1.0毫升的氯苯中。然后放在有溫度控制的磁力攪拌器上，低于50°C攪拌24小時(shí)，待用。(2)在惰性氣體保護(hù)的手套箱箱中，在CuS薄膜上用勻膠甩膠的方法甩一層P3HT:PCBM。
(3)電極的制備:在P3HT:PCBM表面先后分別蒸發(fā)電子傳輸層和金屬鋁。最后惰性氣體保護(hù)下后退火(12(Tl5(TC下烘烤5 10 min)。4材料及器件性能測(cè)試
為了評(píng)價(jià)以硫化銅為空穴傳輸層的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化光伏電池的光伏特性，我們利用Keithley SMU測(cè)試儀分別對(duì)以硫化銅為空穴傳輸層的光伏電池和沒(méi)有硫化銅空穴傳輸層的光伏電池進(jìn)行了 J-V曲線的測(cè)試。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述，該描述只是為了更好的說(shuō)明本發(fā)明而不是對(duì)其進(jìn)行限制。本發(fā)明并不限于這里所描述的特殊實(shí)例和實(shí)施方案。任何本領(lǐng)域中的技術(shù)人員很容易在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例一:
(O 清洗FTO導(dǎo)電玻璃片:先將導(dǎo)電玻璃玻片放入盛有清潔劑(如立白牌液體洗滌齊IJ)的溶液中浸泡10分鐘，然后反復(fù)擦洗后清水沖干凈；接著用拋光粉進(jìn)行拋光處理；然后分別放入裝有去離子水、丙酮和酒精的器皿中分別超聲10分鐘；最后放進(jìn)去離子水沖洗兩遍后，用氮?dú)鈽尨蹈刹⒎湃牒嫦渲?0攝氏度烘干以消除應(yīng)力。(2)有機(jī)光敏層配方:用電子天平稱P3HT 20.0毫克，PCBM 20.0毫克?；旌虾螅瑢⑵淙芙庠?.0毫升的氯苯中。然后放在有溫度控制的磁力攪拌器上，40°C攪拌24小時(shí)。(3)在惰性氣體保護(hù)的氣箱中，在FTO基底上用勻膠甩膠的方法甩一層約100 nm厚的P3HT:PCBM。轉(zhuǎn)速為低速500轉(zhuǎn)每分甩6秒，高速1000轉(zhuǎn)每分甩20秒?；钚詫雍穸燃s為100納米。(4)在活性層之上通過(guò)膜厚監(jiān)控儀控制蒸發(fā)一層約1.5nm厚的LiF。(5)電極的制備:在P3HT:PCBM表面蒸發(fā)約150 nm厚的金屬鋁。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤5 min)。得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:透明導(dǎo)電玻璃襯底-1，P3HT: PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層-3，電子傳輸層LiF_4，鋁電極-5，空穴傳輸層CuS-2沒(méi)有。(6)電池性能說(shuō)明:如圖2所示開(kāi)路電壓為:0.33 V，電池的短路電流為:7.77mA/cm2，填充因子為:26%，能量轉(zhuǎn)換效率為:0.7%
實(shí)施例二:
(I)清洗FTO導(dǎo)電玻璃片，同實(shí)施例一。(2)濺射Cu薄膜:將銅靶和基片裝入磁控濺射設(shè)備中，用射頻電源進(jìn)行濺射。工作條件為:本底真空:3X 10_4 Pa ;氬氣流量為12sCCm(標(biāo)況毫升每分鐘)；襯底溫度:60°C，濺射氣壓:1.0 Pa，濺射功率在60W，濺射時(shí)間5 S。得到鍍有Cu薄膜的FTO玻璃襯底。(3)CuS薄膜的制備:將鍍有Cu的FTO玻璃置入100毫升聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)90攝氏度保持6小時(shí)取出。將樣品先后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次，60度烘干待用。(4)有機(jī)光敏層配方，同實(shí)施例一。(5)甩活性層同實(shí)施例一。(6)在活性層之上通過(guò)膜厚監(jiān)控儀控制蒸發(fā)一層約1.5nm厚的LiF。(7)電極的制備同實(shí)施例一。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤6 min)。得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:透明導(dǎo)電玻璃襯底-1，空穴傳輸層CuS薄膜-2，P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層_3，電子傳輸層LiF-4，鋁電極-5。(8)電池性能說(shuō)明:如圖2所示開(kāi)路電壓為:0.55 V ;電池的短路電流為:10.96mA/cm2，填充因子為:56%，能量轉(zhuǎn)換效率為:3.38 %。實(shí)施例三:
(I)清洗ITO導(dǎo)電玻璃片:先將導(dǎo)電玻璃玻片放入盛有清潔劑(如立白牌液體洗滌劑)的溶液中浸泡10分鐘，然后反復(fù)擦洗后清水沖干凈；接著用拋光粉進(jìn)行拋光處理；然后分別放入裝有去離子水、丙酮和酒精的器皿中分別超聲10分鐘；最后放進(jìn)去離子水沖洗兩遍后，用氮?dú)鈽尨蹈刹⒎湃牒嫦渲?0度烘干以消除應(yīng)力。(2)濺射Cu薄膜:將銅靶和基片裝入磁控濺射設(shè)備中，用射頻電源進(jìn)行濺射。工作條件為:本底真空:3X10_4 Pa;氬氣流量為IOsccm(標(biāo)況毫升每分)；襯底溫度:40°C，濺射氣壓:1.0 Pa，濺射功率在60W，濺射時(shí)間10 S。得到鍍有Cu薄膜的ITO玻璃襯底。(3)CuS薄膜的制備:將鍍有Cu的ITO玻璃置入100毫升聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)90攝氏度保持9小時(shí)取出。將樣品先后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次，60攝氏度烘干待用。(4)有機(jī)光敏層配方，同實(shí)施例一。(5)甩活性層同實(shí)施例一。(6)在活性層之上通過(guò)膜厚監(jiān)控儀控制蒸發(fā)一層約1.5nm厚的LiF。(7)電極的制備同實(shí)施例一。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤7 min)得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:透明導(dǎo)電玻璃襯底-1，空穴傳輸層CuS薄膜-2，P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層_3，電子傳輸層LiF-4，鋁電極-5。(8)電池性能說(shuō)明:開(kāi)路電壓為:0.51 V;電池的短路電流為:8.65mA/cm2，填充因子為:48%，能量轉(zhuǎn)換效率為:2.1%。實(shí)施例四:
(I)清洗FTO導(dǎo)電玻璃片，同實(shí)施例一。(2)濺射Cu薄膜:將銅靶和基片裝入磁控濺射設(shè)備中，用射頻電源進(jìn)行濺射。工作條件為:本底真空:3X10_4 Pa;氬氣流量為IOsccm(標(biāo)況毫升每分)；襯底溫度:40°C，濺射氣壓:1.0 Pa，濺射功率在40W，濺射時(shí)間15s。得到鍍有Cu薄膜的FTO玻璃襯底。(3)CuS薄膜的制備:將鍍有Cu的FTO玻璃置入100毫升聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)90攝氏度保持3小時(shí)取出。將樣品先后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次，60攝氏度烘干待用。(4)有機(jī)光敏層配方，同實(shí)施例一。(5)甩活性層同實(shí)施例一。(6)在活性層之上通過(guò)膜厚監(jiān)控儀控制蒸發(fā)一層約1.5nm厚的LiF。(7)電極的制備同實(shí)施例一。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤8 min)得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:透明導(dǎo)電玻璃襯底-1，空穴傳輸層CuS薄膜-2，P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層_3，電子傳輸層LiF-4，鋁電極-5。(8)電池性能說(shuō)明:開(kāi)路電壓為:0.53 V ;電池的短路電流為:9.65 mA/cm2，填充因子為:53%，能量轉(zhuǎn)換效率為:2.7%。
實(shí)施例五:
(I)清洗FTO導(dǎo)電玻璃片，同實(shí)施例一。(2)濺射Cu薄膜:將銅靶和基片裝入磁控濺射設(shè)備中，用射頻電源進(jìn)行濺射。工作條件為:本底真空:3X10_4 Pa;氬氣流量為12sCCm(標(biāo)況毫升每分)；襯底溫度:60°C，濺射氣壓:1.0 Pa，濺射功率在40W，濺射時(shí)間10s。得到鍍有Cu薄膜的FTO玻璃襯底。(3)CuS薄膜的制備:將鍍有Cu的FTO玻璃置入100毫升聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)60攝氏度保持9小時(shí)取出。將樣品先后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次，60攝氏度烘干待用。(4)有機(jī)光敏層配方，同實(shí)施例一。(5)甩活性層同實(shí)施例一。(6)在活性層之上通過(guò)膜厚監(jiān)控儀控制蒸發(fā)一層約1.5nm厚的LiF。(7)電極的制備同實(shí)施例一。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤9 min)得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:透明導(dǎo)電玻璃襯底-1，空穴傳輸層CuS薄膜-2，P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層_3，電子傳輸層LiF-4，鋁電極-5。(8)電池性能說(shuō)明:開(kāi)路電壓為:0.51 V ;電池的短路電流為:10.6 mA/cm2，填充因子為:52%，能量轉(zhuǎn)換效率為:2.8%。實(shí)施例六:
(I)清洗ITO導(dǎo)電玻璃片，同實(shí)施例三。(2)濺射Cu薄膜:將銅靶和基片裝入磁控濺射設(shè)備中，用射頻電源進(jìn)行濺射。工作條件為:本底真空:3X10_4 Pa;氬氣流量為12sCCm(標(biāo)況毫升每分)；襯底溫度:70°C，濺射氣壓:1.0 Pa，濺射功率在60W，濺射時(shí)間8s。得到鍍有Cu薄膜的ITO玻璃襯底。(3) CuS薄膜的制備:將鍍有Cu的ITO玻璃置入100毫升聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)60攝氏度保持4小時(shí)取出。將樣品先后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次，60攝氏度烘干待用。(4)有機(jī)光敏層配方，同實(shí)施例一。(5)甩活性層同實(shí)施例一。(6)在活性層之上通過(guò)膜厚監(jiān)控儀控制蒸發(fā)一層約1.5nm厚的LiF。(7)電極的制備同實(shí)施例一。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤10 min)得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:透明導(dǎo)電玻璃襯底-1，空穴傳輸層CuS薄膜-2，P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層_3，電子傳輸層LiF-4，鋁電極-5。(8)電池性能說(shuō)明:開(kāi)路電壓為:0.51 V;電池的短路電流為:10.48 mA/cm2，填充因子為:55%，能量轉(zhuǎn)換效率為:2.94%。實(shí)施例七:
(I)清洗普通玻璃片，同實(shí)施例一。(2)濺射Cu薄膜:將銅靶和玻璃基片裝入磁控濺射設(shè)備中，用射頻電源進(jìn)行濺射。工作條件為:本底真空:3X10_4 Pa ;氬氣流量為12sCCm(標(biāo)況毫升每分)；襯底溫度:60°C，濺射氣壓:1.0 Pa，濺射功率在60W，濺射時(shí)間5s。得到鍍有Cu薄膜的普通玻璃襯底。(3) CuS薄膜的制備:將鍍有Cu的普通玻璃置入100毫升聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，先后加入0.03克硫粉和70毫升無(wú)水乙醇。將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱內(nèi)60攝氏度保持4小時(shí)取出。將樣品先后用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗數(shù)次，60攝氏度烘干待用。(4)有機(jī)光敏層配方，同實(shí)施例一。(5)甩活性層同實(shí)施例一。(6)電極的制備同實(shí)施例一。通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C烘烤10 min)得到如圖1所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池:長(zhǎng)有CuS透明導(dǎo)電膜的玻璃-1，空穴傳輸層CuS薄膜-2，P3HT: PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層-3，鋁電極_5，電子傳輸層LiF_4沒(méi)有。(7)電池性能說(shuō)明:開(kāi)路電壓為:0.42 V;電池的短路電流為:5.72mA/cm2，填充因子為:30%，能量轉(zhuǎn)換效率為:0.71%。
以上實(shí)施例得到的數(shù)據(jù)說(shuō)明，對(duì)比沒(méi)有空穴傳輸層的電池，插入CuS為空穴傳輸層后，其電池的短路電流、開(kāi)路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率都有顯著的提高。除此之外，對(duì)比PEDOT: PSS空穴傳輸層，CuS避免了對(duì)導(dǎo)電襯底的腐蝕作用，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。對(duì)比MoO3空穴傳輸層，銅元素和硫元素在地球上儲(chǔ)量豐富，且硫元素在工業(yè)過(guò)程中廣泛存在，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)變廢為寶。本方法通過(guò)簡(jiǎn)單制備的硫化銅來(lái)作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層，得到了較為理想的效果，體現(xiàn)了簡(jiǎn)單性、高效性、廉價(jià)性和實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)太陽(yáng)能電池,包括透明導(dǎo)電襯底、空穴傳輸層、有機(jī)活性層、電子傳輸層、金屬電極，其特征在于，所述空穴傳輸層為CuS。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述有機(jī)活性層為P3HT:PCBM。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述的金屬電極為Al電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電襯底為FTO或ITO導(dǎo)電玻璃或長(zhǎng)有CuS透明導(dǎo)電膜的玻璃。
5.權(quán)利要求1所述有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干； (2)用磁控濺射方法在透明導(dǎo)電襯底上沉積金屬Cu薄膜，然后通過(guò)水熱法在襯底原位生長(zhǎng)空穴傳輸層CuS ； (3)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在CuS薄膜上用勻膠甩膠的方法甩上有機(jī)活性層； (4)在有機(jī)活性層之上,蒸發(fā)一層電子傳輸層LiF； 在有機(jī)活性層表面蒸發(fā)金屬電極，通過(guò)惰性氣體保護(hù)下后退火。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是:用磁控濺射的方法在導(dǎo)電玻璃上沉積金屬Cu薄膜的流程為: (1)將直徑5厘 米純度99.999%的金屬銅靶以及基片放入真空室，； (2)開(kāi)始抽真空，直到真空度優(yōu)于1X10_3Pa； (3)保持襯底溫度為4(Γ70攝氏度，調(diào)節(jié)氬氣流量為l(Tl2sCCm； (4)調(diào)節(jié)射頻濺射功率為4(T60W，濺射氣壓IPa，開(kāi)始濺射，濺射時(shí)間為5 15秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征是:用水熱反應(yīng)的方法原位生長(zhǎng)空穴傳輸層CuS薄膜的流程為: (O反應(yīng)釜中加入一定量的硫粉和無(wú)水乙醇； (2)將濺射有Cu薄膜的基底放入反應(yīng)釜； (3)溫度保持6(Γ90攝氏度反應(yīng)3、小時(shí)； (4)取出，無(wú)水乙醇去離子水沖洗，烘箱烘干待用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以CuS為空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池及其制備方法。包括透明導(dǎo)電襯底、CuS空穴傳輸層、有機(jī)活性層、電子傳輸層、金屬電極。所述CuS空穴傳輸層是以先磁控濺射得到金屬銅薄膜再與硫粉原位水熱生長(zhǎng)的方法得到的薄膜。本發(fā)明用磁控濺射和水熱反應(yīng)的方法制備CuS作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層，相對(duì)于沒(méi)有該層的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率普遍有所提高。相對(duì)于PEDOT:PSS空穴傳輸層，CuS避免了對(duì)導(dǎo)電襯底的腐蝕作用，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。本發(fā)明以CuS為空穴傳輸層的有機(jī)電池光伏特性可與以MoO3為空穴傳輸層的電池特性相媲美，而其成本更加低廉、更具實(shí)用性。
文檔編號(hào)H01L51/48GK103151463SQ20131006328
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者方國(guó)家, 雷紅偉, 黃暉輝, 柯維俊, 程飛 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)