本發(fā)明涉及有機光電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高效率倒置有機光伏電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
嚴(yán)峻的能源和環(huán)境危機促使著人類尋找可以替代傳統(tǒng)石化燃料的新能源。其中，太陽能不但具有廉價、清潔等優(yōu)點更是取之不盡用之不竭。有預(yù)測表明，未來100年太陽能將作為主要能源，成為解決能源短缺問題的最佳途徑。經(jīng)過多年的發(fā)展，無機光伏電池的能量效率已經(jīng)突破了40%，并且已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。與無機光伏電池相比，有機光伏電池因為一系列優(yōu)勢，引起了科研領(lǐng)域的興趣和重視。具體說來，有機光伏電池的優(yōu)點包括以下方面：1、原材料選擇種類多：可以選擇的有機材料的種類數(shù)目繁多，包括多種有機小分子、聚合物、金屬有機配合物等。而且可以通過分子水平上對有機材料進行結(jié)構(gòu)改進，實現(xiàn)有機材料的特定功能。2、有機材料的光吸收能力強，器件可以做的很薄，減少了對材料的消耗。3、有機器件的制備工藝簡單，易于通過旋涂、熱蒸發(fā)、絲網(wǎng)印刷等方法實現(xiàn)大面積的生產(chǎn)。4、容易實現(xiàn)柔性器件。由于有機光伏電池眾多的優(yōu)點，它的出現(xiàn)為人類清潔、安全、廉價地利用環(huán)境友好的太陽能帶來了希望。但是與無機光伏電池相比，目前無論是能量轉(zhuǎn)換效率方面還是器件壽命方面，有機光伏電池仍有巨大的差距。為了實現(xiàn)有機太陽能電池的商業(yè)應(yīng)用，必須進一步提高有機光伏電池的性能。
傳統(tǒng)的有機光伏電池器件結(jié)構(gòu)采用ito、fto等透明導(dǎo)電薄膜作為器件的陽極，諸如al、ag等低功函數(shù)的金屬材料作為陰極。由于al、ag等低功函數(shù)的金屬材料化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣條件下容易被氧化，引起電極功函數(shù)的升高，造成電子收集性能的下降，影響器件的壽命。在有機聚合物電池中常用的陽極修飾層pedot:pss具有很強的酸性，會造成ito、fto陽極的腐蝕，從而降低器件的效率和壽命。由于倒置結(jié)構(gòu)光伏電池中低功函數(shù)金屬作為陽極，電極氧化造成功函數(shù)的升高反而有助于空穴的收集。同時在倒置有機光伏電池也可以避免酸性pedot:pss陽極修飾層的使用。因此采用倒置結(jié)構(gòu)大幅提高有機光伏電池的器件壽命。倒置結(jié)構(gòu)有機光伏器件通常使用傳統(tǒng)的玻璃或者柔性襯底上制備的ito作為陰極。由于ito的功函數(shù)較高(未處理的ito功函數(shù)4.5ev左右)，當(dāng)用作陰極時，較高的功函數(shù)造成器件電子收集能級勢壘較大，不利于電子收集，降低了器件的短路電流、開路電壓和填充因子，最終導(dǎo)致器件性能低下。有一些辦法可以用來改善這一問題。例如可以在ito上生長一層無機氧化物電子注入層，例如tio2、zno等。但是這類金屬氧化物的生長流程復(fù)雜，制備過程中需要經(jīng)過高溫、溶液、化學(xué)合成等過程。這一方面與柔性基底并不兼容，另一方面增加了工藝的復(fù)雜性，提高了器件的制作成本。本發(fā)明就是要提供一種倒置有機光伏電池中陰極簡單修飾的方法，獲得低成本、高效率、長壽命的倒置有機光伏電池。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出了一種高效率倒置有機光伏電池器件結(jié)構(gòu)及其制備工藝,解決倒置有機光伏電池中陰極簡單修飾的問題，獲得低成本、高效率、長壽命的倒置有機光伏器件。
器件結(jié)構(gòu)包括陰極基底、在陰極基底上沉積的納米收集層，在納米收集層上沉積的激子阻擋層，在激子阻擋層上沉積的光捕獲層、在光捕獲層上沉積的的空穴收集層，以及在空穴收集層上沉積的陽極所組成。
進一步的，所述的陰極基底為ito、fto、azo中的一種，其厚度在100-200nm。
進一步的，所述的納米收集層為ag納米顆粒，厚度在0.25-2nm。
進一步的，所述的激子阻擋層為有機材料balq3、bcp、bphen、alq3、taz、tpbi中的一種，厚度在2-10nm。
進一步的，所述的光捕獲層采用給體受體平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或者給體受體混合的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的倒置有機光伏電池器件的制備包括以下步驟：
陰極基底采用丙酮、玻璃清洗劑依次清洗，丙酮、去離子水、異丙醇中各超聲處理10分鐘，氮氣吹干后紫外燈照射處理10分鐘。
打開超高真空沉積系統(tǒng)，裝入預(yù)處理好的襯底和所需材料；超高真空沉積系統(tǒng)抽真空至真空度小于10-4pa后開始依次沉積各功能層。
在透明襯底上制備納米收集層，所述的納米收集層使用ag金屬材料制備，沉積速率為0.01-0.1nm/s，沉積厚度為0.25-2nm。沉積納米收集層的過程中，通過基板加熱調(diào)節(jié)陰極基底的溫度，陰極基底溫度控制在80-100℃。所得收集層呈不連續(xù)的分散的納米球顆粒形貌。
在納米收集層上制備激子阻擋層，所述的激子阻擋層為寬禁帶有機電子傳輸材料，沉積速率為0.02-0.05nm/s，沉積厚度2-10nm，進一步的，激子阻擋層為balq3、bcp、bphen、alq3、taz、tpbi中的一種。
在激子阻擋層上制備光捕獲層,所述的光捕獲層使用給受體平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或者給受體共蒸的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
在光捕獲層上制備空穴傳輸層,所述的空穴傳輸層沉積速率為0.02-0.05nm/s，沉積厚度5nm-20nm。作為優(yōu)選，所述的空穴傳輸層選擇moo3、woo3、v2o5、tapc、cbp、mcp、tcta、npb中的一種，作為改進，所述的空穴傳輸層使用tapc/moo3、cbp/moo3等雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，以利于空穴的收集。
在空穴傳輸層上制備陽極，所述的陽極采用金屬電極、透明金屬氧化物或復(fù)合陽極，制備成全反射的電極薄膜。
本發(fā)明的納米收集層，為采用低功函數(shù)的ag通過熱蒸發(fā)制備的金屬納米顆粒。其作用在于(1)對陰極進行修飾，降低陰極的功函數(shù)，增強陰極的電子收集能力；(2)利用金屬納米顆粒的表面等離激元共振作用，增強光捕獲層的吸光能力，提高光生激子數(shù)目，增大短路電流。最終，納米收集層可以在解決倒置有機光伏電池器件電子收集效率低下的問題，顯著提高電池的短路電流，最終提高有機光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率。采用真空熱蒸發(fā)的方法制備納米注入層，與有機光伏電池的制備工藝兼容性好，并且適用于各種不同材質(zhì)的基底。
激子阻擋層，為寬禁帶有機電子傳輸材料。其作用在于對納米收集層形成包覆結(jié)構(gòu)。由于用于收集層的金屬納米顆粒對于激子存在較強烈的猝滅作用，造成非輻射躍遷，從而降低了有機光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率，因此需要引入寬禁帶的激子阻擋層。寬禁帶材料可以阻擋激子向金屬納米顆粒上的擴散，降低非輻射躍遷的損失。另一方面，薄的激子阻擋層可以保證電子通過遂川的方式被陰極有效的收集，避免了由于激子阻擋層引入導(dǎo)致電荷收集性能下降引起的器件性能的降低。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利至少具備以下優(yōu)點：本發(fā)明專利使用熱蒸發(fā)的低功函數(shù)金屬納米顆粒作為納米收集層，降低了倒置有機光伏電池陰極功函數(shù)，提高了電子收集效率和器件性能。同時由于金屬納米顆粒的表面等離激元共振作用，增強光捕獲層的吸光能力，提高光生激子數(shù)目，增大短路電流。本發(fā)明使用激子阻擋層對納米注入層進行包覆，避免了激子在金屬納米顆粒上的猝滅作用，減少了非輻射躍遷的損失，提高了器件的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明所用的真空沉積工藝，無需新增設(shè)備和環(huán)境，工藝簡單方便，無需復(fù)雜的化學(xué)合成和溶液工藝，與有機光伏集成性好，成本低。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的高效率倒置有機光伏電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖；1為陰極基底，2為納米收集層，3為激子阻擋層，4為光捕獲層，5為空穴傳輸層，6為陽極。
具體實施方式
一種高效率倒置有機光伏電池，如附圖1所示，包括陰極基底(1)、納米收集層(2)，激子阻擋層(3)，光捕獲層(4)、空穴傳輸層(5)和陽極(6)組成。本發(fā)明的納米收集層，為采用低功函數(shù)的ag通過熱蒸發(fā)制備的金屬納米顆粒。其作用在于(1)對陰極進行修飾，降低陰極的功函數(shù)，增強陰極的電子收集能力；(2)利用金屬納米顆粒的表面等離激元共振作用，增強光捕獲層的吸光能力，提高光生激子數(shù)目，增大短路電流。最終，納米收集層可以在解決倒置有機光伏電池器件電子收集效率低下的問題，顯著提高電池的短路電流和填充因子，最終提高有機光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率。采用真空熱蒸發(fā)的方法制備納米注入層，與有機光伏電池的制備工藝兼容性好，并且適用于各種不同材質(zhì)的基底。激子阻擋層，可以對納米收集層形成包覆結(jié)構(gòu)。由于用于收集層的金屬納米顆粒對于激子存在較強烈的猝滅作用，造成非輻射躍遷，從而降低了有機光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率，因此需要引入寬禁帶的激子阻擋層。寬禁帶材料可以阻擋激子向金屬納米顆粒上的擴散，降低非輻射躍遷的損失。另一方面，薄的激子阻擋層可以保證電子通過遂川的方式被陰極有效的收集，避免了由于激子阻擋層引入導(dǎo)致電荷收集性能下降引起的器件性能的降低。
實施例一：器件結(jié)構(gòu)為ito/ag/bphen/subpc:c70/tapc/moo3/al,器件制備步驟和相關(guān)工藝參數(shù)如下。
第一步、基底清洗：ito導(dǎo)電玻璃使用丙酮、玻璃清洗劑依次清洗，丙酮、去離子水、異丙醇中各超聲處理10分鐘，氮氣吹干后紫外燈照射處理10分鐘。
第二步、打開超高真空沉積系統(tǒng)，裝入預(yù)處理好的ito襯底和所需材料；超高真空沉積系統(tǒng)抽真空至壓力小于10-4pa。
第三步、在ito陰極襯底上制備ag納米收集層，沉積速率為0.02nm/s，沉積厚度為0.5nm。沉積過程中，陰極基底的溫度控制在80℃。
第四步、在ag納米收集層上制備bphen激子阻擋層，沉積速率為0.02nm/s，沉積厚度5nm。
第五步、在激子阻擋層上制備光捕獲層,光捕獲層使用subpc:c70共蒸發(fā)形成的體異質(zhì)結(jié)，沉積速率為0.05nm/s，沉積厚度50nm。
第六步、在subpc:c70光捕獲層上制備tapc/moo3復(fù)合空穴傳輸層,tapc沉積速率為0.02nm/s，沉積厚度5nm。moo3沉積速率為0.05nm/s，沉積厚度5nm。
第七步、在tapc/moo3空穴傳輸層上沉積100nmal作為制備陽極，沉積速率0.5nm/s。
在本發(fā)明中，ag納米收集層可以降低ito的功函數(shù)，促進ito陰極對電子的收集，極薄的ag并不影響光進入器件光捕獲層，同時利用ag納米的表面等離激元共振作用可以增強subpc:c70體異質(zhì)結(jié)光捕獲層的吸收，最終大幅提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率，獲得高效率倒置有機光伏電池。
實施例二：器件結(jié)構(gòu)為ito/ag/bcp/c60/rubrene/moo3/ag,器件制備步驟和相關(guān)工藝參數(shù)如下。
第一步、基底清洗：ito導(dǎo)電玻璃使用丙酮、玻璃清洗劑依次清洗，丙酮、去離子水、異丙醇中各超聲處理10分鐘，氮氣吹干后紫外燈照射處理10分鐘。
第二步、打開超高真空沉積系統(tǒng)，裝入預(yù)處理好的ito襯底和所需材料；超高真空沉積系統(tǒng)抽真空至壓力小于10-4pa。
第三步、在ito陰極襯底上制備ag納米收集層，沉積速率為0.1nm/s，沉積厚度為2nm。沉積過程中，陰極基底的溫度控制在100℃。
第四步、在ag納米收集層上制備bcp激子阻擋層，沉積速率為0.02nm/s，沉積厚度5nm。
第五步、在激子阻擋層上制備光捕獲層,光捕獲層使用c60/rubrene的平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，先在bcp激子阻擋層上沉積受體c60層，沉積速率為0.05nm/s，沉積厚度40nm，接著在c60層上沉積給體rubrene層，沉積速率為0.05nm/s，沉積厚度25nm。
第六步、在光捕獲層上制備moo3空穴傳輸層。moo3沉積速率為0.05nm/s，沉積厚度5nm。
第七步、在moo3空穴傳輸層上沉積100nmag作為陽極，沉積速率0.5nm/s。
第八步、測試；在am1.5模擬太陽光照射下，測得的本發(fā)明器件的光伏性能參數(shù)為：短路電流=5.6ma/cm2，填充因子=0.58，開路電壓=0.89v，能量轉(zhuǎn)換效率=2.89%。而沒有納米注入層的對比器件ito/bcp/c60/rubrene/moo3/ag的短路電流=3.6ma/cm2，填充因子=0.48，開路電壓=0.81v，能量轉(zhuǎn)換效率=1.40%。實驗結(jié)果說明本發(fā)明提出的納米注入層和激子阻擋層結(jié)構(gòu)確實可以大幅改善倒置有機光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率。同時納米注入層的制備方法簡單，避免了復(fù)雜的化學(xué)合成、溶液工程和高溫工藝。