一種基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機聚合物太陽能光伏器件領(lǐng)域，特別是一種基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]能源緊缺和環(huán)境惡化等問題已經(jīng)成為人類生存和發(fā)展所面臨的重要問題。無論從不可再生能源的儲藏量方面考慮，還是從當(dāng)前環(huán)境保護的觀點出發(fā)，人類都必須盡快找到可替代的綠色可再生能源。占有地球總能量99%以上的太陽能，具有取之不盡，用之不竭，沒有污染的特點，成為各國科學(xué)家開發(fā)和利用的新能源之一。目前，根據(jù)組成太陽能電池的光活性層材料的不同，可以將太陽能電池分為無機太陽能電池和有機太陽能電池。與無機太陽能電池相比，有機太陽能電池以其材料合成容易，原料來源廣泛、制作工藝簡單且成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢，贏得了科學(xué)家和各國能源部門的高度重視和濃厚興趣，并注入了大量的研發(fā)資金。從20世紀90年代起，隨著有機光電子學(xué)的迅猛發(fā)展，采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新界面修飾工藝制備的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到大幅度的提高。
[0003]然而，與已用于大規(guī)模生產(chǎn)的無機太陽能電池的相比，有機太陽能電池由于其光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，其實用化還尚需時日。傳統(tǒng)有機太陽能電池的仍然存在以下問題:陰極緩沖層的電子迀移率較低，限制了光生電子在陰極處的收集，從而限制了有機太陽能電池的短路電流密度和填充因子，最終限制了有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池，目的是采用有機材料無機材料雜化的方式制備陰極緩沖層，提高陰極緩沖層的光電導(dǎo)，提高電子在陰極處的收集能力，從而提高有機太陽能電池的短路電流密度和填充因子，制備出高性能的有機太陽能電池。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池，其特征在于，該太陽能電池采用反型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為:襯底，透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0，有機無機雜化陰極緩沖層，光活性層，陽極緩沖層，金屬陽極；有機無機雜化陰極緩沖層的重量百分比組成為:ZnO納米顆粒97-99.5%，茈二甲酰亞胺類小分子0.5_3%。
[0006]作為優(yōu)選，所述有機無機雜化陰極緩沖層中，茈二甲酰亞胺類小分子為N，N’ - 二辛基-3，4，9，10-茈二甲酰亞胺(PTCD1-C8)、N，N’ - 二苯基-3，4，9，10-茈二甲酰亞胺(PTCD1-Ph)、N，N’ - 二戊基-3，4，9，10-茈二甲酰亞胺(PTCD1-C5)或 N，N’ - 二甲基-3，4，9，10-茈二甲酰亞胺(MePTCDI)中的一種。
[0007]作為優(yōu)選，所述光活性層中，電子給體材料為P3HT。
[0008]作為優(yōu)選，所述光活性層中，電子受體材料為PC61BM或PC71BM中的一種。
[0009]作為優(yōu)選，所述陽極緩沖層材料為聚PED0T:PSS，陽極緩沖層厚度為15_50nm。
[0010]作為優(yōu)選，所述金屬陽極材料為Ag、A1或Cu中的一種或多種，金屬陽極厚度為100_300nmo
[0011]作為優(yōu)選，所述襯底材料為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、氯醋樹脂或聚丙烯酸中的一種或多種。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0013]1、通過采用茈二甲酰亞胺類小分子和ZnO納米顆粒雜化的方式制備陰極緩沖層，通過在光照條件下茈二甲酰亞胺類小分子和ZnO納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移過程，提高陰極緩沖層的光電導(dǎo)，提高電子在陰極處的收集能力，從而提高有機太陽能電池的短路電流密度和填充因子，最終制備出高光電轉(zhuǎn)換效率的有機太陽能電池。
[0014]2、基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池器件超薄，除去襯底厚度外，器件總厚度不超過200nm ;
[0015]3、基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率高、制備工藝簡單、制程短、成本低。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明一種基于有機無機雜化陰極緩沖層的有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為實施例1和實施例2中所述器件在AM 1.5(強度為lOOmW/cm2)照射下的電流密度-電壓特性曲線。
[0018]圖1中標記:1-襯底，2-透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0，3-有機無機雜化陰極緩沖層，4-光活性層，5-陽極緩沖層，6-金屬陽極。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種高迀移率有機小分子摻雜的三元太陽能電池，如圖1所示，該太陽能電池采用反型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為:襯底，透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0，有機無機雜化陰極緩沖層，光活性層，陽極緩沖層，金屬陽極；有機無機雜化陰極緩沖層的重量百分比組成為:ZnO納米顆粒97-99.5%，茈二甲酰亞胺類小分子0.5_3%。所述有機無機雜化陰極緩沖層中，茈二甲酰亞胺類小分子為PTCD1-C8、PTCD1-Ph、PTCD1-C5或MePTCDI中的一種。所述光活性層中，電子給體材料為P3HT。所述光活性層中，電子受體材料為PC61BM或PC71BM中的一種。所述陽極緩沖層材料為聚PED0T:PSS，陽極緩沖層厚度為15_50nm。所述金屬陽極材料為Ag、Al或Cu中的一種或多種，金屬陽極厚度為100-300nm。所述襯底材料為玻璃或透明聚合物，所述襯底材料為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、氯醋樹脂或聚丙烯酸中的一種或多種。
[0022]實施例1 (對照組):
[0023]對表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干；在透明導(dǎo)電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C , 60min);在有機無機雜化陰極緩沖層上采用旋涂制備P3HT:PC61BM(40%:60%)光活性層(lOOOrpm, 25s, 220nm),并進行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆聚PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm, 60s, 30nm)，并進行熱退火(150°C , 5min);在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(lOOnm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) = 0.58V，短路電流(Jsc) = 8.5mA/cm2，填充因子(FF) = 0.57，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = 2.81%。
[0024]實施例2:
[0025]對表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干；在透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(99.5%:0.5% )有機無機雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C , 60min);在有機無機雜化陰極緩沖層上采用旋涂制備P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性層(lOOOrpm，25s，220nm)，并進行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進行熱退火(150°C，5min);在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(100nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的 Voc= 0.58V，短路電流 Jsc= 9.1mA/cm2，F(xiàn)F = 0.61，PCE = 3.22%0
[0026]實施例3:
[0027]對表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干；在透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(98.5%:1.5%)有機無機雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C , 60min);在有機無機雜化陰極緩沖層上采用旋涂制備P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性層(lOOOrpm，25s，220nm)，并進行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進行熱退火(150°C，5min);在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(100nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的 Voc= 0.58V，短路電流 Jsc= 9.5mA/cm2，F(xiàn)F = 0.60，PCE = 3.31%0
[0028]實施例4:
[0029]對表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干；在透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(97%:3% )有機無機雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C , 60min);在有機無機雜化陰極緩沖層上采用旋涂制備P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性層(lOOOrpm，25s，220nm)，并進行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進行熱退火(150°C，5min);在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽Ag(100nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的Voc= 0.58V，短路電流 Jsc= 9.2mA/cm2，F(xiàn)F = 0.59，PCE = 3.15%。
[0030]實施例5:
[0031]對表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干；在透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-Ph(99.5%:0.5% )有機無機雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C , 60min);在有機無機雜化陰極緩沖層上采用旋涂制備P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性層(lOOOrpm，25s，220nm)，并進行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進行熱退火(150°C，5min);在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(lOOnm)。在標準測試條件下(AM 1.5，100mW/cm2)，在標準測試條件下(AM 1.5, lOOmff/cm2)，測得器件的 Voc= 0.58V，短路電流 J sc= 8.8mA/cm2，F(xiàn)F =0.59，PCE = 3.01%。
[0032]實施例6:
[0033]對表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陰極IT0所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干；在透明導(dǎo)電陰極IT0表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO:PT⑶1-Ph(98.5%:1.5%)有機無機雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C , 60min);在有機無機雜化陰極緩沖層上采用旋涂制備P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性層(lOOOrpm，25s，220nm)，并進行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T