一種基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機(jī)聚合物太陽(yáng)能光伏器件領(lǐng)域，特別是一種基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]能源緊缺和環(huán)境惡化等問(wèn)題已經(jīng)成為人類生存和發(fā)展所面臨的重要問(wèn)題。無(wú)論從不可再生能源的儲(chǔ)藏量方面考慮，還是從當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)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(yáng)能，具有取之不盡，用之不竭，沒(méi)有污染的特點(diǎn)，成為各國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)和利用的新能源之一。目前，根據(jù)組成太陽(yáng)能電池的光活性層材料的不同，可以將太陽(yáng)能電池分為無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池。與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池以其材料合成容易，原料來(lái)源廣泛、制作工藝簡(jiǎn)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(shì)，贏得了科學(xué)家和各國(guó)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(jì)90年代起，隨著有機(jī)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(jī)太陽(yáng)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(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池由于其光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，其實(shí)用化還尚需時(shí)日。傳統(tǒng)有機(jī)太陽(yáng)能電池的仍然存在以下問(wèn)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(jī)太陽(yáng)能電池的短路電流密度和填充因子，最終限制了有機(jī)太陽(yáng)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，目的是采用有機(jī)材料無(wú)機(jī)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(jī)太陽(yáng)能電池的短路電流密度和填充因子，制備出高性能的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在于，該太陽(yáng)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(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層，光活性層，陽(yáng)極緩沖層，金屬陽(yáng)極；有機(jī)無(wú)機(jī)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(jī)無(wú)機(jī)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(yáng)極緩沖層材料為聚PED0T:PSS，陽(yáng)極緩沖層厚度為15_50nm。
[0010]作為優(yōu)選，所述金屬陽(yáng)極材料為Ag、A1或Cu中的一種或多種，金屬陽(yáng)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(shù)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(guò)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(guò)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(guò)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(jī)太陽(yáng)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(jī)太陽(yáng)能電池。
[0014]2、基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件超薄，除去襯底厚度外，器件總厚度不超過(guò)200nm ;
[0015]3、基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率高、制備工藝簡(jiǎn)單、制程短、成本低。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明一種基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為實(shí)施例1和實(shí)施例2中所述器件在AM 1.5(強(qiáng)度為lOOmW/cm2)照射下的電流密度-電壓特性曲線。
[0018]圖1中標(biāo)記:1-襯底，2-透明導(dǎo)電陰極ΙΤ0，3-有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層，4-光活性層，5-陽(yáng)極緩沖層，6-金屬陽(yáng)極。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(jī)小分子摻雜的三元太陽(yáng)能電池，如圖1所示，該太陽(yáng)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(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層，光活性層，陽(yáng)極緩沖層，金屬陽(yáng)極；有機(jī)無(wú)機(jī)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(jī)無(wú)機(jī)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(yáng)極緩沖層材料為聚PED0T:PSS，陽(yáng)極緩沖層厚度為15_50nm。所述金屬陽(yáng)極材料為Ag、Al或Cu中的一種或多種，金屬陽(yáng)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(shù)脂或聚丙烯酸中的一種或多種。
[0022]實(shí)施例1 (對(duì)照組):
[0023]對(duì)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(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈?；在透明?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(jìn)行熱退火(200°C , 60min);在有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)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(yáng)極緩沖層(3000rpm, 60s, 30nm)，并進(jìn)行熱退火(150°C , 5min);在陽(yáng)極緩沖層上蒸鍍金屬陽(yáng)極Ag(lOOnm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測(cè)得器件的開(kāi)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(shí)施例2:
[0025]對(duì)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(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈?；在透明?dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(99.5%:0.5% )有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火(200°C , 60min);在有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)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(yáng)極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進(jìn)行熱退火(150°C，5min);在陽(yáng)極緩沖層上蒸鍍金屬陽(yáng)極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測(cè)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(shí)施例3:
[0027]對(duì)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(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑辉谕该鲗?dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(98.5%:1.5%)有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火(200°C , 60min);在有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)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(yáng)極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進(jìn)行熱退火(150°C，5min);在陽(yáng)極緩沖層上蒸鍍金屬陽(yáng)極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測(cè)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(shí)施例4:
[0029]對(duì)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(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈?；在透明?dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(97%:3% )有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火(200°C , 60min);在有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)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(yáng)極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進(jìn)行熱退火(150°C，5min);在陽(yáng)極緩沖層上蒸鍍金屬陽(yáng)Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測(cè)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(shí)施例5:
[0031]對(duì)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(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑辉谕该鲗?dǎo)電陰極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-Ph(99.5%:0.5% )有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火(200°C , 60min);在有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)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(yáng)極緩沖層(3000rpm，60s, 30nm)，并進(jìn)行熱退火(150°C，5min);在陽(yáng)極緩沖層上蒸鍍金屬陽(yáng)極Ag(lOOnm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(AM 1.5，100mW/cm2)，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(AM 1.5, lOOmff/cm2)，測(cè)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(shí)施例6:
[0033]對(duì)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(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈?；在透明?dǎo)電陰極IT0表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO:PT⑶1-Ph(98.5%:1.5%)有機(jī)無(wú)機(jī)雜化陰極緩沖層(5000rpm, 40s, 15nm)，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火(200°C , 60min);在有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)行熱退火(140°C , 5min);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T