一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法，屬于有機(jī)太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。從下至上，依次為ITO導(dǎo)電玻璃襯底、PFN/聚芴材料PFBT雙電子傳輸層、PCDTBT：PCBM活性層、MoO3/氧化石墨烯雙空穴傳輸層和石墨陽極組成。該方法利用具有高導(dǎo)電率的兩親性聚芴材料PFBT結(jié)合PFN作為雙電子傳輸層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)TiO2,ZnO等無機(jī)傳輸層，提高與ITO的界面接觸，減小界面復(fù)合，提高有機(jī)太陽能性能；同時，利用MoO3和氧化石墨烯相結(jié)合作為空穴傳輸層，采用噴墨打印技術(shù)在氧化石墨烯表面噴涂一層石墨電極，該方法簡單使用，適合大面積推廣，同時采用石墨代替?zhèn)鹘y(tǒng)Au，Ag，Al等材料，不存在金半接觸，因此界面無肖特基勢壘，降低了器件內(nèi)部能量損失，從而提高器件的性能。
【專利說明】
一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于有機(jī)太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)太陽能電池以其特有的柔性、低成本、可彎曲、可大面積印刷生產(chǎn)等優(yōu)點得到大量研究報道，基于共混體系的反型有機(jī)太陽能電池目前已經(jīng)獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率，為克服載流子傳輸不平衡的缺點，傳統(tǒng)的反型有機(jī)太陽能電池一般采用無機(jī)氧化物作為傳輸層，然而，無機(jī)氧化物本身固有的缺陷，以及溶膠凝結(jié)法的缺點使制備的電池具有高的載流子復(fù)合、低的激子傳輸能力等缺點。解決無機(jī)傳輸層所帶來的缺點，進(jìn)一步提高電池效率是研究人員必須面對的問題。世界各地的研究人員嘗試通過各種方法改善器件特性，提高器件性能，例如，界面修飾、活性層參雜、器件活性層改性等方法，而在本發(fā)明中通過采用雙電子和雙空穴傳輸層的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)無機(jī)氧化物電子和空穴傳輸層，并且利用雙傳輸層優(yōu)異的界面控制能力減小界面復(fù)合，提高載流子傳輸，進(jìn)而提高有機(jī)太陽能電池的性能，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明器件制備過程基于溶液方法，工藝簡單，低能耗，成本低，不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物，易于操作。能夠有效提高有機(jī)太陽能電池的效率，為未來納米壓印以及有機(jī)太陽能電池的發(fā)展有很大借鑒意義。
[0004]本發(fā)明所述的一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于:從下至上，依次為ITO導(dǎo)電玻璃襯底、PFN(poly [ (9，9_bis (3, - (N,N-dimethylamino)propyl)_2，7-fluorene)-alt_2,7-(9，9_d1ctylfluorene) ])/聚荷材料 PFBT(Poly[ (9，9_d1ctylf luorenyl-2,7-diyl )-alt-co-( I，4_benzo-{2，I7，3}_thiadiazole)])雙電子傳輸層、PO)TBT: PCBM活性層、M0O3/氧化石墨稀(Graphene)雙空穴傳輸層、石墨陽極組成，即結(jié)構(gòu)為玻璃/IT0/PFN/PFBT/PCDTBT:PCBM/Mo03/Graphene/C。本發(fā)明利用PFN材料界面偶極子特性調(diào)整ITO功函數(shù)，結(jié)合高導(dǎo)電率的兩親性聚芴材料作為電子傳輸層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)Ti02、ZnO等無機(jī)傳輸層，提高與活性層的界面接觸，減小界面復(fù)合，進(jìn)而提高有機(jī)太陽能光電轉(zhuǎn)換效率；同時，利用MoO3作為電子阻擋，結(jié)合高導(dǎo)電性氧化石墨烯兩者作為雙空穴傳輸層，采用噴墨打印技術(shù)在氧化石墨稀表面噴涂一層石墨電極，代替?zhèn)鹘y(tǒng)Au、Ag、Al等材料，不存在金半接觸，因此界面無肖特基勢皇，降低了器件內(nèi)部能量損失，從而提高器件的性能。其中PFN層的厚度2?8nm，聚芴層的厚度為10?30nm，PCDTBT:PCBM活性層的厚度為200?300nm，Mo03層的厚度為4?6nm，氧化石墨稀層的厚度0.3?2nm，石墨陽極的厚度為80?120nmo
[0005]本發(fā)明所述的基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池制備包括四個部分:I，雙電子傳輸層的制備;2，活性層制備;3，雙空穴傳輸層的制備;4，電極制備。各過程依次進(jìn)行。
[0006]本發(fā)明所述基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池的制備方法，其步驟如下:
[0007]I)襯底的處理
[0008]將ITO導(dǎo)電玻璃分別用去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗20?30分鐘，清洗后用氮氣吹干；
[0009]2)雙電子傳輸層的制備
[0010]a，PFN電子傳輸層制備
[0011]將I?3mg PFN溶解在ImL甲醇溶劑中配制成濃度為I?3mg/mL的溶液，然后加入I?3uL乙酸，將所得PFN溶液旋涂在ITO表面，旋涂速度為1000?2000rpm，控制旋涂時間使在ITO上制得的PFN薄膜的厚度為2?8nm;
[0012]b，聚荷電子傳輸層制備
[0013]將聚芴PFBT溶解在四氫呋喃溶劑中配制成濃度為500?1500PPM的溶液，接著將所得PFBT溶液旋涂在PFN薄膜表面，旋涂速度為1000?2000rpm;然后在70?110°C條件下退火10?20min，控制旋涂時間使在PFN薄膜表面制得的聚芴PFBT薄膜的厚度為10?30nm，從而在ITO上制備得到PFN/PFBT雙電子傳輸層；
[0014]3)活性層制備
[0015]a，活性層溶液配制
[0016]室溫條件下，將購買的商用有機(jī)太陽能電池給體材料P⑶TBT與受體材料PCBM按質(zhì)量比1:4溶于有機(jī)溶劑二氯苯(北京百靈威公司)中，配置成濃度為5?10mg/mL的溶液，然后在100?400rpm的攪拌速度下攪拌24?48h，配置成PCDTBT: PCBM活性層溶液；
[0017]b，活性層制備
[0018]在PFBT薄膜上旋涂PCDTBT: PCBM活性層溶液，旋涂速度為1000?2500rpm;然后在氮氣氛圍、70?100 °C下退火10?40分鐘，控制旋涂時間使在PFN/PFBT雙電子傳輸層上制得的PCDTBT:PCBM活性層的厚度為200?300nm;
[0019]4)雙空穴傳輸層的制備
[0020]a，Mo03空穴傳輸層制備
[0021]采用水熱方法在PCDTBT:PCBM活性層表面制備MoO3薄膜，其具體過程包括:20?300C下，首先，將鉬酸銨((ΝΗ4)6Μθ7024)溶于I?5mL水配置成濃度為0.005?0.03moL/L的鉬酸銨水溶液;然后將濃鹽酸進(jìn)行稀釋，配置成濃度為I?3moL/L的鹽酸水溶液，再將配置好的鹽酸水溶液逐滴加入到鉬酸銨水溶液中，滴加過程中不斷攪拌，直至PH=I?1.5，制備得到MoO3水溶液；
[0022]將MoO3水溶液以2000?3000轉(zhuǎn)每秒的轉(zhuǎn)速旋涂在PCDTBT: PCBM活性層表面，便得到M0O3空穴傳輸層，厚度為4?6nm ；
[0023]b，氧化石墨烯空穴傳輸層制備
[0024]將反應(yīng)瓶放入裝有冰水混合溶液的大燒杯中，向反應(yīng)瓶加入50?150mL的濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95?98 % )，攪拌下加入I?5g石墨粉和0.5?1.5g硝酸鈉的固體混合物，再分3次一共加入4?1g高錳酸鉀，控制反應(yīng)溫度不超過15?25°C，攪拌反應(yīng)10?30min后升溫到30?40°C，繼續(xù)攪拌20?40min后緩慢加入10?30mL的去離子水，攪拌10?30min后加入10?30mL雙氧水還原殘留的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色;趁熱過濾，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %的HCl水溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止;最后將濾餅置于50?70°C的真空條件下充分干燥，得到氧化石墨烯；
[0025]將干燥后的氧化石墨烯溶解在水和甲醇溶劑(水和甲醇的體積比例1:1)中配制成I?3mg/mL的溶液，接著將所得溶液旋涂在MoO3空穴傳輸層表面，旋涂速度為4000?6000rpm，控制旋涂時間使氧化石墨稀空穴傳輸層的厚度為0.3?2nm;
[0026]5)石墨電極制備
[0027]在氧化石墨稀空穴傳輸層表面噴涂一層石墨作為電極，厚度為80?120nm，進(jìn)而制備得到本發(fā)明所述的有機(jī)太陽能電池。
【附圖說明】
[0028]圖1:本發(fā)明所述有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0029]圖2:本發(fā)明制備的反型有機(jī)太陽能電池與傳統(tǒng)反型有機(jī)太陽能電池光電流曲線的對比
[0030]如圖1所示，本發(fā)明所述有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，I為ITO導(dǎo)電玻璃襯底，2為PFN電子傳輸層，3為聚芴電子傳輸層，4為活性層，5為MoO3空穴傳輸層，6為氧化石墨烯空穴傳輸層，7為C電極。
[0031]如圖2所示，在10mw/cm2的氙燈光照下測得了 V-1特性曲線，a為傳統(tǒng)IT0/PFN/P⑶TBT:PCBM/Mo03/Ag器件，b為本發(fā)明所述器件。圖2結(jié)果說明本發(fā)明制備的反型有機(jī)太陽能電池與傳統(tǒng)反型有機(jī)太陽能電池光電流曲線的對比，其電池短路電流，填充因子，能量轉(zhuǎn)換效率明顯提尚。
【具體實施方式】
[0032]I)襯底的處理
[0033]將ITO導(dǎo)電玻璃放入燒杯中，分別用去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗30分鐘，清洗后用氮氣吹干；
[0034]2)雙電子傳輸層的制備
[0035]a，PFN電子傳輸層制備
[0036]將2mg PFN溶解在ImL甲醇溶劑中配制成濃度為2mg/mL的溶液，加入2uL乙酸，接著將所得PFN溶液利用旋轉(zhuǎn)涂敷法旋涂在ITO表面，旋涂速度為2000rpm;即可在ITO上制得PFN薄膜，薄膜的厚度為4nm ；
[0037]b，聚芴電子傳輸層制備
[0038]將聚芴PFBT溶解在四氫呋喃溶劑中配制成1000PPM的溶劑待用，接著將所得PFBT溶劑利用旋轉(zhuǎn)涂敷法旋涂在PFN薄膜表面，旋涂速度為1500rpm;然后將帶有PFBT的ITO導(dǎo)電玻璃在80°C條件下退火20min;即可在PFN薄膜表面制得聚芴薄膜，薄膜的厚度為20nm，從而制備得到PFN/PFBT雙電子傳輸層；
[0039]3)活性層制備
[0040]a，活性層溶液配制[0041 ]室溫條件下，將給體材料PCDTBT與受體材料PCBM(質(zhì)量比1:4)溶于有機(jī)溶劑二氯苯(北京百靈威公司)中，配置成7mg/mL的溶液，然后在300rpm的攪拌速度下攪拌48h，即可配置成PCDTBT: PCBM的混合溶液；
[0042]b，活性層制備
[0043]在PFN/PFBT雙電子傳輸層上旋涂PCDTBT: PCBM混合溶液，轉(zhuǎn)速為2000rpm ；然后，將樣品放入充滿氬氣的手套箱中，在熱臺上以70 °C退火20分鐘，從而在PFN/PFBT雙電子傳輸層上制得PCDTBT: PCBM活性層，厚度為260nm ；
[0044]4)雙空穴傳輸層的制備
[0045]a，Mo03傳輸層制備
[0046]室溫25°C下，首先，將鉬酸銨((ΝΗ4)6Μθ7θ24)溶于ImL水配置成0.0lmoL/L的溶液，然后對濃鹽酸進(jìn)行稀釋，配置成2moL/L的水溶液待用。然后將配置好的鹽酸溶液逐滴加入到鉬酸銨水溶液中，滴加過程中不斷進(jìn)行攪拌，直到PH接近I左右，便制備出MoO3水溶液。利用旋轉(zhuǎn)涂覆法將MoO3水溶液以3000轉(zhuǎn)每秒的轉(zhuǎn)速旋涂在活性層表面，得到MoO3空穴偉輸層，Mo〇3傳輸層厚度約為5nm。
[0047]b，氧化石墨烯傳輸層制備
[0048]在冰水浴中裝配好反應(yīng)瓶，加入10mL的濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98% )，攪拌下加入2g石墨粉和Ig硝酸鈉的固體混合物，再分3次加入6g高錳酸鉀，控制反應(yīng)溫度不超過20°C，攪拌反應(yīng)30min然后升溫到35 °C左右，繼續(xù)攪拌30min，再緩慢加入1mL的去離子水，續(xù)拌20min后，并加入15mL雙氧水還原殘留的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色。趁熱過濾，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %的HCl溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。最后將濾餅置于60°C的真空干燥箱中充分干燥。
[0049]將干燥后的氧化石墨烯溶解在水和甲醇溶劑(水和甲醇的體積比1:1)中配制成2mg/mL的溶液，接著將所得溶液利用旋轉(zhuǎn)涂敷法旋涂在MoO3表面，旋涂速度為5000rpm;薄膜的厚度為Inm;
[0050]5)石墨電極制備
[0051 ]利用噴墨打印機(jī)，在氧化石墨烯表面噴涂一層石墨作為電極，厚度為lOOnm，進(jìn)而制備得到本發(fā)明所述的有機(jī)太陽能電池。
【主權(quán)項】
1.一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于:從下至上，依次為ITO導(dǎo)電玻璃襯底、PFN/聚芴材料PFBT雙電子傳輸層、PCDTBT: PCBM活性層、MoO3/氧化石墨烯雙空穴傳輸層和石墨陽極組成。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于:PFN層的厚度2?8nm，聚芴層的厚度為10?30nm，PCDTBT:PCBM活性層的厚度為200?300nm，Mo03層的厚度為4?6nm，氧化石墨稀層的厚度0.3?2nm，石墨陽極的厚度為80?120nmo3.權(quán)利要求1或2所述的一種基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池的制備方法，其步驟如下: 1)襯底的處理 將ITO導(dǎo)電玻璃分別用去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗20?30分鐘，清洗后用氮氣吹干； 2)雙電子傳輸層的制備 a，PFN電子傳輸層制備 將I?3mg PFN溶解在ImL甲醇溶劑中配制成濃度為I?3mg/mL的溶液，然后加入I?3uL乙酸，將所得PFN溶液旋涂在清潔處理的ITO表面，旋涂速度為1000?2000rpm，控制旋涂時間使在ITO上制得的PFN薄膜的厚度為2?8nm;b，聚荷電子傳輸層制備 將聚芴PFBT溶解在四氫呋喃溶劑中配制成濃度為500?1500PPM的溶液，接著將所得PFBT溶液旋涂在PFN薄膜表面，旋涂速度為1000?2000rpm;然后在70?110°C條件下退火10?20min，控制旋涂時間使在PFN薄膜表面制得的聚芴PFBT薄膜的厚度為10?30nm，從而在ITO上制備得到PFN/PFBT雙電子傳輸層； 3)活性層制備 a，活性層溶液配制 室溫條件下，將有機(jī)太陽能電池給體材料PCDTBT與受體材料PCBM按質(zhì)量比1:4溶于有機(jī)溶劑二氯苯中，配置成濃度為5?10mg/mL的溶液，然后在100?400rpm的攪拌速度下攪拌24?48h，配置成PCDTBT: PCBM活性層溶液；b，活性層制備 在PFBT薄膜上旋涂PCDTBT: PCBM活性層溶液，旋涂速度為1000?2500rpm;然后在氮氣氛圍、70?100°C下退火10?40分鐘，控制旋涂時間使在PFN/PFBT雙電子傳輸層上制得的PCDTBT:PCBM活性層的厚度為200?300nm; 4)雙空穴傳輸層的制備 a，Mo03空穴傳輸層制備 將鉬酸銨((ΝΗ4)6Μθ7024)溶于I?5mL水配置成濃度為0.005?0.03molVL的鉬酸銨水溶液;然后將濃鹽酸進(jìn)行稀釋，配置成濃度為I?3moL/L的鹽酸水溶液，再將配置好的鹽酸水溶液逐滴加入到鉬酸銨水溶液中，滴加過程中不斷攪拌，直至PH= I?1.5，制備得到MoO3水溶液;將MoO3水溶液以2000?3000轉(zhuǎn)每秒的轉(zhuǎn)速旋涂在PCDTBT: PCBM活性層表面，便得到Mo〇3空穴傳輸層，厚度為4?6nm ；b，氧化石墨烯空穴傳輸層制備 將反應(yīng)瓶放入裝有冰水混合溶液的大燒杯中，向反應(yīng)瓶加入50?150mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)95?98%的濃硫酸，攪拌下加入I?5g石墨粉和0.5?1.5g硝酸鈉的固體混合物，再分2?4次一共加入4?1g高錳酸鉀，控制反應(yīng)溫度不超過15?25°C，攪拌反應(yīng)10?30min后升溫到30?400C，繼續(xù)攪拌20?40min后緩慢加入10?30mL的去離子水，攪拌10?30min后加入10?30mL雙氧水還原殘留的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色;趁熱過濾，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %的HCl水溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止;最后將濾餅置于50?70°C的真空條件下充分干燥，得到氧化石墨烯； 將干燥后的氧化石墨烯溶解在水和甲醇溶劑中配制成I?3mg/mL的溶液，水和甲醇的體積比例1:1，接著將所得溶液旋涂在MoO3空穴傳輸層表面，旋涂速度為4000?6000rpm，控制旋涂時間使氧化石墨烯空穴傳輸層的厚度為0.3?2nm; 5)石墨電極制備 在氧化石墨稀空穴傳輸層表面噴涂一層石墨作為電極，厚度為80?120nm，從而制備得到基于雙電子和雙空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池。
【文檔編號】H01L51/48GK106025086SQ201610389622
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月5日
【發(fā)明人】郭文濱, 李質(zhì)奇, 沈亮, 溫善鵬, 周敬然, 董瑋, 張歆東, 阮圣平
【申請人】吉林大學(xué)