有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池及制备方法与流程

本发明涉及一种有机太阳能电池，具体涉及一种以有机小分子材料TmPyPb做阴极缓冲层的高稳定性有机太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术：

随着社会的发展，当今的人们面临着环境污染，资源短缺等问题，寻找和发展清洁可再生能源已经成为人们的当务之急。研究人员在不断的探索寻求新的无污染的能源来代替不可再生能源。太阳能因为其无污染，可再生，数量大，使用地域不受限制等优势成为研究者们的重点研究对象。目前硅电池的市场占有率值很高，但是，硅电池的制造过程及其高昂的造价，使得研究人员去探寻一种新的太阳能电池结构。

有机太阳能电池(OPV)，以其质量轻，成本低，制备工艺简单，能够制备柔性器件等独特的优势，近年来在太阳能电池领域异军突起，受到各界的广泛关注。随着全球各地的研究人员的努力，各种结构的有机太阳能电池效率相继突破10％，具有广阔乐观的发展前景。(NaturePhoton,9(2015)174.)

通常，有机太阳能电池包括阴极、阳极和夹在两个电极之间的有源层。一般分为正置和倒置两种结构。正置结构以透明电极(如ITO，FTO，AZO，IO等)为阳极，不透明金属(Al，Ag，Au等)为阴极；倒置结构以透明电极为阴极，不透明金属为阳极。

自二十世纪九十年代起，随着有机电子学的飞速发展，新的方法，材料，技术等应用，有机太阳能电池的效率得到了快速的提高。有机太阳能电池主要存在效率不高、稳定性差这两个问题，为实现有机太阳能电池的实际应用，必须综合考虑器件能量转换效率和使用寿命。众所周知，太阳能电池的稳定性由外部稳定性和固有稳定性共同决定。通过器件封装，阻止水氧的渗入，可以有效地提高外部稳定性。对于固有稳定性，界面是最为重要的环节。有机太阳能电池经过一段时间的使用，界面处容易产生表面缺陷和表面态，破坏原有的界面结构。很多界面层，其材料会发生化学反应，材料本身的性质发生改变。另外，因为光照等因素，界面层本身的结构也可能发生变化。这些因素，都影响了有机太阳能电池的稳定性。

技术实现要素：

技术问题：本发明就是针对上述问题提出来的，本发明设计了一种有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做阴极缓冲层的有机太阳能电池及制备方法。

技术方案：利用有机小分子材料TmPyPb的高光稳定特性、高三线态能级、高电导率等特性，将其引用作为有机太阳能电池的阴极缓冲层，有机太阳能电池的稳定性得到大幅度提高，同时也提高了电池效率。有机小分子材料TmPyPb的HOMO能级为-6.7eV，这表示它不仅可以传输电子，而且可以很好的阻挡空穴，有效的提高有机太阳能电池的性能。有机小分子材料TmPyPb具体很高的三线态能级(2.78eV)，降低了激子到阴极缓冲层的转移，从而使非辐射衰变最小化。实现器件性能的正增益。此外有机小分子材料TmPyPb具有很强的光稳定性，通过扫描电子显微镜图(SEM图)和X射线衍射图(XRD图)可以观察到，经1h光照处理后，有机小分子材料TmPyPb的颗粒大小及晶体结构都未发生明显变化，这个特性为高稳定性有机太阳能电池的实现提供了可能。

另外，在有机太阳能电池中，阴极功能层是相对脆弱的环节，极易受到光化学反应的侵蚀，产生表面态，破坏原有的界面结构，从而降低了电荷的传输与收集，造成载流子复合，对电池的短路电流与填充因子产生不利的影响。本发明利用有机小分子材料TmPyPb的光稳定性质，使用其做有机太阳能电池的阴极缓冲层，提高了整个器件的抗光反应的能力，进而提高整个器件的性能。

有机小分子材料TmPyPb可以直接通过真空热蒸渡的方法沉积在吸光层上，形成均匀光滑的缓冲层薄膜，制备工艺简单，操作便捷，可重复性高。

本发明的一种有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做阴极缓冲层的有机太阳能电池的结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阳极、空穴传输层、吸光层、阴极缓冲层、金属阴极，其中，所述的阴极缓冲层采用有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯简称TmPyPb。

其中：

所述吸光层中，电子给体材料为聚3-已基噻吩P3HT。

所述吸光层中，电子受体材料为[6,6]-苯基C₆₁-丁酸甲酯PC₆₁BM。

所述空穴传输层材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)PEDOT：PSS。

所述金属阴极的材料为Al、Ag、Au中的一种。

所述透明阳极材料为氧化铟锡ITO。

所述衬底材料为透明玻璃。

本发明的有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做阴极缓冲层的有机太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

1)透明阳极及透明衬底使用ITO导电玻璃，将刻蚀好并清洗干净的ITO导电玻璃用氮气吹干并进行15min的紫外线臭氧UV-ozone处理；

2)空穴传输层的制备：在经UV-ozone处理后的干净ITO导电玻璃上以3500rpm的转速旋涂PEDOT:PSS，再进行在空气中120℃退火1小时的处理形成空穴传输层，旋涂时间为60s；

3)吸光层的制备：在充满N₂的高质量手操箱中，以800rpm的转速将P3HT：PC₆₁BM溶液旋涂到PEDOT：PSS层上，室温条件下自然晾干1小时后进行120℃退火20分钟处理，形成吸光层，旋涂时间为60s；

4)阴极缓冲层的制备：利用真空蒸渡设备在吸光层上蒸渡有机小分子材料TmPyPb，形成阴极缓冲层；阴极缓冲层的厚度为1nm～50nm，蒸渡的速率为0.01nm/s～0.1nm/s，其蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa；

5)金属阴极的制备：利用真空蒸渡设备在阴极缓冲层上蒸渡金属，形成金属阴极，金属阴极的厚度为80nm～120nm，蒸渡速率为0.1nm/s～1.3nm/s，其蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa。

其中：

吸光层溶液通过如下方法进行制备：

将聚3-已基噻吩P3HT和[6,6]-苯基C₆₁-丁酸甲酯PC₆₁BM按质量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml浓度的溶液，混合后的溶液在60℃温度下均匀搅拌12小时即可。

本发明的有机太阳能电池器件制备方案中引入有机小分子材料TmPyPb作为阴极缓冲层材料，在蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa的时候以0.8nm/s的速率进行沉积，形成阴极缓冲层。工艺简单，制备方便快捷。有机小分子材料TmPyPb具有高三线态能级、高电导率，低HOMO能级等特性，协调金属阴极的功函数，提高了电子迁移率和阴极的电子收集效率。同时有机小分子材料TmPyPb具有光稳定性能，提升了电池的抗老化能力。

有益效果：本发明的上述技术方案相比于现有技术具有以下优点：

(1)、本发明使用的有机小分子材料TmPyPb材料，具有极好的光稳定性能，提高了有机太阳能电池的稳定性和电池的抗老化能力。

(2)、本发明使用有机小分子材料TmPyPb作为阴极缓冲层材料，由于材料本身具有很高的三线态能级，充分的保证了有效的能量传递。

(3)、本发明使用的TmPyPb材料，其能级协调了金属阴极的功函数，有利于电子的传输与收集，提高了有机太阳能电池的性能。

(4)、本发明使用的有机小分子材料TmPyPb十分容易通过真空蒸渡设备沉积出光滑均匀的阴极缓冲层，减少电子捕获，提高了有机太阳能电池的性能。

(5)、本发明使用Al作为金属阴极，成本低廉。

(6)、本发明使用的封装方式采用先涂抹环氧树脂，再用紫外灯光照15分钟。这种封装方式不仅操作过程简单，能达到很好的封装效果。

附图说明

图1是实施案例所作出的有机太阳能电池的器件结构图；

图2是实施案例二所作出的有机太阳能电池器件的J-V曲线图；

图3是实施案例二所作出的有机太阳能电池器件的稳定性测试曲线图；

图4是有机小分子材料TmPyPB在光照1h处理前后的XRD图；

图5是有机小分子材料TmPyPB在光照1h处理前后的SEM图。

具体实施方式

实施例一

将刻蚀并清洗好的好的ITO导电玻璃依次用洗液溶液、去离子水、丙酮、乙醇各两遍超声15min。将P3HT和PC₆₁BM按质量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml浓度的溶液，混合后的溶液在60℃的温度下均匀搅拌12小时，待用。将清洗好的ITO导电玻璃用氮气吹干并UV15min。使用旋涂仪将UV好的ITO导电玻璃以3500rpm的转速旋涂PEDOT：PSS溶液，旋转时间为1min，旋涂完毕后在空气中进行120℃退火，退火时间为1h，形成空穴传输层。然后将退完火的片子传送到充满N2的高质量手操箱中，以800rpm的转速将搅拌好的P3HT：PCBM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS层上，旋涂时间为60s，之后室温条件下自然晾干1小时，接着进行120℃退火20分钟处理，形成高质量吸光层。当蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa时，开始使用真空蒸渡设备在吸光层上蒸渡有机小分子材料TmPyPb，形成阴极缓冲层。阴极缓冲层的厚度为1nm，蒸渡的速率为0.01nm/s。紧接着在阴极缓冲层上以0.1nm/s的速率蒸渡80nm厚度的铝电极。即可得到以有机小分子材料TmPyPB做阴极缓冲层的高稳定性有机太阳能电池，其具有反转结构。在室温环境下，测器件的J-V曲线。其器件结构图为说明书附图图1。

实施例二

将刻蚀并清洗好的好的ITO导电玻璃依次用洗液溶液、去离子水、丙酮、乙醇各两遍超声15min。将P3HT和PC₆₁BM按质量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml浓度的溶液，混合后的溶液在60℃的温度下均匀搅拌12小时，待用。将清洗好的ITO导电玻璃用氮气吹干并UV15min。使用旋涂仪将UV好的ITO导电玻璃以3500rpm的转速旋涂PEDOT：PSS溶液，旋转时间为1min，旋涂完毕后在空气中进行120℃退火，退火时间为1h，形成空穴传输层。然后将退完火的片子传送到充满N2的高质量手操箱中，以800rpm的转速将搅拌好的P3HT：PCBM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS层上，旋涂时间为60s，之后室温条件下自然晾干1小时，接着进行120℃退火20分钟处理，形成高质量吸光层。当蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa时，开始使用真空蒸渡设备在吸光层上蒸渡有机小分子材料TmPyPb，形成阴极缓冲层。阴极缓冲层的厚度为5nm，蒸渡的速率为0.03nm/s。紧接着在阴极缓冲层上以0.8nm/s的速率蒸渡120nm厚度的铝电极。即可得到以有机小分子材料TmPyPB做阴极缓冲层的高稳定性有机太阳能电池，其具有反转结构。在室温环境下，测器件的J-V曲线。其器件结构图为说明书附图图1，其器件的J-V曲线图为说明书附图图2，其器件的稳定性测试结构图为说明书附图图3。

实施例三

将刻蚀并清洗好的好的ITO导电玻璃依次用洗液溶液、去离子水、丙酮、乙醇各两遍超声15min。将P3HT和PC₆₁BM按质量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml浓度的溶液，混合后的溶液在60℃的温度下均匀搅拌12小时，待用。将清洗好的ITO导电玻璃用氮气吹干并UV15min。使用旋涂仪将UV好的ITO导电玻璃以3500rpm的转速旋涂PEDOT：PSS溶液，旋转时间为1min，旋涂完毕后在空气中进行120℃退火，退火时间为1h，形成空穴传输层。然后将退完火的片子传送到充满N2的高质量手操箱中，以800rpm的转速将搅拌好的P3HT：PCBM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS层上，旋涂时间为60s，之后室温条件下自然晾干1小时，接着进行120℃退火20分钟处理，形成高质量吸光层。当蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa时，开始使用真空蒸渡设备在吸光层上蒸渡有机小分子材料TmPyPb，形成阴极缓冲层。阴极缓冲层的厚度为50nm，蒸渡的速率为0.1nm/s。紧接着在阴极缓冲层上以1.3nm/s的速率蒸渡120nm厚度的铝电极。即可得到以有机小分子材料TmPyPB做阴极缓冲层的高稳定性有机太阳能电池，其具有反转结构。在室温环境下，测器件的J-V曲线。其器件结构图为说明书附图图1。