一种以In2Se3为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

有机太阳能电池由于其原料来源广、工艺容易、易于进行物理与化学改性、电池器件结构多样、成本低、环境友好等优点而受到广泛关注。目前有机太阳能电池所报道的能量转化效率已接近15％，成为新一代太阳能电池的研究热点。

有机太阳能电池工作原理为：(1)光透过ito电极照到活性层上，活性层吸收光子产生激子；激子扩散到给体/受体界面处；(2)受体中的激子将空穴转移到给体上，给体中的激子将电子转移到受体上，进而实现电荷分离；(3)电子和空穴分别顺着受体与给体向阴极与阳极扩散；(4)电子和空穴在电极/活性层界面上分别被阴极和阳极收集，并由此产生光电流和光电压。

界面层材料包括电子传输层材料和空穴传输层材料。目前空穴传输层材料发展较为落后，商业化产品只有pedot:pss一种。而pedot:pss具有的强酸性和亲水性，会对器件的稳定性产生较大的影响。此外，pedot:pss透光率较低，且pss的绝缘性和pedot的强各向异性会使电荷的传输和收集受限，从而限制了电池光电转换效率的提高。对此人们尝试使用其他材料，如聚合物、小分子有机材料、过渡金属氧化物等对pedot:pss进行替代；hou课题组使用盐酸掺杂pani，制备了高电导率的hapan，并以此为空穴传输层，得到了高效率的电池；heeger课题组使用共轭聚电解质cpeph-na作为空穴传输层，该材料呈中性，功函数为-5.2ev，有效降低了ito与活性层之间的界面壁垒，提高了电池性能；han课题组使用金属氧化物wo3，有效地平滑ito表面，显著提高电池并联电阻，降低了光照下的电荷复合概率，提高了填充因子，从而提高电池效率。

技术实现要素：

基于此，本发明提供一种以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池，包括阳极基底、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层，且所述空穴传输层为in2se3。

进一步的，所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ito)。

进一步的，所述空穴传输层厚度为20-30nm。

进一步的，所述活性层为p3ht/pcbm，且活性层厚度为150-200nm。

进一步的，所述电子传输层为ca或pfnbr，所述电子传输层厚度为5-8nm

进一步的，所述阴极层为al，所述阴极层厚度为80-85nm。

本发明的另一个目的在于提供一种以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一、清洗阳极基底，并对所述阳极基底表面进行表面处理；

步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阳极层表面依次旋涂空穴传输层、活性层；所述空穴传输层为in2se3；

步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀电子传输层以及阴极层；

上述工艺步骤完成后，制得所述以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池；

进一步的，上述步骤一中，所述阳极基底处理包括：首先依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15-20分钟；随后在80-90℃真空干燥箱中烘干；最后对所述清洗烘干的阳极基底表面进行13-15分钟的等离子表面处理。

进一步的，上述步骤二中，所述空穴传输层为in2se3，将in2se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液，配置成质量浓度为0.9-1mg/ml的混合液；将上述混合液超声4-5小时后，在7000-8000r.p.m的速度下离心4-5min后取出上清液；再将上述上清液于相同的速度下，离心13-15min，取出上清液，即得到所需in2se3溶液。将in2se3溶液旋涂在上述处理过的阳极基底表面上，转速为3000-3500rpm，时间为35-40s；将旋涂完硒化铟的阳极基底进行退火处理，温度为280-300℃，时间为45-60分钟。优选异丙醇和去离子水的混合溶液中异丙醇体积分数为30-40％。

上述步骤二中，所述活性层为p3ht/pcbm：将p3ht和pcbm溶于二氯苯中将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为0.8-1.2:1，p3ht浓度为15-25mg/ml，搅拌12-24小时；将退火后的空穴传输层表面进行13-15分钟的等离子表面处理；最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为850-1000rpm，时间为35-40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以125～150℃退火处理7～10分钟。

本发明的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池，通过使用高电导率、高透光率的in2se3；首先，in2se3具有较高的电导率，可以有效的提升有机太阳能电池的电荷传输效率，降低了对薄膜厚度的敏感性；其次in2se3透光率较高，能让活性层有效利用入射光；最后，本发明中将in2se3粉末溶于去离子水与异丙醇混合溶液后加以旋涂成膜，相对于现有技术中in2se3成膜时常用的各种高温高压的方法相比，更为环境友好。使用in2se3作为空穴传输层，在适当的条件下，可以得到与传统的pedot:pss作为空穴传输层相当的光电转换效率，除了以上优点外，使用in2se3可以避免pedot:pss的强酸性和亲水性对太阳能电池的寿命造成影响，而且in2se3还有带隙可随着薄膜厚度而改变等优点，其应用前景值得期待。

附图说明

图1为本发明的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的结构示意图；

图2为以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池器件的制备方法流程图；

图3为实施例1与对比例中的太阳能器件的电流密度与电压关系图。

具体实施方案

以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

本发明提供一种以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池，如图1所示其包括阳极基底01、空穴传输层02、活性层03、电子传输层04以及阴极层05。

上述以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的制备工艺如图2所示，包括如下步骤：

步骤1、清洗阳极基底ito；

步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底ito表面进行表面处理；

步骤3、在经过步骤2处理过的ito表面旋涂in2se3溶液后退火处理制备空穴传输层；

步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂制备活性层；

步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层ca；

步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层al；

上述步骤结束后得到以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池。

实施例1

本实施例中的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为：ito/in2se3/p3ht:pcbm/ca/al。

上述以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的制备工艺流程如下：

步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此后在80℃真空干燥箱中烘干；

步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ito)表面进行13分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ito表面残留有机物等，同时可以使ito表面氧空位提高，提高ito表面的功函数；

步骤3、在经过步骤2处理过的ito表面旋涂in2se3溶液；所述in2se3溶液配制过程为：将in2se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液，且异丙醇体积分数为30％，配置成质量浓度为1mg/ml的混合液。将上述混合液超声5小时后，在8000r.p.m的速度下离心5min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下，离心15min，取出上清液，即得到所需in2se3溶液。将in2se3溶液旋涂在上述处理过的阳极基底表面上，转速为3500rpm，时间为40s；将旋涂完硒化铟的阳极基底在300℃条件下退火处理1小时形成空穴传输层，其厚度为30nm；

步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为p3ht/pcbm。所述活性层制备工艺为：将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为1:1，p3ht浓度为20mg/ml，搅拌12小时；将退火后的空穴传输层表面进行13分钟的等离子表面处理；最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为150nm；所述活性层旋涂完成后放置3小时自然晾干，随后以125℃退火处理7分钟；

步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层ca，其厚度为5nm；

步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层al，其厚度为80nm；

上述步骤结束后得到以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池。

对比例

对比例与实施例1制备条件基本相同，不同之处在于空穴传输层材料为pedot:pss。

图3为实施例1的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池与对比例中以pedot:pss为空穴传输层的有机太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图；其中实线为对比例中以pedot:pss为空穴传输层的有机太阳能电池(结构为：ito/pedot:pss/p3ht:pcbm/ca/al)的电流密度与电压曲线，点划线为实施例1的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池(结构为：ito/in2se3/p3ht:pcbm/ca/al)的电流密度与电压曲线；从附图3可以看出对比例中以pedot:pss为空穴传输层的有机太阳能电池的开路电压(voc)为0.61v，短路电流密度(jsc)为9.36ma/cm²；实施例1的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池其开路电压(voc)为0.57v，短路电流密度(jsc)为10.74ma/cm²。这说明in2se3的高电导率可以有效提高电荷传输效率，从而提高短路电流密度。

实施例2

本实施例2中的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为：ito/in2se3/p3ht:pcbm/ca/al。

上述以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的制备工艺流程如下：

步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15分钟；此次在80℃真空干燥箱中烘干；

步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ito)表面进行15分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ito表面残留有机物等，同时可以使ito表面氧空位提高，提高ito表面的功函数；

步骤3、在经过步骤2处理过的ito表面旋涂in2se3溶液；所述in2se3溶液配制过程为：将in2se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液，且异丙醇体积分数为40％，配置成质量浓度为0.9mg/ml的混合液。将上述混合液超声4小时后，在7000r.p.m的速度下离心4min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下，离心13min，取出上清液，即得到所需in2se3溶液。将in2se3溶液旋涂在上述处理过的阳极基底表面上，转速为3000rpm，时间为35s；将旋涂完硒化铟的阳极基底在250℃条件下退火处理45分钟形成空穴传输层，其厚度为25nm；

步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为p3ht/pcbm。所述活性层制备工艺为：将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为0.8:1，p3ht浓度为25mg/ml，搅拌24小时；将退火后的空穴传输层表面进行15分钟的等离子表面处理；最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为850rpm，时间为35s，活性层厚度为200nm；所述活性层旋涂完成后放置2小时自然晾干，随后以150℃退火处理7分钟；

步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层ca，其厚度为8nm；

步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层al，其厚度为85nm；

上述步骤结束后得到以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池。

实施例3

本实施例3中的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为：ito/in2se3/p3ht:pcbm/ca/al。

上述以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的制备工艺流程如下：

步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗17.5分钟；此次在85℃真空干燥箱中烘干；

步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ito)表面进行14分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ito表面残留有机物等，同时可以使ito表面氧空位提高，提高ito表面的功函数；

步骤3、在经过步骤2处理过的ito表面旋涂in2se3溶液；所述in2se3溶液配制过程为：将in2se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液，且异丙醇体积分数为35％，配置成质量浓度为0.95mg/ml的混合液。将上述混合液超声4.5小时后，在7500r.p.m的速度下离心4min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下，离心14min，取出上清液，即得到所需in2se3溶液。将in2se3溶液旋涂在上述处理过的阳极基底表面上，转速为3250rpm，时间为37.5s；将旋涂完硒化铟的阳极基底在300℃条件下退火处理52.5分钟形成空穴传输层，其厚度为27.5nm；

步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为p3ht/pcbm。所述活性层制备工艺为：将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为1.2:1，p3ht浓度为15mg/ml，搅拌18小时；将退火后的空穴传输层表面进行14分钟的等离子表面处理；最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为925rpm，时间为37.5s，活性层厚度为175nm；所述活性层旋涂完成后放置2.5小时自然晾干，随后以137℃退火处理7分钟；

步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层ca，其厚度为6.5nm；

步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层al，其厚度为82.5nm；

上述步骤结束后得到以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池。

实施例4

本实施例4中的以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为：ito/in2se3/p3ht:pcbm/ca/al。

上述以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池的制备工艺流程如下：

步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15分钟；此次在90℃真空干燥箱中烘干；

步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ito)表面进行15分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ito表面残留有机物等，同时可以使ito表面氧空位提高，提高ito表面的功函数；

步骤3、在经过步骤2处理过的ito表面旋涂in2se3溶液；所述in2se3溶液配制过程为：将in2se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液，且异丙醇体积分数为40％，配置成质量浓度为0.9mg/ml的混合液。将上述混合液超声4小时后，在7000r.p.m的速度下离心4min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下，离心13min，取出上清液，即得到所需in2se3溶液。将in2se3溶液旋涂在上述处理过的阳极基底表面上，转速为4500rpm，时间为35s；将旋涂完硒化铟的阳极基底在300℃条件下退火处理45分钟形成空穴传输层，其厚度为20nm；

步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为p3ht/pcbm。所述活性层制备工艺为：将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为0.8:1，p3ht浓度为25mg/ml，搅拌24小时；将退火后的空穴传输层表面进行15分钟的等离子表面处理；最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为850rpm，时间为40s，活性层厚度为150nm；所述活性层旋涂完成后放置2小时自然晾干，随后以150℃退火处理7分钟；

步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层ca，其厚度为8nm；

步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层al，其厚度为85nm；

上述步骤结束后得到以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池。

下述表1为实施例1-4与对比例制备得到的有机太阳能电池各参数对比。

表1实施例1-4与对比例的各参数对比

从表1可以发现，实施例1的短路电流密度(jsc)从9.36ma/cm²提升到10.74ma/cm²，开路电压(voc)与填充因子(ff)较对比例略低，其余实施例也是如此，最终光电转换效率可与对比例相当。这说明了以in2se3为空穴传输层的有机太阳能电池对于载流子的传输能力更强，从而实现了与以pedot:pss为空穴传输层的有机太阳能电池相当的能量转换效率。pedot:pss作为空穴传输层，其强酸性和亲水性会对器件的稳定性产生较大的影响，导致太阳能电池寿命低。此外，pedot:pss透光率较低，且pss的绝缘性和pedot的强各向异性会使电荷的传输和收集受限，从而限制了电池光电转换效率的提高。而in2se3材料在电导率、寿命以及透光率上有其优势；根据文献报道，in2se3材料会因其薄膜厚度而使得带隙发生改变，这使得其应用有了更大的可能性。且本发明中是用溶液旋涂in2se3，所选溶液安全性较高，较传统的in2se3沉积成膜方法，更加环保和方便。

以上所述实施例仅代表了本发明的几种实施方式,其描述较为具体详细,但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应指出的是,对于从事本领域的技术人员来说,在没有脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。