一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池的制作方法

文档序号:9351668
一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域,具体涉及一种有机薄膜太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着全球能源需求的爆炸式增长,能源问题己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有洁净、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点,研究光伏发电解决能源问题成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前,根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同,可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比,有机半导体材料不仅材料本身的合成条件和器件化工艺条件相对温和,其分子化学结构容易修饰,用其来制作电池时,可以满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求。从20世纪90年代起,随着薄膜技术的迅猛发展,采用新材料新结构新工艺制备的电池的性能得到大幅度的提高。
[0003]然而,与无机太阳能电池的大规模生产相比,有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低,其实用化还尚需时日。传统的有机太阳能电池的光活性层是决定器件光电转换效率的关键。经典的体异质结结构替代了原有的双层异质结结构,使得电子给体与受体材料在光活性层中均匀的混合,从而增大了给体受体的接触面积,为载流子传输提供了大量的通道,从而极大的提高器件的光电转换效率。
[0004]然而,传统的体异质结太阳能电池存在以下两大问题:1,电子给体材料的能带较宽,从而限制了其吸收的光谱范围无法覆盖全波段可见光,从而限制了器件的短路电流密度;2,电子给体与电子受体之间存在着能级势皇,过高的能级差限制了激子在给体受体界面处分离的效率,从而限制了器件的填充因子。

【发明内容】

[0005]本发明所要解决的问题是:如何提供一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池,目的是通过在光活性层中加入铱类配合物,以实现:(1)提升光活性层的光吸收范围;(2)提高光活性层中激子产生与分离效率。
[0006]为解决上述问题,本发明的技术方案为:
一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池,该太阳能电池采用反型结构,从下到上依次为:衬底,透明导电阴极ΙΤ0,阴极缓冲层,光活性层,阳极缓冲层,金属阳极;光活性层的重量百分比组成为:电子给体38~40%,电子受体57~59.88%,铱类配合物0.2~5%。
[0007]进一步地,所述铱类配合物为Ir (ppy) 3。
[0008]进一步地,所述光活性层中,电子给体材料为P3HT。
[0009]进一步地,所述光活性层中,电子受体材料为PC61BM或PC71BM中的一种。
[0010]进一步地,所述阳极缓冲层材料为聚PEDOT:PSS,阳极缓冲层厚度为15?50 nm。
[0011]进一步地,所述阴极缓冲层材料为TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或T12的一种或多种,阴极缓冲层厚度范围为I?20 nm。
[0012]进一步地,所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种,金属阳极厚度为100 ?300 nmD
[0013]进一步地,所述衬底材料为玻璃或透明聚合物,所述透明聚合物材料为聚乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
[0014]与现有技术相比,本发明的优点在于:
通过引入吸收波段异于电子给体与电子受体材料的光活性层,从而提升光活性层中的光吸收范围,最终提升器件的短路电流密度;
通过引入铱类配合物于体异质结中,通过铱类配合物的磷光效应,将吸收的短波段的光能通过单线态与三线态之间的能量传递给电子给体与受体,从而提高激子的产生与分离效率,从而提高器件的填充因子。
【附图说明】
[0015]图1是本发明所涉及的一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池结构,从下到上依次为:I表示衬底,2表示透明导电阴极ITO,3表示阴极缓冲层,4表示光活性层,5表示阳极缓冲层,6表示金属阳极。
[0016]图2是Ir (ppy) 3的光吸收,Ir (ppy) 3对短波段的光有较强的吸收,能通过单线态与三线态能量传递的方式将其转换为长波段的光贡电子给体和受体,增强其激子产生与分离效率。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0018]本发明的技术方案是提供一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池,如图1所示,一种铱类配合物掺杂的三元太阳能电池,该太阳能电池采用反型结构,从下到上依次为:衬底,透明导电阴极ΙΤ0,阴极缓冲层,光活性层,阳极缓冲层,金属阳极;光活性层的重量百分比组成为:电子给体38~40%,电子受体57~59.88%,铱类配合物0.2~5%。所述铱类配合物为Ir (ppy)3,所述光活性层中,电子给体材料为P3HT,所述光活性层中,电子受体材料为PC61BM,或PC71BM的一种,所述阳极缓冲层材料为聚PED0T:PSS,阳极缓冲层厚度为15?50nm,所述阴极缓冲层材料为TPB1、BCP、Bphen, Alq3, ZnO或1102的一种或多种,阴极缓冲层厚度范围为I?20 nm,所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种,金属阳极厚度为100?300 nm,所述衬底材料为玻璃或透明聚合物,所述透明聚合物材料为聚乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
[0019]实施例1 (对照组):
对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗,清洗后用氮气吹干;在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm,40s, 15nm)制备阴极缓冲层,并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C,60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60%)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm),并进行烘烤(140°C,5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C,5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(10nm)。在标准测试条件下:AM 1.5,100mW/cm2,测得器件的开路电压(V。。) =0.56V,短路电流(Jsc)=S.2mA/cm2,填充因子(FF) =0.53,光电转换效率(PCE) =2.43 %。
[0020]实施例2:
对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗,清洗后用氮气吹干;在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm,40s, 15nm)制备阴极缓冲层,并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C,60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备 P3HT:1r (ppy) 3 = PC61BM (40%: 0.2%: 59.88%)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm),并进行烘烤(140°C,5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s, 30nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C,5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag (10nm)。在标准测试条件下:AM 1.5,100mW/cm2,测得器件的开路电压(Voc)=0.56V,短路电流(Jsc) =8.5mA/cm2,填充因子(FF)=0.55,光电转换效率(PCE)=2.62 %。
[0021]实施例3:
对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗,清洗后用氮气吹干;在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm,40s, 15nm)制备阴极缓冲层,并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C,60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备 P3HT:1r (ppy) 3: PC61BM (38%: 5%: 57%)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm),并进行烘烤(1400C,5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s, 30nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C,5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag (10nm)。在标准测试条件下:AM 1.5,100mW/cm2,测得器件的开路电压(Vo
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