以上转换材料掺杂活性层的有机光伏电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]
本发明涉及一种新型的KLaF4: Yb3+，Er3+上转化材料掺杂的P3HT:PCBM聚合物作为活性层的有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池的活性层改进领域。
【背景技术】
[0002]随着社会的不断发展与进步，对于能源的依赖不断的加大，能源可循环利用一直是全球关注的焦点。世界各国都在开发研究绿色环保的可再生新能源。相比于石油，煤炭等其他存在地球上有限的资源，太阳能的开发和利用是人类解决能源危机的有效途径之一，并且受到了全世界研究学者的大力关注和研究。太阳能在航天事业、国防科技、普通居民照明等众多领域都有着非常重大的应用。并且在新世纪世界各国对于能源消耗如此快速的情况下，太阳能由于其环保、可再生、可持续等诸多优点而成为焦点。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为:娃太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。但硅的提纯对环境是一个重污染过程，与人们所追求的环保能源相违背，并且成本价格高，需要大幅度降价是一个很难解决的困难。
[0003]有机聚合物太阳能电池由于有机材料轻便，易加工，保护环境，材料来源广泛，成本低廉等优势近几年成为全世界学者研究的对象，而得以快速的发展。对于有效利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义，因此成为当今可再生能源中最有前途的一种。
[0004]传统的正置结构有机太阳能电池由于器件结构简单，制备工艺简单等优点成为世界研究学者一时关注的焦点，但是其不足在于:在空气中的稳定性差，易被空气氧化等；为了解决这一问题研究学者开发了倒置结构的有机太阳能电池，对于提高电池稳定性以及电池效率都取得了很大的突破。单纯的有机聚合物制备的电池活性层由于受自身材料性能的限制，因此制备的太阳能电池效率也受到了限制。
[0005]目前，国内外研究学者认为，有机聚合物应用于太阳能电池中较为理想的倒置结构于材料使用是:ITO导电玻璃/T12/ P3HT:PCBM/Mo03/A1 ;其中:ΙΤ0是掺锡的氧化铟，作为电池的阳极。T12作为电子传输层，MoO3作为空穴传输层。由Ρ3ΗΤ (聚3-已基噻吩)组成的网构成电子施主，由PCBM (C60衍生物)组成的网构成了电子受体和电子传输层，Ρ3ΗΤ和PCBM组成的混合溶液作为光敏层。Al是阴极。
[0006]由于单纯的P3HT:PCBM活性层制得的电池光电转化效率有限。因此研究人员想到了利用上转化材料掺杂活性层来提高电池的转换效率，通过上转换材料吸收太阳光谱中的近红外光，然后转化成活性层可以吸收的可见光，提高太阳光的利用效率。用上转化材料掺杂活性层的应用在有机太阳能电池有过报道，其中journal of materials chemistry期刊上报道(Fanxu Meng, Shuang Liu, Yongfan Wang, Chen Tao, Peng Xu, WenbinGuoj Liang Shenj Open—circurt voltage enhancement of inverted polymer bulkheterojunct1n solar cells by doping NaYF4 nanopariticIes/PVP composites.Journal of Materials Chemistry.2012; 22:22382.)中，作者使用 NaYF4掺杂活性层后所制备的电池效率得到了提高。但是，目前大量的研究人员都仅限于对NaYF4材料的研究，而其同类材料KLaF4i有机太阳能电池中的应用目前还处于空白状态。KLaF4作为典型的AREF4氟化物(A为碱金属元素，RE为稀土元素)，和其他基质材料相比，KLaF4具有更低的声子能量，由此经无辐射弛豫损失的能量也会更少，得到的上转换效率也更高，用来掺杂活性层后，有机太阳能电池的转化效率可有效地提尚。
【发明内容】
[0007]针对上述上转化材料掺杂活性层对于电池效率提高的现状，本发明所要解决的问题是提供一种以KLaF4: Yb3+，Er3+新型材料掺杂P3HT: PCBM为活性层的有机光伏电池及其制备方法，得到的光伏电池成本低廉、稳定、耐腐蚀性较好，保护环境，易于大面积生产。
[0008]本发明提供的技术方案是:
一种以KLaF4:Yb3+，Er3+上转换材料掺杂P3HT:PCBM为活性层的有机光伏电池，包括透明导电衬底、电子传输层、有机活性层、空穴传输层和金属电极，所述的有机活性层是由KLaF4:Yb3+, Er3+上转换材料掺杂P3HT: PCBM而制得的薄膜，其中，KLaF4: Yb3+, Er3+上转换材料、P3HT、PCBM 的质量比为:0.5-1.0:15:15ο
[0009]所述透明导电衬底为ITO导电玻璃或透明柔性塑料、FTO导电玻璃或透明柔性塑料、AZO导电玻璃或透明柔性塑料、ITAZO导电玻璃或透明柔性塑料中的一种；
所述电子传输层为T12薄膜；
所述有机活性层为KLaF4:Yb3+，Er3+-P3HT:PCBM (由聚3-已基噻吩和C60衍生物组成的混合溶液作为光敏层);
所述空穴传输层是MoO3薄膜；
上述金属电极为Al电极或Ag电极；
以KLaF4: Yb3+，Er3+上转换材料掺杂P3HT:PCBM为活性层的有机光伏电池的制备方法，包括以下步骤:
(1)清洗透明导电衬底并烘干；
(2)用溶胶凝胶方法在透明导电衬底上漩涂T12前驱体溶液；漩涂好的T12透明薄膜在马弗炉中高温煅烧；
(3)在惰性气体保护下，在T12薄膜上漩涂KLaF4: Yb3+，Er3+-P3HT:PCBM有机活性层；
(3)在活性层上热蒸发沉积MoO3空穴传输层；
(4)电极的制备:在空穴传输层表面蒸发金属电极，通过惰性气体保护下后退火(150°C下烘烤15分钟)。
[0010]KLaF4: Yb3+，Er3+_P3HT:PCBM薄膜是采用溶胶凝胶方法制备的，包括以下步骤:
(1)配置适当掺杂比例的KLaF4:Yb3+，Er3+-P3HT: PCBM前驱体溶液；
(2)利用旋涂法沉积薄膜，漩涂转速是2000转/分钟，漩涂时间是20秒；
KLaF4:Yb3+, Er3+-P3HT:PCBM前驱体溶液的制备步骤为:
(1)称量P3HT材料15毫克与PCBM粉末15毫克放置于搅拌瓶中；
(2)往步骤(I)中的混合材料中加入0.75毫升氯苯溶剂搅拌30分钟；
(3 )向溶液中加入适量的KLaF4: Yb3+，Er3+粉末，搅拌24小时后就得到了不同掺杂量的前驱体溶液。
[0011]本发明的有益效果在于:
本发明以KLaF4:Yb3+，Er3+上转换材料掺杂的P3HT:PCBM为活性层制得的有机光伏电池，成本低廉、工艺简单、易于大面积生产，相对单纯的P3HT:PCBM活性层，电池的效率得到提尚。
【附图说明】
[0012]附图1为以KLaF4: Yb3+，Er3+-P3HT: PCBM薄膜作为活性层的有机太阳能电池结构示意图；1-透明玻璃或柔性衬底，2-阳极导电膜，3-Ti02薄膜，4-KLaF4:Yb3+，Er3+-P3HT:PCBM体异质结光活性层，5-Mo03薄膜，6-铝电极(或银电极)；
附图2为KLaF4:Yb3+，Er3+掺杂量为O的有机太阳能电池J-V曲线；
附图3为KLaF4:Yb3+，Er3+掺杂量为0.5mg的有机太阳能电池J-V曲线；
附图4为KLaF4:Yb3+，Er3+掺杂量为0.75mg的有机太阳能电池J-V曲线；
附图5为KLaF4:Yb3+，Er3+掺杂量为1.0mg的有机太阳能电池J-V曲线。
【具体实施方式】
[0013]本发明以KLaF4:Yb3+，Er3+_P3HT: PCBM作为活性层的有机光伏电池可采用下述步骤制备:
I活性层前驱体溶液的制备:
(1)称量P3HT材料15毫克与PCBM粉末15毫克放置于搅拌瓶中；
(2)对步骤I中的混合材料加入0.75毫升氯苯溶剂搅拌30分钟；
(3)向溶液中加入适量的KLaF4:Yb3+，Er3+粉末；
(4)对所得的溶液搅拌24小时后就得到了红黑色的胶体溶液。
[0014]衬底处理:
试验中采用的基片是导电玻璃(ΙΤ0导电玻璃或透明柔性塑料、FTO导电玻璃或透明柔性塑料、AZO导电玻璃或透明柔性塑料、或ITAZO导电玻璃或透明柔性塑料，为市售产品或公知技术)(参考文献:1.Guojia Fang, Dejie Li, et al., Fabricat1n andcharacterizat1n of ZAO thin films prepared by DC magnetron sputtering with ahighly conductive ceramic target? J.Crystal Growth, 2003，247 (3-4): 393-400 ；2.Nanhai Sun, Guojia Fang, Qiao Zheng, Mingjunffangj Nishuang Liuj Wei Liu andXingzhong Zhao, Transparent conducting ITAZO anode films grown by a compositetarget RF magnetron sputtering at room temperature for organic solar cells,Semiconductor Science & Technology, 24 (2009) 085025)，在试验前应首先对基片进行清洗。首先将导电玻璃片切成合适的形状大小，用清洁剂将其清洗干净，然后自来水冲洗，去离子水冲洗，接着将其放在超声波清洗器中依次用去离子水、一次乙醇、一次丙酮、丙酮和乙醇各超声清洗15分钟，最后烤箱烘干即可得到表面洁净的衬底。
[0015]薄膜漩涂工艺过程:
(1)将导电玻璃衬底放置于充满氩气手套箱中的匀胶台上，用机械泵抽气吸片；
(2)将匀胶台参数设置为:前转转速750转/分钟，时间为9