一种基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及有机聚合物太阳能光伏器件领域，特别是一种基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池。
【背景技术】
[0002]能源紧缺和环境恶化等问题已经成为人类生存和发展所面临的重要问题。无论从不可再生能源的储藏量方面考虑，还是从当前环境保护的观点出发，人类都必须尽快找到可替代的绿色可再生能源。占有地球总能量99%以上的太阳能，具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，成为各国科学家开发和利用的新能源之一。目前，根据组成太阳能电池的光活性层材料的不同，可以将太阳能电池分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池以其材料合成容易，原料来源广泛、制作工艺简单且成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大规模生产等突出优势，赢得了科学家和各国能源部门的高度重视和浓厚兴趣，并注入了大量的研发资金。从20世纪90年代起，随着有机光电子学的迅猛发展，采用新材料、新结构和新界面修饰工艺制备的有机太阳能电池的光电转换效率得到大幅度的提高。
[0003]然而，与已用于大规模生产的无机太阳能电池的相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率相对较低，其实用化还尚需时日。传统有机太阳能电池的仍然存在以下问题:阴极缓冲层的电子迀移率较低，限制了光生电子在阴极处的收集，从而限制了有机太阳能电池的短路电流密度和填充因子，最终限制了有机太阳能电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0004]本发明的发明目的在于:针对现有技术，本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池，目的是采用有机材料无机材料杂化的方式制备阴极缓冲层，提高阴极缓冲层的光电导，提高电子在阴极处的收集能力，从而提高有机太阳能电池的短路电流密度和填充因子，制备出高性能的有机太阳能电池。
[0005]本发明的技术方案为:一种基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于，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，有机无机杂化阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；有机无机杂化阴极缓冲层的重量百分比组成为:ZnO纳米颗粒97-99.5%，茈二甲酰亚胺类小分子0.5_3%。
[0006]作为优选，所述有机无机杂化阴极缓冲层中，茈二甲酰亚胺类小分子为N，N’ - 二辛基-3，4，9，10-茈二甲酰亚胺(PTCD1-C8)、N，N’ - 二苯基-3，4，9，10-茈二甲酰亚胺(PTCD1-Ph)、N，N’ - 二戊基-3，4，9，10-茈二甲酰亚胺(PTCD1-C5)或 N，N’ - 二甲基-3，4，9，10-茈二甲酰亚胺(MePTCDI)中的一种。
[0007]作为优选，所述光活性层中，电子给体材料为P3HT。
[0008]作为优选，所述光活性层中，电子受体材料为PC61BM或PC71BM中的一种。
[0009]作为优选，所述阳极缓冲层材料为聚PED0T:PSS，阳极缓冲层厚度为15_50nm。
[0010]作为优选，所述金属阳极材料为Ag、A1或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100_300nmo
[0011]作为优选，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烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0013]1、通过采用茈二甲酰亚胺类小分子和ZnO纳米颗粒杂化的方式制备阴极缓冲层，通过在光照条件下茈二甲酰亚胺类小分子和ZnO纳米颗粒的光生电荷转移过程，提高阴极缓冲层的光电导，提高电子在阴极处的收集能力，从而提高有机太阳能电池的短路电流密度和填充因子，最终制备出高光电转换效率的有机太阳能电池。
[0014]2、基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池器件超薄，除去衬底厚度外，器件总厚度不超过200nm ;
[0015]3、基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池光电转换效率高、制备工艺简单、制程短、成本低。
【附图说明】
[0016]图1是本发明一种基于有机无机杂化阴极缓冲层的有机太阳能电池的结构示意图。
[0017]图2为实施例1和实施例2中所述器件在AM 1.5(强度为lOOmW/cm2)照射下的电流密度-电压特性曲线。
[0018]图1中标记:1-衬底，2-透明导电阴极ΙΤ0，3-有机无机杂化阴极缓冲层，4-光活性层，5-阳极缓冲层，6-金属阳极。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]本发明的技术方案是提供一种高迀移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池，如图1所示，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，有机无机杂化阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；有机无机杂化阴极缓冲层的重量百分比组成为:ZnO纳米颗粒97-99.5%，茈二甲酰亚胺类小分子0.5_3%。所述有机无机杂化阴极缓冲层中，茈二甲酰亚胺类小分子为PTCD1-C8、PTCD1-Ph、PTCD1-C5或MePTCDI中的一种。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中的一种。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100-300nm。所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，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烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
[0022]实施例1 (对照组):
[0023]对表面粗糙度小于lnm的由透明衬底及透明导电阴极ΙΤ0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ZnO阴极缓冲层(5000rpm, 40s, 15nm)，并将所形成的薄膜进行热退火(200°C , 60min);在有机无机杂化阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60%)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm),并进行热退火(140°C , 5min);在光活性层表面旋转涂覆聚PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm, 60s, 30nm)，并进行热退火(150°C , 5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(lOOnm)。在标准测试条件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，测得器件的开路电压(Voc) = 0.58V，短路电流(Jsc) = 8.5mA/cm2，填充因子(FF) = 0.57，光电转换效率(PCE) = 2.81%。
[0024]实施例2:
[0025]对表面粗糙度小于lnm的由透明衬底及透明导电阴极ΙΤ0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ΙΤ0表面旋转涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(99.5%:0.5% )有机无机杂化阴极缓冲层(5000rpm, 40s, 15nm)，并将所形成的薄膜进行热退火(200°C , 60min);在有机无机杂化阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性层(lOOOrpm，25s，220nm)，并进行热退火(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)，并进行热退火(150°C，5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，测得器件的 Voc= 0.58V，短路电流 Jsc= 9.1mA/cm2，FF = 0.61，PCE = 3.22%0
[0026]实施例3:
[0027]对表面粗糙度小于lnm的由透明衬底及透明导电阴极ΙΤ0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ΙΤ0表面旋转涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(98.5%:1.5%)有机无机杂化阴极缓冲层(5000rpm, 40s, 15nm)，并将所形成的薄膜进行热退火(200°C , 60min);在有机无机杂化阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性层(lOOOrpm，25s，220nm)，并进行热退火(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)，并进行热退火(150°C，5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，测得器件的 Voc= 0.58V，短路电流 Jsc= 9.5mA/cm2，FF = 0.60，PCE = 3.31%0
[0028]实施例4:
[0029]对表面粗糙度小于lnm的由透明衬底及透明导电阴极ΙΤ0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ΙΤ0表面旋转涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-C8(97%:3% )有机无机杂化阴极缓冲层(5000rpm, 40s, 15nm)，并将所形成的薄膜进行热退火(200°C , 60min);在有机无机杂化阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性层(lOOOrpm，25s，220nm)，并进行热退火(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)，并进行热退火(150°C，5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，测得器件的Voc= 0.58V，短路电流 Jsc= 9.2mA/cm2，FF = 0.59，PCE = 3.15%。
[0030]实施例5:
[0031]对表面粗糙度小于lnm的由透明衬底及透明导电阴极ΙΤ0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ΙΤ0表面旋转涂覆Ζη0:ΡΤ⑶1-Ph(99.5%:0.5% )有机无机杂化阴极缓冲层(5000rpm, 40s, 15nm)，并将所形成的薄膜进行热退火(200°C , 60min);在有机无机杂化阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性层(lOOOrpm，25s，220nm)，并进行热退火(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)，并进行热退火(150°C，5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(lOOnm)。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，在标准测试条件下(AM 1.5, lOOmff/cm2)，测得器件的 Voc= 0.58V，短路电流 J sc= 8.8mA/cm2，FF =0.59，PCE = 3.01%。
[0032]实施例6:
[0033]对表面粗糙度小于lnm的由透明衬底及透明导电阴极IT0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IT0表面旋转涂覆ZnO:PT⑶1-Ph(98.5%:1.5%)有机无机杂化阴极缓冲层(5000rpm, 40s, 15nm)，并将所形成的薄膜进行热退火(200°C , 60min);在有机无机杂化阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60% )光活性层(lOOOrpm，25s，220nm)，并进行热退火(140°C , 5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T