钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用的制作方法与工艺

本发明涉及一种有机太阳能电池，特别涉及一种钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用。

背景技术：
太阳能是国际公认的清洁能源之一，将太阳能转换成电能的装置为太阳能电池。目前，太阳能主要有硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池和新技术太阳能电池三种。有机太阳能电池(OrganicSolarCells，OSCs)是前景广阔的一种新技术太阳能电池，其主要构成都是高分子聚合物，具有质轻、价廉、可在柔性衬底上制备、有机材料丰富、制作工艺简单等优异性质，是当今研究领域中的热点。近年来，有机太阳能电池受到了各国研究者的青睐，发展十分迅速。有机太阳能电池的现有结构为图1所示，包括ITO玻璃基板1，阳极修饰层2，活性层3，阴极修饰层4和阴极5。其中，阳极传修饰2通过漩涂的方式沉积在ITO玻璃基板1上，活性层3则是漩涂在阳极修饰层2上面，再在活性层3上镀上阴极传输层4和阴极5而成为一个完整的器件。一般情况下，正常结构中的阳极传输层2为聚(3,4-乙撑二氧噻吩)和聚苯乙烯磺酸盐的混合溶液(PEDOT:PSS)，PEDOT:PSS是一种透明的很好的阳极修饰层，但是它的酸性很强，容易腐蚀有机太阳能电池中的活性层，使得PEDOT:PSS/活性层中的界面变得很粗糙，缺陷变多，传输到此界面的电荷掉进缺陷中就出不来，电荷复合就降低了电池中的电流从而影响有机太阳能电池的效率。因此，选择一种稳定的且对界面没有影响的阳极修饰层对太阳能电池的工作效率非常重要。钙钛矿氧化物SrTiO3是一种功能材料，在很多电子器件中应用广泛，且用溶液法制备的SrTiO3质量高，制作方法简便价廉，环境稳定性好。SrTiO3能级与有机物中的活性层材料的能级匹配非常好，且禁带宽度为3.2eV，在可见光350nm至800nm的波段范围内是透明的，不会影响活性层的吸光能力。因此，从这些方面看，SrTiO3是有机太阳能电池中的一种非常合适的潜在的阳极修饰层。中国专利CN102024906A公开一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，该结构由下至上依次包括：透明衬底；沉积在该衬底上的阳极；沉积在该阳极上的缓冲层；沉积在该缓冲层上的有机电子给体层；沉积在该有机电子给体层上的有机电子受体层；以及沉积在该有机电子受体层上的阴极。其中，阳极采用ITO或FTO，缓冲层采用氧化物掺杂有机材料，氧化物为MoO3、ReO3等低温材料，有机电子给体层采用CuPc或ZnPc，有机电子受体层采用C60或PTCDA或PTCBI，阴极采用铝或者镁银合金。除了阳极和阴极外各层可采用真空蒸镀，喷涂，打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。该发明可改善有机太阳能电池的稳定性。中国专利CN102299264A公开一种有机太阳能电池的制备方法及其制备的有机太阳能电池，制备方法为：对以透明材料为基板、并在所述基板上刻蚀有条状透明导电氧化物薄膜的衬底进行清洗烘干待用，将所述基板上的透明导电氧化物薄膜作为阴极层，采用湿法在阴极层上依次制备具有电子传输性能的阴极修饰层、电子给体材料与电子受体材料混合构成的光活性层、具有空穴传输性能的阳极修饰层、固化导电浆料形成的阳极层，最后退火得到有机太阳能电池。

技术实现要素：
本发明的目的在于针对正常结构有机太阳能电池中阳极修饰层的不足和缺陷，提供一种钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用。所述应用是将钙钛矿氧化物SrTiO3作为有机太阳能电池的阴极修饰层。应用钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层制备有机太阳能电池的方法，包括如下步骤：1)采用醋酸锶和钛酸四丁酯为原材料，通过溶液法制备SrTiO3前驱溶液，经过NaOH的乙醇溶液将SrTiO3前驱溶液稀释，将稀释好的SrTiO3前驱溶液漩涂在ITO玻璃基板上面，通过管式炉在氮气的环境下做退火处理；2)将步骤1)中获得的退火处理后的ITO玻璃基板/SrTiO3转移至手套箱中漩涂活性层P3HT:PC61BM的溶液，待P3HT:PC61BM膜中的溶剂蒸发掉再有活性层膜的整个基片放在热台上进行热退火处理；3)将步骤2)中热退火处理后的含有P3HT:PC61BM膜的整个基片传入真空镀膜机中镀电极，取出镀好电极的基片，即得具有完整倒置结构的有机太阳能电池。将制备好的具有完整倒置结构的有机太阳能电池转移至太阳光模拟器下进行光伏性能测试，发现由SrTiO3作为阴极修饰层的倒置结构的有机太阳能电池有稳定且良好的光伏特性曲线。本发明采用溶液法制备钙钛矿氧化物SrTiO3纳米颗粒，溶液法制备氧化物材料是一种操作简单、成本低廉的合成手段，制备的氧化物材料具有比较高的质量，可以应用在各中电子器件中。制备出的SrTiO3纳米颗粒与退火温度密切相关，退火温度越高，制备的SrTiO3纳米颗粒结晶性越好，质量越高。钙钛矿氧化物SrTiO3的HOMO(最高占据分子轨道)和LUMO(最低未被占据分子轨道)能级分别为7.7eV和4.5eV，与有机太阳能电池中的活性层材料能级匹配非常好，从这点来看，它是一种非常合适的阴极修饰层，避免了有机物修饰层的环境不稳定性的弊端。钙钛矿氧化物SrTiO3作为一种功能材料，在电子器件中有很多应用，比如在随机存储器、晶体管、燃料敏化太阳能电池中等，本发明将钙钛矿氧化物SrTiO3的应用拓宽到了有机太阳能电池领域。以钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层的有机太阳能电池有稳定和良好的光伏特性曲线，用漩涂方法将SrTiO3溶液甩膜，退火处理后再甩上活性层，最后镀上电极成为一个完整的电池，有稳定的光伏特性且在稳定性方面有很大的进步空间。本发明的优点为：本发明将钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层应用到倒置结构的有机太阳能电池中，避免了正置结构中酸性阳极修饰层PEDOT：PSS的使用，即避免了PEDOT:PSS/活性层界面缺陷对载流子的复合作用，对有机太阳能电池的稳定性有很大的潜在增强作用。附图说明图1为现有有机太阳能电池的结构组成示意图。图2为将钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层的有机太阳能电池的结构组成示意图。图3为将钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层的有机太阳能电池中各材料的能级图。具体实施方式下面对钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用进行详细说明：参见图2，一种钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用的具体实施方式如下：1)采用醋酸锶和钛酸四丁酯为原材料，将醋酸锶和钛酸四丁酯分别溶于醋酸和乙醇中各自搅拌，再两者的溶液混合，使得Sr和Ti原子的比例为1∶1。混合溶液在搅拌后成为SrTiO3前驱溶液，经过NaOH的乙醇溶液将SrTiO3前驱溶液稀释，将稀释好的SrTiO3前驱溶液漩涂在ITO玻璃基板(标记为10)上面，通过管式炉在氮气的环境下做3h的退火处理；2)将步骤1)中获得的退火后的ITO玻璃基板/SrTiO3转移至手套箱中漩涂活性层P3HT:PC61BM的溶液，甩好的P3HT:PC61BM膜放在手套箱中进行溶剂退火，待溶剂蒸发干了，将有活性层膜(标记为30)的整个基片放在热台上进行热退火处理，在110℃退火10min；3)将步骤2)中热退火处理后的含有P3HT:PC61BM膜的整个基片传入真空镀膜机中镀电极。阳极修饰层MoO3(标记为40)的厚度为3nm和阴极Ag(标记为50)的厚度为60nm，取出镀好电极的基片，一个完整的倒置结构的有机太阳能电池就制作完成了。将制备好的倒置结构的有机太阳能电池转移至太阳光模拟器下进行光伏性能测试，发现由SrTiO3作为阴极修饰层的倒置结构的有机太阳能电池有稳定且良好的光伏特性曲线。如图2所示，应用钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层制备有机太阳能电池包括ITO玻璃基板(标记为10)，SrTiO3纳米颗粒层(标记为20)，活性层P3HT:PC61BM层(标记为30)，阳极修饰层MoO3(标记为40)和阴极Ag(标记为50)将钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层置于ITO玻璃基板上，且SrTiO3和电池中的活性层和ITO透明电极的能级匹配非常好(如图3所示)。此结构克服了正常结构中PEDOT:PSS对PEDOT:PSS/活性层中的界面的腐蚀，拓宽了功能材料钙钛矿氧化物SrTiO3的应用范围。本发明是通过如下技术手段实施的：所述钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层替代其他材料的阴极修饰层应用在有机太阳能电池中，拓宽了钙钛矿氧化物SrTiO3的应用范围且此种太阳能电池表现出稳定和良好的光伏特性曲线。以下给出具体实施例：实施例1一种钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用的具体步骤为：1)采用醋酸锶和钛酸四丁酯为原材料，将醋酸锶和钛酸四丁酯分别溶于醋酸和乙醇中各自搅拌12h，再两者的溶液混合，使得Sr和Ti原子的比例为1∶1。混合溶液在继续搅拌12h后成为SrTiO3前驱溶液，经过NaOH的乙醇溶液(pH＝11)将SrTiO3前驱溶液稀释，将稀释好的SrTiO3前驱溶液漩涂在ITO玻璃基板10上面，通过管式炉在氮气的环境下以150℃退火3h；2)将步骤1)中获得的退火后的ITO玻璃基板/SrTiO3转移至手套箱中漩涂活性层P3HT:PC61BM的溶液，转速500rpm，时间为18s。甩好的P3HT:PC61BM膜放在手套箱中进行溶剂退火，待溶剂蒸发干了，将有活性层膜30的整个基片放在热台上进行热退火处理，在110℃退火10min，P3HT:PC61BM膜的厚度为250nm左右；3)将步骤2)中热退火处理后的含有P3HT:PC61BM膜的整个基片传入真空镀膜机中镀电极。真空度为10-5Pa，阳极修饰层MoO340的厚度为3nm和阴极Ag50的厚度为60nm，镀好电极后，一个完整的倒置结构的有机太阳能电池就制作完成。将制备好的倒置结构的有机太阳能电池转移至太阳光模拟器下进行光伏性能测试，发现由SrTiO3作为阴极修饰层的倒置结构的有机太阳能电池有稳定且良好的光伏特性曲线，能量转换效率为2.85％。本发明涉及一种钙钛矿氧化物SrTiO3在有机太阳能电池中的应用。这是由钙钛矿氧化物SrTiO3作为阴极修饰层应用在有机太阳能电池中，此种太阳能电池表现出稳定的光伏特性曲线。本发明利用溶液法制备钛矿氧化物SrTiO3纳米颗粒，通过不同的温度退火，再在钛矿氧化物SrTiO3纳米颗粒层上漩涂有机太阳能电池的活性层，镀上电极成为一个完整的电池。此发明整个过程中方法简单，易于操作，所制备的SrTiO3纳米颗粒质量好，有机太阳能电池由很好的光伏性能，拓宽了SrTiO3的应用范围，有机太阳能电池的稳定性也有很大的提升空间。