一种基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池及其制备方法与流程

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技术领域，具体涉及一种基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

随着全球能源需求的急剧增长，能源危机己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究太阳能光伏发电解决能源危机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，有机太阳能电池不仅具有器件制备工艺简单，还有材料易合成和分子化学结构容易修饰的优点，可以满足低成本、少耗能、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、新结构和新工艺制备的有机太阳能电池的光电转换性能得到大幅度的提高。

与大规模生产的无机太阳能电池相比，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。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因素。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，从而极大的提高了器件的光电转换效率。

然而，传统的有机太阳能电池的光活性层仍然存在以下问题：光活性层中电子给体聚合物链间的共轭聚集度较低，电子受体的团聚较严重，从而导致了光活性层的光吸收较弱，空气稳定性较差，并且光活性层的载流子迁移率较低，从而限制了有机太阳能电池光电转换性能和寿命的提高。

有机无机杂化太阳能电池则可以将有机材料电子结构多样、光吸收效率较高、易加工和无机材料电子迁移率高、机械性能好、稳定性高的优点加以整合，对发展新型太阳能电池具有重要的理论意义和潜在应用价值。但现有技术中对有机无机杂化太阳能电池的光电转换性能和电池寿命的研究并不能说是充分的，还需要进一步提高。

技术实现要素：

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供一种基于无机化合物添加剂的有机太阳能电池及其制备方法，克服传统有机太阳能电池光活性层光吸收较弱、空气稳定性较差、载流子迁移率较低导致的有机太阳能电池光电转换性能较低和寿命较短的问题。

用于解决问题的方案

本发明提供了一种基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池，所述太阳能电池包含光活性层，以所述光活性层的总重量为100％计，所述光活性层包括：电子给体材料39-39.5％，电子受体材料58-60％，无机化合物添加剂0.5-3％，并且所述无机化合物添加剂包括cupbbr3、cupbi3、cupbcl3中的一种或多种。

在所述光活性层中加入具有高空气稳定性的所述无机化合物添加剂，能够有效钝化界面和晶界缺陷，同时增加了抗湿性，进而能有效减缓光活性材料与空气中的水氧反应，抑制聚合物中分子的团聚；同时，所述无机化合物添加剂能够有效提高所述光活性层的光吸收能力，提高光活性层中的载流子迁移率，从而提升了电池器件的光电转换性能和寿命。当所述无机化合物添加剂的含量低于0.5％时，以上所述的作用发挥不充分，当所述无机化合物添加剂的含量高于3％时，会影响体异质结的形貌，破坏载流子的传输路径，所得到的电池器件的光电转换性能较差。

根据本发明所述的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池，为了进一步提高电池器件的寿命，所述无机化合物添加剂的含量优选为1.5-3％。

根据本发明所述的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池，为了进一步提高电池器件的光电转换性能，所述无机化合物添加剂优选为cupbi3。

根据本发明所述的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池，所述光活性层的厚度为80-120nm，优选为95-100nm，具有该厚度范围的所述光活性层的电池器件，具有较高的光电转换性能，且该厚度范围与现有工业界成熟的薄膜制备设备和工艺的匹配性较好。

在本发明中，对所述电机给体材料和所述电子受体材料的种类没有特别的限制，只要满足能带匹配、相容性的要求，能够组装成太阳能电池即可，进一步，从提高电池器件的光电转换性能和寿命的角度考虑，所述电子给体材料优选ptb7，所述电子受体材料优选为pc71bm。

在本发明中，对包含所述光活性层的电池器件的构型没有特别的要求，可以组装成正型结构，也可以组装成反型结构。进一步，从提高电池器件的光电转换性能和寿命的角度考虑，所述太阳能电池优选采用反型结构，从下到上依次为衬底层、导电阴极ito、阴极缓冲层、所述光活性层、阳极缓冲层、金属阳极。

在本发明中，对所述阴极缓冲层、所述阳极缓冲层、所述金属阳极、所述衬底层均没有特别的限制，具体的，所述阴极缓冲层材料列举为tpbi、bcp、bphen、alq3、zno或tio2，所述阴极缓冲层厚度为1-20nm。所述阳极缓冲层材料列举为pedot:pss，所述阳极缓冲层厚度为15-50nm。所述金属阳极材料列举为ag、al或cu，所述金属阳极厚度为100-300nm。所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物材料，所述透明聚合物材料列举为聚乙烯、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。

本发明所提供的基于无机化合物添加剂的有机太阳能电池器件超薄，除去衬底层厚度外，器件总厚度不超过200nm。

另外，本发明还提供了一种基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)对由衬底层及导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；

(2)在所述导电阴极ito表面制备阴极缓冲层；

(3)以光活性层的总重量为100％计，将39-39.5％的电子给体材料、58-60％的电子受体材料和0.5-3％的无机化合物添加剂溶解在氯苯中，在所述阴极缓冲层上采用旋涂工艺制备所述光活性层，并且所述无机化合物添加剂包括cupbbr3、cupbi3、cupbcl3中的一种或多种；

(4)在所述光活性层表面制备阳极缓冲层；

(5)在所述阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。

根据本发明所述的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池的制备方法，所述步骤(3)中，所述无机化合物添加剂为cupbi3。

根据本发明所述的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池的制备方法，所述无机化合物添加剂的含量为1.5-3％。

根据本发明所述的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池的制备方法，所述电子给体材料为ptb7，所述电子受体材料为pc71bm。

发明的效果

(1)本发明通过将无机化合物添加剂掺入有机太阳能电池的光活性层，降低了电子受体的团聚，同时减缓了与空气中水氧的反应，从而提高了光活性层的光吸收能力，增强了光活性层中的载流子迁移率，最终提升了电池器件的光电转换性能和寿命。

(2)本发明所提供的基于无机化合物添加剂的有机太阳能电池的制备工艺简单、制程短、成本低，有利于大规模工业化生产。

附图说明

图1示出了实施例1的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池和对比例1的没有添加无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池的电流密度-电压特性曲线图；

图2示出了实施例1的基于无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池和对比例1的没有添加无机化合物添加剂的有机薄膜太阳能电池的归一化能量转换效率-时间特性曲线图。

具体实施方式

以下将以具体优选的实施例对本发明进行进一步的描述。特别的，本发明的实施方式并非仅限于此，进而以下具体的实施例也并非会对本发明的技术方案产生限制。

实施例1

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbbr3(39％:58％:3％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.73v，短路电流(jsc)＝14.9ma/cm²，填充因子(ff)＝0.62，光电转换效率(pce)＝6.74％。30天后，测得其pce为5.53％，较之前的性能下降了18％。

实施例2

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbbr3(39.5％:59％:1.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.72v，短路电流(jsc)＝15.5ma/cm²，填充因子(ff)＝0.60，光电转换效率(pce)＝6.70％。30天后，测得其pce为5.56％，较之前的性能下降了17％。

实施例3

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbbr3(39.5％:60％:0.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.72v，短路电流(jsc)＝15.1ma/cm²，填充因子(ff)＝0.66，光电转换效率(pce)＝7.18％。30天后，测得其pce为5.74％，较之前的性能下降了20％。

实施例4

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbcl3(39％:58％:3％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.72v，短路电流(jsc)＝14.1ma/cm²，填充因子(ff)＝0.64，光电转换效率(pce)＝6.50％。30天后，测得其pce为5.46％，较之前的性能下降了16％。

实施例5

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbcl3(39.5％:59％:1.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.74v，短路电流(jsc)＝14.9ma/cm²，填充因子(ff)＝0.59，光电转换效率(pce)＝6.51％。30天后，测得其pce为5.40％，较之前的性能下降了17％。

实施例6

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbcl3(39.5％:60％:0.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.73v，短路电流(jsc)＝15.1ma/cm²，填充因子(ff)＝0.63，光电转换效率(pce)＝6.94％。30天后，测得其pce为5.62％，较之前的性能下降了19％。

实施例7

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbi3(39％:58％:3％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.74v，短路电流(jsc)＝15.7ma/cm²，填充因子(ff)＝0.68，光电转换效率(pce)＝7.90％。30天后，测得其pce为6.72％，较之前的性能下降了15％。

实施例8

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbi3(39.5％:59％:1.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.74v，短路电流(jsc)＝15.1ma/cm²，填充因子(ff)＝0.69，光电转换效率(pce)＝7.71％。30天后，测得其pce为6.32％，较之前的性能下降了18％。

实施例9

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm:cupbi3(39.5％:60％:0.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.74v，短路电流(jsc)＝15.4ma/cm²，填充因子(ff)＝0.66，光电转换效率(pce)＝7.52％。30天后，测得其pce为6.02％，较之前的性能下降了20％。

对比例1

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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zno(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备ptb7:pc71bm(40％:60％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆pedot:pss溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag(100nm)。在标准测试条件下(am1.5,100mw/cm²)，测得器件的开路电压(voc)＝0.70v，短路电流(jsc)＝10.5ma/cm²，填充因子(ff)＝0.42，光电转换效率(pce)＝3.09％。30天后，测得其pce为1.39％，较之前的性能下降了55％。