活性层掺杂了GeSe二维纳米材料的有机太阳能电池及其制备方法与流程

活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
1.本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.有机聚合物太阳能电池(pscs)作为一种将太阳能转化为电能的新技术，具有制作简单、价格低廉和环境友好的特点，因而在太阳能源领域受到了广泛的关注。到目前为止，单层活性层的太阳能电池效率(pce)已经达到了17％，而串联太阳能电池的效率已经超过了18％。然而，聚合物太阳能电池中有机物较差的电荷传输效率和短寿命激子极大地限制了聚合物太阳能电池效率的提高，其中，分离的电子和空穴在电荷的传递过程中由于复合或电荷捕获而消失；同时，聚合物太阳能电池的活性层材料对太阳光吸收的波长范围有限，极大限制了对太阳光的有效利用。因此，制备具有高电荷传输效率和光吸收范围广的活性层材料是十分重要的。
3.目前通过在二元的活性层溶液中掺杂第三种材料组成三元体系的方法已被广泛研究，掺杂的第三种材料可以提升活性层的电荷传输效率。如wang.d.h等人利用金、银纳米粒子的掺杂提高电荷传输效率，提升了太阳能电池器件性能；如chengwen huang等人报道的二维bi2o2se材料掺杂进pbdb
‑
t/itic活性层，提升了电荷的转移与收集，进而提升了太阳能电池的能量转换效率；几种参杂技术都能使电荷传输效率提高，从而提升器件性能，但是过多的参杂会导致活性层材料的过度聚集，破坏活性层有机材料间的相互作用，使电荷传输速率下降，同时，添加的金属纳米颗粒也不具有增加活性层光吸收波长范围的性能，不能有效的增加太阳能电池对光照的利用率。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备方法。掺杂具有的高载流子迁移率的gese可以增加p3ht:pcbm活性层的电荷传输效率，并提高活性层的结晶度，提高电荷传输效率；gese合适的能带带隙也可以增加有机太阳能电池吸收光的波长范围，具有的高吸光系数能吸收利用更多的太阳光，有效提高有机太阳能电池的光能转换效率。
5.基于此，本发明还提供了一种活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
6.本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
7.本发明提供的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池是一种活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
8.本发明提供的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池，包括依次层叠设置的阴极基底、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极层，其中活性层为掺杂了gese二
维纳米材料的p3ht:pcbm薄膜。
9.进一步地，所述阴极基底为铟锡氧化物玻璃(ito)。
10.进一步地，所述电子传输层为zno，所述电子传输层的厚度为20
‑
30nm。
11.进一步地，所述活性层厚度为110
‑
130nm。
12.进一步地，所述空穴传输层为moo3，空穴传输层的厚度为
13.进一步地，所述阳极层为银，阳极层的厚度为
14.本发明的另一个目的在于提供一种活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
15.(1)清洗阴极基底，并对所述清洗后的阴极基底表面进行氧气plasma处理；
16.(2)在步骤(1)所述氧气plasma处理过的阴极基底的表面依次旋涂电子传输层、活性层；
17.(3)在步骤(2)所述活性层的表面依次蒸镀空穴传输层和阳极层。
18.进一步地，步骤(1)中，所述的清洗阴极基底包括：依次使用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗13
‑
15分钟，然后在80
‑
90℃的真空干燥箱中烘干10
‑
12小时；所述氧气plasma处理的时间为14
‑
16分钟。
19.进一步地，步骤(2)中，所述旋涂电子传输层的制备方法包括：
20.将乙酸锌溶于乙二醇甲醚溶剂中，配成质量体积比为0.95
‑
1.05g/ml的溶液，进行持续时间为1
‑
2小时的第一次搅拌处理；在上述溶液中加入乙醇胺，乙醇胺在该溶液中的体积分数为2.5％
‑
3％，进行持续11
‑
12小时的第二次搅拌，最终得到所需zno溶液；
21.将所述zno溶液旋涂在步骤(1)所述氧气plasma处理过的阴极基底表面上，转速为3900
‑
4100r.p.m，时间为35
‑
40s；将所述旋涂完zno的阴极基底进行退火处理，温度为195
‑
205℃，时间为45
‑
65分钟。
22.进一步地，步骤(2)中，所述旋涂活性层的制备步骤包括：
23.将gese粉末溶于无水乙醇溶液，配成质量浓度2
‑
4mg/ml的混合液；将所述混合液超声6
‑
8小时后，在2500
‑
3500r.p.m的转速下离心20
‑
30分钟后取出上清液，再将所述上清液于相同转速下离心20
‑
30分钟，取出上清液，即得到所需gese溶液；
24.将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯溶剂中，其中p3ht:pcbm质量比为0.9
‑
1.1:1，p3ht的浓度为18
‑
22mg/ml，在50
‑
60℃的温度下搅拌12
‑
24小时，得到p3ht:pcbm溶液；
25.将所述gese溶液溶于所述p3ht:pcbm溶液中，其中gese溶液的体积分数为5％
‑
10％，搅拌50
‑
60min，得到所述活性层溶液；最后在所述电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为950
‑
1050r.p.m，时间为35
‑
40秒；所述活性层旋涂完成后放置20
‑
24小时自然晾干，随后以120
‑
150℃退火处理7
‑
9分钟。
26.和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
27.在本发明的有机太阳能电池中，掺杂的gese二维纳米材料有高载流子迁移率(102cm2v
‑1s
‑1)、合适的能带带隙(1.2ev
‑
1.8ev)和高吸光系数(>104cm
‑1)；
28.本发明的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池，使用了高载流子迁移率、高吸光率的gese；首先gese具有高载流子迁移率，可以增加p3ht:pcbm活性层的电荷传输效率，促进电荷的收集，提高活性层的电导率；其次gese因其自身合适的能带带隙也会在太阳光照下产生光生激子，在可见光区有良好的光学吸收能力，具有高达>104cm
‑1的高吸
光率，有效提高对太阳光的利用率，进而提升有机太阳能电池的性能；最后，本发明中将gese粉末溶于无水乙醇中添加进p3ht:pcbm活性层溶液中，旋涂成膜，所用试剂对外部环境影响更小。除以上优点外，gese还具有能带带隙大小随纳米片厚度而改变的优点(1.2ev
‑
1.8ev)，有更广阔的应用前景。
附图说明
29.图1为本发明实施例的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的结构示意图；
30.图2为活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池器件的制备方法流程图；
31.图3为实施例1与对比例中的太阳能电池器件的电流密度与电压关系图。
具体实施方式
32.以下结合具体实施例和附图进一步对本发明的具体实施做说明，但本发明实施和保护范围不局限于此。
33.本发明提供一种活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池，如图1所示其包括阴极基底a、电子传输层b、活性层c、空穴传输层d以及阳极层e。
34.上述活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备工艺如图2所示，包括如下步骤：
35.步骤一、清洗阴极基底；
36.步骤二、对所述清洗后烘干的阴极基底表面进行氧气plasma处理；
37.步骤三、在经过步骤二处理后的阴极基底表面旋涂后退火处理制备电子传输层；
38.步骤四、在电子传输层表面旋涂含gese活性层溶液后干燥退火制备活性层；
39.步骤五、在活性层表面蒸镀空穴传输层moo3；
40.步骤六、在空穴传输层表面蒸镀阳极层ag；
41.上述步骤结束后得到活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
42.实施例1
43.本实施例的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池器件结构为：ito/zno/gese&p3ht:pcbm/moo3/ag。
44.上述活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备工艺如下：
45.步骤一、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇分别超声清洗15分钟；然后在80℃的真空干燥箱中干燥12小时；
46.步骤二、对上述清洗干燥后的阴极基底表面(ito)进行14分钟的氧气plasma等离子表面处理，利用微波使氧气生成臭氧的强氧化性清洗ito表面残留的有机溶剂，同时使ito表面的氧空位增加，提高ito表面的功函数；
47.步骤三、在经过步骤二处理的ito表面旋涂电子传输层溶液；所述电子传输层溶液制备工艺为：将乙酸锌溶于乙二醇甲醚溶剂中，配成质量体积比为0.1g/ml的溶液，进行持续时间为2小时的第一次搅拌；在上述溶液中加入乙醇胺，乙醇胺在该溶液中的体积分数为2.5％，进行持续12小时的第二次搅拌，最终得到所需电子传输层溶液；将电子传输层溶液
旋涂在上述处理过的阴极基底表面上，转速为4000r.p.m，时间为40s；将旋涂完zno的阴极基底进行退火处理形成电子传输层，温度为200℃，时间为60分钟。
48.步骤四、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层溶液制备工艺为：将gese粉末溶于无水乙醇溶液，配成质量浓度4mg/ml的混合液，将上述混合液超声处理8小时后，在3000r.p.m的转速下离心30分钟后取出上清液，再将上述上清液于相同转速下离心30分钟，取出上清液，即得到所需gese溶液；将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为1:1，p3ht浓度为20mg/ml，在60℃的温度下搅拌24小时，得到p3ht:pcbm溶液；将上述gese溶液溶于p3ht:pcbm溶液中，其中gese溶液的体积分数为10％，搅拌1小时，得到所述活性层溶液；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000r.p.m，时间为40秒；所述活性层旋涂完成后放置24小时自然晾干，随后以125℃退火处理8分钟。
49.步骤五、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层moo3,其厚度为
50.步骤六、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层ag，其厚度为
51.上述步骤结束后得到活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
52.对比例
53.对比例与实施例1制备条件基本相同，不同之处为活性层薄膜未添加含有gese二维纳米材料的溶液。
54.图3为实施例1中活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池与对比例中以p3ht:pcbm薄膜为活性层的有机太阳能电池的电流密度和电压关系图；图中的点划线为活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池(结构为ito/zno/gese&p3ht:pcbm/moo3/ag)的电流电压曲线，实线为以p3ht:pcbm薄膜为活性层的有机太阳能电池(结构为：ito/zno/p3ht:pcbm/moo3/ag)的电流电压曲线，从图3中可以明显看出掺杂了gese二维纳米材料后电流密度有明显的提升，这说明gese的高载流子迁移率可以显著提升活性层的电导率。
55.实施例2
56.本实施例的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池器件结构为：ito/zno/gese&p3ht:pcbm/moo3/ag。
57.上述活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备工艺如下：
58.步骤一、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇分别超声清洗15分钟；然后在80℃的真空干燥箱中干燥12小时；
59.步骤二、对上述清洗干燥后的阴极基底表面(ito)进行14分钟的氧气plasma等离子表面处理，利用微波使氧气生成臭氧的强氧化性清洗ito表面残留的有机溶剂，同时使ito表面的氧空位增加，提高ito表面的功函数；
60.步骤三、在经过步骤二处理的ito表面旋涂电子传输层溶液；所述电子传输层溶液制备工艺为：将乙酸锌溶于乙二醇甲醚溶剂中，配成质量体积比为0.1g/ml的溶液，进行持续时间为2小时的第一次搅拌；在上述溶液中加入乙醇胺，乙醇胺在该溶液中的体积分数为2.5％，进行持续12小时的第二次搅拌，最终得到所需电子传输层溶液；将电子传输层溶液旋涂在上述处理过的阴极基底表面上，转速为4000r.p.m，时间为40s；将旋涂完zno的阴极基底进行退火处理形成电子传输层，温度为200℃，时间为60分钟。
61.步骤四、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层溶液制备工艺为：将
gese粉末溶于无水乙醇溶液，配成质量浓度2mg/ml的混合液，将上述混合液超声处理8小时后，在3000r.p.m的转速下离心30分钟后取出上清液，再将上述上清液于相同转速下离心30分钟，取出上清液，即得到所需gese溶液；将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为1:1，p3ht浓度为20mg/ml，在60℃的温度下搅拌24小时，得到p3ht:pcbm溶液；将上述gese溶液溶于p3ht:pcbm溶液中，其中gese溶液的体积分数为10％，搅拌1小时，得到所述活性层溶液；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000r.p.m，时间为40秒；所述活性层旋涂完成后放置24小时自然晾干，随后以125℃退火处理8分钟。
62.步骤五、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层moo3,其厚度为
63.步骤六、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层ag，其厚度为
64.上述步骤结束后得到活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
65.实施例3
66.本实施例的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池器件结构为：ito/zno/gese&p3ht:pcbm/moo3/ag。
67.上述活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备工艺如下：
68.步骤一、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇分别超声清洗15分钟；然后在80℃的真空干燥箱中干燥12小时；
69.步骤二、对上述清洗干燥后的阴极基底表面(ito)进行14分钟的氧气plasma等离子表面处理，利用微波使氧气生成臭氧的强氧化性清洗ito表面残留的有机溶剂，同时使ito表面的氧空位增加，提高ito表面的功函数；
70.步骤三、在经过步骤二处理的ito表面旋涂电子传输层溶液；所述电子传输层溶液制备工艺为：将乙酸锌溶于乙二醇甲醚溶剂中，配成质量体积比为0.1g/ml的溶液，进行持续时间为2小时的第一次搅拌；在上述溶液中加入乙醇胺，乙醇胺在该溶液中的体积分数为2.5％，进行持续12小时的第二次搅拌，最终得到所需电子传输层溶液；将电子传输层溶液旋涂在上述处理过的阴极基底表面上，转速为4000r.p.m，时间为40s；将旋涂完zno的阴极基底进行退火处理形成电子传输层，温度为200℃，时间为60分钟。
71.步骤四、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层溶液制备工艺为：将gese粉末溶于无水乙醇溶液，配成质量浓度4mg/ml的混合液，将上述混合液超声处理8小时后，在3000r.p.m的转速下离心30分钟后取出上清液，再将上述上清液于相同转速下离心30分钟，取出上清液，即得到所需gese溶液；将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为1:1，p3ht浓度为20mg/ml，在60℃的温度下搅拌24小时，得到p3ht:pcbm溶液；将上述gese溶液溶于p3ht:pcbm溶液中，其中gese溶液的体积分数为5％，搅拌1小时，得到所述活性层溶液；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000r.p.m，时间为40秒；所述活性层旋涂完成后放置24小时自然晾干，随后以125℃退火处理8分钟。
72.步骤五、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层moo3,其厚度为
73.步骤六、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层ag，其厚度为
74.上述步骤结束后得到活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
75.实施例4
76.本实施例的活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池器件结构为：ito/
zno/gese&p3ht:pcbm/moo3/ag。
77.上述活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的制备工艺如下：
78.步骤一、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇分别超声清洗15分钟；然后在80℃的真空干燥箱中干燥12小时；
79.步骤二、对上述清洗干燥后的阴极基底表面(ito)进行14分钟的氧气plasma等离子表面处理，利用微波使氧气生成臭氧的强氧化性清洗ito表面残留的有机溶剂，同时使ito表面的氧空位增加，提高ito表面的功函数；
80.步骤三、在经过步骤二处理的ito表面旋涂电子传输层溶液；所述电子传输层溶液制备工艺为：将乙酸锌溶于乙二醇甲醚溶剂中，配成质量体积比为0.1g/ml的溶液，进行持续时间为2小时的第一次搅拌；在上述溶液中加入乙醇胺，乙醇胺在该溶液中的体积分数为2.5％，进行持续12小时的第二次搅拌，最终得到所需电子传输层溶液；将电子传输层溶液旋涂在上述处理过的阴极基底表面上，转速为4000r.p.m，时间为40s；将旋涂完zno的阴极基底进行退火处理形成电子传输层，温度为200℃，时间为60分钟。
81.步骤四、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层溶液制备工艺为：将gese粉末溶于无水乙醇溶液，配成质量浓度4mg/ml的混合液，将上述混合液超声处理8小时后，在3000r.p.m的转速下离心30分钟后取出上清液，再将上述上清液于相同转速下离心30分钟，取出上清液，即得到所需gese溶液；将p3ht和pcbm溶于邻二氯苯中，其中p3ht:pcbm质量比为1:1，p3ht浓度为20mg/ml，在60℃的温度下搅拌24小时，得到p3ht:pcbm溶液；将上述gese溶液溶于p3ht:pcbm溶液中，其中gese溶液的体积分数为15％，搅拌1小时，得到所述活性层溶液；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000r.p.m，时间为40秒；所述活性层旋涂完成后放置24小时自然晾干，随后以125℃退火处理8分钟。
82.步骤五、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层moo3,其厚度为
83.步骤六、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层ag，其厚度为
84.上述步骤结束后得到活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池。
85.表1实施例1
‑
4与对比例的各参数对比
86.87.从表1中可以看出，实施例1的短路电流密度(j
sc
)从8.16ma/cm2提升到了8.9ma/cm2，开路电压v
oc
变化不是很大，填充因子(ff)也有提升，最终转换效率有提升，其余实施例也是如此。这说明了活性层掺杂了gese二维纳米材料的有机太阳能电池的电荷传输效率更高，从而得到了比以p3ht:pcbm薄膜为活性层的有机太阳能电池的更高的能量转换效率。p3ht:pcbm作为活性层，其低电荷传输效率会对器件的效率有极大约束，限制了其光电转换效率的提高，而具有高载流子迁移率和高吸光系数的gese材料的活性层掺杂，可以改良这一点。此外根据文献报道，gese的带隙会随着材料的层数而改变，有广阔的应用前景。
88.以上所述实施例仅代表了本发明的几种实施方式,其描述较为具体详细,但并不能因此理解为对本发明范围的限制。应指出的是,对于从事本领域的技术人员来说,在没有脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明的保护范围应以所附权利要求为准。