基于三元复合阴极缓冲层的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]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领域，具体涉及一种基于三元复合阴极缓冲层的有机薄膜太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。目前世界上使用的能源大多数来自于矿物燃料的开采，其中包括石油，天然气和煤等。然而，这些资源是有限的。占地球总能量99%以上的太阳能具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而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的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机太阳能电池不仅具有相同的最高理论能量转换效率，而且还具有质量轻、可湿法成膜、能加工成特种形状易制成柔性器件、甚至可以实现全塑料化等显著优势，目前己经成为国内外研发的热点之一。
[0003]然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，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。制备合适的阴极缓冲层是提高有机太阳电池光电转换效率的有效方法。当前，通过使用反型结构，并采用金属氧化物如Zn0、Ti02等稳定性较强的氧化物作为阴极缓冲层，有机太阳能电池的效率及稳定性已经获得明显的提升。但由于这些氧化物阴极缓冲层与光活性层之间能级还不够匹配，使得二者之间存在较大的接触势皇。由于此接触势皇的存在，将导致电子的传输与分离受阻，并使得器件拥有较大的界面接触电阻与较大的载流子复合几率，都将严重制约器件效率。且由于金属氧化物如Zn0、Ti02等材料的电子迀移率较低，使得电子从活性层界面扩散到电极时产生复合，且扩散到阴极的电子也较少。
[0004]因此研究如何优化和修饰缓冲层是提高有机太阳能电池光电转换效率的关键，也是目前此领域研究的重点及难点。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题是:如何提供一种反型有机薄膜太阳能电池及其制备方法，目的是通过引入一种三元复合阴极缓冲层的有机薄膜太阳能电池，以实现:(1)降低器件阴极缓冲层与光活性层间的接触势皇；(2)改善阴极缓冲层薄膜形貌，降低器件的串联电阻；(3)提高电子迀移率，提高器件短路电流密度。
[0006]本发明的技术方案为:
一种基于三元复合阴极缓冲层的有机薄膜太阳能电池，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、三元复合阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层和金属阳极;所述三元复合阴极缓冲层由氧化锌、氧化石墨烯和醇溶性共聚物复合组成，三者的质量比为:氧化锌30%?40%、醇溶性共聚物30 %?40%，氧化石墨烯20 %?40 %，三元复合阴极缓冲层厚度范围为20?40 nm。
[0007]作为优选，所述醇溶性共聚物为?017(9，9-1^8(3'-(1'1，1'|-(1;[11161:1171)11'(^71-2，7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-d1ctylfluorene))(PFN)。
[0008]作为优选，所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，厚度范围为80?100 nm;所述混合溶液中PTB7和PCBM的质量百分比为1:2?2:1。
[0009]作为优选，所述阳极缓冲层材料为Mo03，厚度范围为5?20nm。
[0010]作为优选，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，厚度范围为100?200nmD
[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、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
[0012]—种基于三元复合阴极缓冲层的有机薄膜太阳能电池的制备方法，器件制备过程包括以下步骤:
1)对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；
2)在透明导电阴极ΙΤ0表面旋转涂覆、印刷或喷涂掺入氧化锌、醇溶性共聚物和氧化石墨烯的复合物，并将所形成的薄膜进行烘烤，制备得到三元复合阴极缓冲层；
3)在三元复合阴极缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备PTB7: PCBM光活性层；
4)在活性层上蒸镀阳极缓冲层Μοθ3;
5)在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。
[0013]作为优选，所述氧化锌、醇溶性共聚物和氧化石墨烯复合物采用以下方式配制:所述氧化锌溶液为醋酸锌前驱体溶液经退火制成，浓度为0.1?1 g/ml;所述醇溶性共聚物PFN溶液中，溶剂为甲醇和冰醋酸的混合溶液，其体积比组成为甲醇99 %，冰醋酸1 %，所述PFN在混合溶液中的浓度为0.2?5 mg/ml;所述氧化石墨烯为氧化石墨烯水分散液制备而成，浓度为1?5 mg/ml ο
[0014]本发明的优点在于:
1、通过引入水醇溶性共聚物，有效地降低了阴极缓冲层与光活性层之间的接触势皇，从而提高了载流子传输效率。
[0015]2、通过引入高电子迀移率的氧化石墨烯，有效地降低了器件的串联电阻，降低了电子在阴极缓冲层/光活性层界面的复合几率及电子传输到阴极的数量。
[0016]3、在阴极缓冲层/光活性层界面处形成了欧姆接触，从而提高了电子的传输速度，增大了器件的短路电流密度。
【附图说明】
[0017]图1是本发明所涉及的一种基于三元复合阴极缓冲层有机薄膜太阳能电池的结构示意图，从下到上依次为:衬底(1);透明导电阴极IT0(2);三元复合阴极缓冲层(3);光活性层(4) ; 5阳极缓冲层(5);金属阳极(6)。
[0018]【具体实施方式】:
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0019]实施例1: 对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底1及透明导电阴极ITO 2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 2表面旋转涂覆由氧化锌，醇溶性共聚物，氧化石墨稀组成的三元复合阴极缓冲层3(5000 rpm, 40 s, 15 nm)，其质量比组成为氧化锌30%，醇溶性共聚物30 %，氧化石墨烯40%，并将所形成的薄膜进行烘烤(200 °C, 60 min);在三元复合阴极缓冲层3上采用旋涂制备？了87:?081(1:1.5，10 mg/ml)光活性层4( 1200rpm, 40 s)，在氮气氛围下干燥两个小时;在光活性层4表面蒸镀Mo03(15 nm)制备阳极缓冲层5;在阳极缓冲层5上蒸镀金属阳极6Ag(100 nm)。在标准测试条件下:AM 1.5，100 mff/cm2，测得器件的开路电压(V0C)=0.70 V，短路电流(JSC) = 12.41 mA/cm2，填充因子(FF) =0.61，光电转换效率(PCE)=5.20 %。
[0020]实施例2:
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底1及透明导电阴极ΙΤ0 2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 2表面旋转涂覆由氧化锌，醇溶性共聚物，氧化石墨稀组成的三元复合阴极缓冲层3(5000 rpm, 40 s, 15 nm)，其质量比组成为氧化锌40%，醇溶性共聚物40 %，氧化石墨烯20%，并将所形成的薄膜进行烘烤(200 °C, 60 min);在三元复合阴极缓冲层3上采用旋涂制备？了87:?081(1:1.5，10 mg/ml)光活性层4( 1200rpm, 40s)，在氮气氛围下干燥两个小时;在光活性层4表面蒸镀Mo03( 15 nm)制备阳极缓冲层6;在阳极缓冲层5上蒸镀金属阳极6Ag(100 nm)。在标准测试条件下:AM 1.5，100 mff/cm2，测得器件的开路电压(V0C)=0.72 V，短路电流(JSC) = 13.51 mA/cm2，填充因子(FF) =0.62，光电转换效率(PCE)=6.02 %。
[0021 ] 实施例3:
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底1及透明导电阴极ΙΤ0 2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 2表面旋转涂覆由氧化锌，醇溶性共聚物，氧化石墨稀组成的三元复合阴极缓冲层3(5000 rpm, 40 s, 15 nm)，其质量比组成为氧化锌30%，醇溶性共聚物40 %，氧化石墨烯30%，并将所形成的薄膜进行烘烤(200 °C, 60 min);在三元复合阴极缓冲层3上采用旋涂制备？了87:?081(1:1.5，10 mg/ml)光活性层4( 1200rpm, 40 s)，在氮气氛围下干燥两个小时;在光活性层4表面蒸镀Mo03(15 nm)制备阳极缓冲层5;在阳极缓冲层5上蒸镀金属阳极6Ag(100 nm)。在标准测试条件下:AM 1.5，100 mff/cm2，测得器件的开路电压(V0C)=0.71