CN103022357A - 基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件及其制备方法，突破原有二元有机光伏器件的设计局限，在透明导电玻璃上采用旋涂技术和热蒸发镀膜技术制备有机光伏器件，达到提高器件能量转换效率的目的。本发明采用有机给体和受体与石墨烯量子点三体共存体系作为有机活性层，将给体、受体以一定比例溶解于含有石墨烯量子点的氯苯中，只需旋涂即可制备三体系共存结构活性层，成本低，操作简单，并有效地提高有机光伏器件的转换效率。

Description

基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件及其制备方法。
背景技术
在可再生能源中，太阳能属于取之不尽的清洁能源，同其他新能源如水能、风能等相比，太阳能具有不受地域限制、无噪音、无污染等优势。目前，在太阳能电池器件中以硅为代表的无机太阳能电池具有很多优点，如自然界含量丰富、吸收光谱宽、能量转换高等，得到较多重视。但是单晶无机半导体器件制造成本昂贵，且比较脆弱没有柔性，需要坚实的衬底支撑。同时其窄带隙特性使其光腐蚀现象严重，影响电池的使用寿命。有机薄膜太阳能电池凭借其柔韧性高、制作成本低以及可得到大面积均匀膜层等无机太阳能电池无法相比的优点，日益受到研究者的关注并不断发展。
有机太阳能电池的研究始于1959年，1986年邓青云博士报道的双层结构染料光伏器件首次在有机光伏（OPV）器件中引入了电子给体和电子受体有机双层异质结，使光致激子的解离效率得到提高。1992年共轭聚合物作为电子给体和C60作为电子受体的体系的研究发现，使聚合物太阳能电池的研究成为热点。但是，目前在研究和报道的有机光伏器件的光活性层都属于两元结构，多用噻吩材料或聚合物MEH-PPV、PDCDA等作为给体，C60及其衍生物作为受体形成典型的双异质结构，其功率转换受限于所用给体受体材料本身的能级结构和电荷输运能力，仅两元体系很难得到比较大的转换效率。
发明内容
基于两元体系活性层器件较难大幅度提高器件转换效率问题，本发明的目的提供一种基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件及其制备方法，本发明通过引入石墨烯量子点实现三元体系活性层，有效提高有机光伏器件的功率转换效率。
本发明采用以下方案实现：一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件，其特征在于：该有机光伏器件采用石墨烯量子点与聚合物给体、受体混合形成三体共存体系作为有机活性层，该有机光伏器件的结构由下至上依次为：衬底、阳极、阳极缓冲层、三体系有机活性层、阴极修饰层、阴极。
在发明一实施例中，采用聚3已基噻吩（P3HT）作为给体元， 富勒烯衍生物PCBM作为受体元，石墨烯量子点作为第三元。
在本发明一实施例中，所述三体系有机活性层中所用给体与受体是按照质量比1:0.6~1:1溶于含有石墨烯量子点的氯苯中配成溶质浓度为16~24mg/ml的混合溶液。
在本发明一实施例中，所述三体系有机活性层厚度为50~450nm。
本发明的另一目的是提供一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件的制备方法；该方法包括以下操作步骤：
（1）在大气环境下，在通过丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗干燥得到的阳极基板上，以转速3000~7000r/s旋涂聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)溶液，时间为20~50s，并在120~180℃下热处理2~10分钟；
（2）在旋涂有PEDOT:PSS的导电玻璃上以转速300~1500r/s旋涂权利要求3所述的混合溶液，时间为20~50s；
（3）在真空度1×10-3~6×10-3 Pa的环境下采用热蒸发法依次蒸镀阴极修饰层和阴极材料，两者厚度分别为0.3~1.5nm、70~200nm，蒸镀速率分别为0.01~0.2nm/s、0.5~3nm/s。
在本发明一实施例中，所述步骤（2）所用三体系混合溶液在旋涂之前经过磁力搅拌6~20小时。
本发明具有如下优点和有益效果：
（1）         在目前研究的有机光伏器件的二元活性层中添入石墨烯量子点作为第三元形成体系，可以提高光致激子的解离效率以及向两极输运的速率，从而提高器件的短路电流，有效提高太阳能电池的能量转换效率。
（2）         通过氯苯萃取方法引入的石墨烯量子点具有一致的纳米级尺寸，且可以与常用有机给体、受体材料充分混合，保证器件生产过程的的重复性和器件的稳定性。
（3）         制备器件方法中在制备有机活性层时只需一步旋涂即可实现三元体均匀成膜，降低太阳能电池的制备成本，且制备操作简单，生产容易控制。
附图说明
图1是本发明提供的基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件的制备流程图。
图3是本发明实施例及对比例公开的器件I-V曲线，此曲线是在100mW/cm2 的AM1.5G太阳光模拟器的照射下测得的。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。但是所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，并不局限于此。
本发明基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件是典型的三明治结构，如图1所示，该有机光伏器件采用石墨烯量子点与聚合物给体、受体混合形成三体共存体系作为有机活性层，该有机光伏器件的结构由下至上依次为：衬底1、阳极2、阳极缓冲层3、三体系有机活性层4、阴极修饰层5、阴极6。本发明基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件可采用噻吩材料P3HT或其它聚合物给体材料作为给体元， PCBM或其它C60衍生物作为受体元，石墨烯量子点材料作为第三元，本实施例中分别采用P3HT作为给体材料，PCBM作为受体材料，石墨烯量子点作为第三元材料。所述三体系有机活性层中所用给体与受体是按照质量比1:0.6~1:1溶于含有石墨烯量子点的氯苯中配成溶质浓度为16~24mg/ml的混合溶液。所述三体系有机活性层厚度为50~450nm。
下面对该有机光伏器件的制备方法进行描述，要说明的是如果未多加说明，以下的实施例中的制备工艺均在空气中进行。
本实施例子提供一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件的制备方法；该方法包括以下操作步骤：
（1）在大气环境下，在通过丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗干燥得到的阳极基板上，以转速3000~7000r/s旋涂聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)溶液，时间为20~50s，并在120~180℃下热处理2~10分钟；该阳极基板是由在衬底上设置阳极形成，本实施例中可以是ITO透明导电玻璃；
（2）在旋涂有PEDOT:PSS的导电玻璃上以转速300~1500r/s旋涂权利要求3所述的混合溶液，时间为20~50s；
（3）在真空度1×10-3~6×10-3 Pa的环境下采用热蒸发法依次蒸镀阴极修饰层LiF和阴极材料铝，两者厚度分别为0.3~1.5nm、70~200nm，蒸镀速率分别为0.01~0.2nm/s、0.5~3nm/s。
所述步骤（2）所用三体系混合溶液在旋涂之前经过磁力搅拌6~20小时。
具体的，实施例1：
按照P3HT与PCBM质量比1:0.6~1:1配置成浓度为16~24mg/ml的三体系混合溶液，P3HT与PCBM质量比为1:0.8，配置的溶液浓度为18mg/ml，即取20mg P3HT与16mg PCBM同时溶于2ml含有石墨烯量子点的氯苯中，磁力搅拌12小时，配成三元混合溶液。
基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件的制备步骤如下：
（1）        在大气环境下，对ITO透明导电玻璃刻蚀成3mm宽的条状，之后通过丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗20分钟，在干燥箱中烘干，该ITO透明导电玻璃是由在玻璃衬底上设置阳极形成。
（2）        将刻蚀烘干好的ITO片涂覆上PEDOT:PSS溶液，涂覆面积要覆盖有效采光部分的ITO，以转速5000r/s旋涂PEDOT:PSS溶液，时间为30s，并在150℃下热处理5分钟，最终形成厚度为80nm均匀透明的PEDOT:PSS薄膜。
（3）        待旋涂有PEDOT:PSS的导电玻璃经热处理冷却后，涂覆搅拌均匀的P3HT、PCBM与石墨烯量子点的混合溶液，以转速900r/s旋涂，时间为30s；将旋涂完成的片放置于真空热蒸发镀膜机腔体中。
（4）        在真空度1×10-3~6×10-3 Pa的环境下，本实施例采用3.5×10-3 Pa，采用热蒸发法依次蒸镀阴极修饰层LiF和阴极材料铝；LiF蒸镀速率为0.02nm/s，厚度为0.5nm；铝电极蒸镀速率1nm/s, 形成150nm的薄膜，即形成基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件。
将器件取出真空箱后，在150℃环境下热处理5分钟；本发明器件有效采光面积为9mm2 ，在室温环境中100mW/cm2 的AM1.5太阳光模拟器的照射下的电流-电压曲线如附图3示。
对比例1：
采用不含有石墨烯量子点的氯苯溶液按照P3HT与PCBM质量比为1:0.8，配置成溶质浓度为18mg/ml的混合溶液，充分磁力搅拌12小时，制备有机光伏器件。器件制备过程按照实施例1所述完成。在室温环境中100mW/cm2 的AM1.5太阳光模拟器的照射下的电流-电压曲线如附图3示。
实施例2：
按照P3HT与PCBM质量比1:0.6配置成浓度为16mg/ml的三体系混合溶液，即取20mg P3HT与12mg PCBM同时溶于2ml含有石墨烯量子点的氯苯中，磁力搅拌12小时，配成溶质浓度为16mg/ml的三元混合溶液。器件制备过程按照实施例1所述完成。
对比例2：
采用不含有石墨烯量子点的氯苯溶液按照P3HT与PCBM质量比为1:0.6，配置成溶质浓度为16mg/ml的混合溶液，充分磁力搅拌12小时。器件制备过程按照实施例1所述完成。 
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (6)

1.一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件，其特征在于：该有机光伏器件采用石墨烯量子点与聚合物给体、受体混合形成三体共存体系作为有机活性层，该有机光伏器件的结构由下至上依次为：衬底、阳极、阳极缓冲层、三体系有机活性层、阴极修饰层、阴极。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件，其特征在于：采用聚3已基噻吩（P3HT）作为给体元，富勒烯衍生物PCBM作为受体元，石墨烯量子点作为第三元。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件，其特征在于：所述三体系有机活性层中所用给体与受体是按照质量比1:0.6~1:1溶于含有石墨烯量子点的氯苯中配成溶质浓度为16~24mg/ml的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件，其特征在于：所述三体系有机活性层厚度为50~450nm。
5.一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件的制备方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
在大气环境下，在通过丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗干燥得到的阳极基板上，以转速3000~7000r/s旋涂聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)溶液，时间为20~50s，并在120~180℃下热处理2~10分钟；
在旋涂有PEDOT:PSS的导电玻璃上以转速300~1500r/s旋涂权利要求3所述的混合溶液，时间为20~50s；
在真空度1×10-3~6×10-3 Pa的环境下采用热蒸发法依次蒸镀阴极修饰层和阴极材料，两者厚度分别为0.3~1.5nm、70~200nm，蒸镀速率分别为0.01~0.2nm/s、0.5~3nm/s。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）所用三体系混合溶液在旋涂之前经过磁力搅拌6~20小时。
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