CN103367641A - 以高功函石墨烯衍生物为中间层的有机太阳能电池及制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机太阳能电池，具有两种分子成分组成的光敏层，即电子给体与电子受体，以及具有在该光敏层两侧的电极，即阳极与阴极。特点是置高功函石墨烯衍生物在阳极与光敏层之间，可显著提升有机太阳能电池效率。

Description

以高功函石墨烯衍生物为中间层的有机太阳能电池及制备
技术领域
本发明涉及一种采用高功函的改性石墨烯衍生物作为阳极中间层的有机太阳能电池器件。
背景技术
太阳能电池根据使用材料的不同可以分为无机和有机太阳能电池。目前，无机太阳能电池主要是指硅太阳能电池，虽然它的最高效率达24％，但是由于硅太阳能电池的价格高昂，阻碍了它实现更大规模的生产应用。有机太阳能电池以其制作工艺简单、质量轻和成本低等优点而备受关注。
本体异质结有机太阳能电池结构中，为了避免给体和受体材料与电池的阴极和阳极直接接触而降低太阳能电池能量转化效率，在活性层和两电极之间添加中间层是必不可少的。目前，常用的阳极中间层(空穴传输层)材料有聚-3，4-乙撑二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)、三氧化钼和五氧化二钒等氧化物。三氧化钼与五氧化二钒等氧化物都需要通过真空蒸镀或溅射等方法进行制备，无法采用基于溶液的方法实现低成本的制备，因而造成制备成本高。虽然聚-3，4-乙撑二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐可以基于溶液过程进行制备，但它价格昂贵，而且具有较高的酸性、较强的吸水性，以及电性质的不均匀性，带来了有机太阳能电池的不稳定。为了实现有机太阳能电池的低成本制备，急于需寻找一种可实现基于溶液的低成本工艺的新型的空穴传输层材料，同时还能避免聚-3，4-乙撑二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐的高酸性，进而提高有机太阳能电池的稳定性。
研究发现，氧化石墨烯有较好的机械性和较宽的光学禁带，具有较好的空穴传输能力，而且生产成本较低(仅为PEDOT∶PSS的十分之一)。因而，氧化石墨烯是一种潜在的空穴传输材料。但是，由于氧化石墨烯的功函较低(4.9-5.0eV)，作为有机太阳能电池的空穴传输层时，不能使空穴很好的被阳极收集。直接用氧化石墨烯作为空穴传输层制备的有机太阳能电池的能量转化效率与采用PEDOT∶PSS作为空穴传输层制备的有机太阳能电池的效率接近。
综上所述，在现有的文献或专利中，利用改性提高石墨烯和氧化石墨烯的功函，并将其作为空穴传输层运用到有机太阳能电池中还是一个空白。本发明利用化学改性的方法处理石墨烯或氧化石墨烯，使其功函增大，从而大幅度提高有机太阳能电池中光生载流子收集效率，进而提高有机太阳能电池的光电能量转化效率。
发明内容
本发明是对石墨烯或氧化石墨烯进行处理，提高石墨烯或氧化石墨烯的功函；利用高功函的石墨烯衍生物作为有机太阳能电池的空穴传输层，在提高有机太阳能电池能量转换效率的同时降低其成本。
采用高功函石墨烯衍生物作为中间层的有机太阳能电池，包括层状相互叠合的阳极(1)与阴极(5)，以及在阳极(1)与阴极(5)之间的一光敏层(3)，在该阳极和光敏层之间设置中间层(2)，在所述的阴极和所述光敏层之间设置阴极中间层(4)，其特征在于：
所述中间层(2)的材料为高功函的石墨烯衍生物。
所述高功函的石墨烯衍生物为氧化石墨烯，含有F、Cl、Br、氰基、磺酸基中一种或二种以上的石墨烯或氧化石墨烯。
所述高功函的石墨烯衍生物的功函大于5.0eV。
所述中间层(2)主要经空穴传导电流并且与所述阳极直接接触，所述光敏层(3)与所述中间层(2)直接接触，光敏层(3)的构成材料包含配对的p型半导体材料与n型半导体材料，其质量比为10∶1-1∶10；
所述阴极中间层(4)主要经电子传导电流并且与所述光敏层(3)直接接触，所述阴极(5)与所述阴极中间层(4)直接接触。
于基底上表面制备阳极，将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在阳极表面，形成均匀的厚度范围为0.1内米-100内米的薄膜；然后对石墨烯或氧化石墨烯进行化学处理，再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备光敏层，再于远离阳极的光敏层另一侧制备阴极中间层(4)与阴极(5)，制备出有机太阳能电池；
或，于基底上表面依次制备阴极、阴极中间层(4)、光敏层，将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在光敏层表面，形成均匀的厚度范围为0.1内米-100内米的薄膜；然后对石墨烯或氧化石墨烯进行化学处理，再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备阳极，制备出有机太阳能电池。
将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液，然后对溶液进行化学处理；
于基底上表面制备阳极，将化学处理的石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在阳极表面，形成均匀的厚度范围为0.1内米-100内米的薄膜；再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备光敏层，再于远离阳极的光敏层另一侧制备阴极中间层(4)与阴极(5)，制备出有机太阳能电池；
或，于基底上表面依次制备阴极、阴极中间层(4)、光敏层，将化学处理的石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在光敏层表面，形成均匀的厚度范围为0.1内米-100内米的薄膜；再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备阳极，制备出有机太阳能电池。
化学处理前，石墨烯或氧化石墨烯溶液的浓度在0.01-100mg/mL。
对石墨烯或氧化石墨烯的化学处理过程包括氧气等离子体处理、氧气与惰性气体(氩气或氮气等)等离子体处理、紫外-臭氧处理、氟化、氯化、溴化、氰基化、磺酸化方法中的一种或二种以上。
阳极与阴极均可朝向入射光并且可具有栅格结构。
本发明所述的对石墨烯或氧化石墨烯进行改性的方法简单便捷、成本低廉；用改性后的石墨烯或氧化石墨烯作为空穴传输层的有机太阳能电池的光电转换效率可以得到大幅度提升。
附图说明
图1是本发明所述的高功函石墨烯衍生物作为空穴传输层的正常结构(normal structure)的有机太阳能电池的结构示意图。
图2是用本发明所述的高功函石墨烯衍生物作为空穴传输层的反式结构(inverted structure)的有机太阳能电池的结构示意图。
A为基底。
具体实施方式
实施例1：
利用超声和离心的方法将氧化石墨烯配置成2mg/ml的水溶液，将其旋涂在ITO玻璃表面，使其在ITO玻璃表面厚度为2-3纳米的均匀的氧化石墨烯薄膜。采用等离子体处理工艺，将旋涂了氧化石墨烯的ITO玻璃置于真空腔中，通入流量为30sccm的氧气，电源的功率设置在30W，起辉后处理10s。用处理前后的氧化石墨烯的薄膜做XPS分析。通过XPS分析发现，经过氧等离子体处理后的氧化石墨烯薄膜的C＝O的量增加了7％，C-C键的量降低了5％。说明氧等离子体处理后电负性较大的氧原子与碳原子形成了更多的C＝O。采用开尔文探针原子力显微镜测试了氧等离子体处理前和处理后的氧化石墨烯薄膜的功函，处理前氧化石墨烯的功函为5.0eV，氧等离子体处理后的氧化石墨烯薄膜的的功函为5.2eV，等离子体处理后的氧化石墨烯的功函明显增大。
实施例2：
在ITO导电玻璃上制备出2-3纳米氧化石墨烯的薄膜，在氧等离子体处理前后的氧化石墨烯薄膜上旋涂140nm厚的组分比例为1∶1的P3HT∶PCBM薄膜，然后在160℃下退后30分钟，转移到热蒸发系统中蒸镀金属电极制备如图1所示的有机太阳能电池结构。
于基底上表面制备阳极，将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在阳极表面，形成均匀的厚度范围为0.1纳米-100纳米的薄膜；然后对石墨烯或氧化石墨烯进行化学处理，再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备光敏层，再于远离阳极的光敏层另一侧制备阴极中间层4与阴极5，制备出有机太阳能电池；
或，于基底上表面依次制备阴极、阴极中间层4、光敏层，将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在光敏层表面，形成均匀的厚度范围为0.1纳米-100纳米的薄膜；然后对石墨烯或氧化石墨烯进行化学处理，再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备阳极，制备出有机太阳能电池。
对这两类电池进行I-V测试，未用氧等离子体处理的氧化石墨烯器件的短路电流是8.42mA/cm2，填充因子是55％。用氧等离子体处理的氧化石墨烯器件的短路电流是9.91mA/cm2，填充因子是60％。氧等离子体处理后的器件的光电转化效率由2.71％提高到3.59％，提高了32％。

Claims (9)

1.采用高功函石墨烯衍生物作为中间层的有机太阳能电池，包括层状相互叠合的阳极(1)与阴极(5)，以及在阳极(1)与阴极(5)之间的一光敏层(3)，在该阳极和光敏层之间设置中间层(2)，在所述的阴极和所述光敏层之间设置阴极中间层(4)，其特征在于：
所述中间层(2)的材料为高功函的石墨烯衍生物。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述高功函的石墨烯衍生物为氧化石墨烯，含有F、Cl、Br、氰基、磺酸基中一种或二种以上的石墨烯或氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：
所述高功函的石墨烯衍生物的功函大于5.0eV。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：
所述中间层(2)主要经空穴传导电流并且与所述阳极直接接触，所述光敏层(3)与所述中间层(2)直接接触，光敏层(3)的构成材料包含配对的p型半导体材料与n型半导体材料，其质量比为10∶1-1∶10；
所述阴极中间层(4)主要经电子传导电流并且与所述光敏层(3)直接接触，所述阴极(5)与所述阴极中间层(4)直接接触。
5.一种权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：
于基底上表面制备阳极，将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在阳极表面，形成均匀的厚度范围为0.1纳米-100纳米的薄膜；然后对石墨烯或氧化石墨烯进行化学处理，再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备光敏层，再于远离阳极的光敏层另一侧制备阴极中间层(4)与阴极(5)，制备出有机太阳能电池；
或，于基底上表面依次制备阴极、阴极中间层(4)、光敏层，将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在光敏层表面，形成均匀的厚度范围为0.1纳米-100纳米的薄膜；然后对石墨烯或氧化石墨烯进行化学处理，再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备阳极，制备出有机太阳能电池。
6.一种权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：将石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液，然后对溶液进行化学处理；
于基底上表面制备阳极，将化学处理的石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在阳极表面，形成均匀的厚度范围为0.1纳米-100纳米的薄膜；再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备光敏层，再于远离阳极的光敏层另一侧制备阴极中间层(4)与阴极(5)，制备出有机太阳能电池；
或，于基底上表面依次制备阴极、阴极中间层(4)、光敏层，将化学处理的石墨烯或氧化石墨烯配制成的溶液旋涂在光敏层表面，形成均匀的厚度范围为0.1纳米-100纳米的薄膜；再在改性后高功函的石墨烯或氧化石墨烯薄膜上制备阳极，制备出有机太阳能电池。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：化学处理前，石墨烯或氧化石墨烯溶液的浓度在0.01-100mg/mI。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：对石墨烯或氧化石墨烯的化学处理过程包括氧气等离子体处理、氧气与惰性气体(氩气或氮气等)等离子体处理、紫外-臭氧处理、氟化、氯化、溴化、氰基化、磺酸化方法中的一种或二种以上。
9.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：阳极与阴极均可朝向入射光并且可具有栅格结构。
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