CN106025086A - 一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池技术领域。从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底、PFN/聚芴材料PFBT双电子传输层、PCDTBT：PCBM活性层、MoO3/氧化石墨烯双空穴传输层和石墨阳极组成。该方法利用具有高导电率的两亲性聚芴材料PFBT结合PFN作为双电子传输层，代替传统TiO2,ZnO等无机传输层，提高与ITO的界面接触，减小界面复合，提高有机太阳能性能；同时，利用MoO3和氧化石墨烯相结合作为空穴传输层，采用喷墨打印技术在氧化石墨烯表面喷涂一层石墨电极，该方法简单使用，适合大面积推广，同时采用石墨代替传统Au，Ag，Al等材料，不存在金半接触，因此界面无肖特基势垒，降低了器件内部能量损失，从而提高器件的性能。

Description

一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机太阳能电池以其特有的柔性、低成本、可弯曲、可大面积印刷生产等优点得到大量研究报道，基于共混体系的反型有机太阳能电池目前已经获得较高的能量转换效率，为克服载流子传输不平衡的缺点，传统的反型有机太阳能电池一般采用无机氧化物作为传输层，然而，无机氧化物本身固有的缺陷，以及溶胶凝结法的缺点使制备的电池具有高的载流子复合、低的激子传输能力等缺点。解决无机传输层所带来的缺点，进一步提高电池效率是研究人员必须面对的问题。世界各地的研究人员尝试通过各种方法改善器件特性，提高器件性能，例如，界面修饰、活性层参杂、器件活性层改性等方法，而在本发明中通过采用双电子和双空穴传输层的方法代替传统无机氧化物电子和空穴传输层，并且利用双传输层优异的界面控制能力减小界面复合，提高载流子传输，进而提高有机太阳能电池的性能，
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。本发明器件制备过程基于溶液方法，工艺简单，低能耗，成本低，不产生有害副产物，易于操作。能够有效提高有机太阳能电池的效率，为未来纳米压印以及有机太阳能电池的发展有很大借鉴意义。
本发明所述的一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底、PFN(poly[(9,9-bis(3′-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9–dioctylfluorene)])/聚芴材料PFBT(Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(1,4-benzo-{2,1′,3}-thiadiazole)])双电子传输层、PCDTBT:PCBM活性层、MoO3/氧化石墨烯(Graphene)双空穴传输层、石墨阳极组成，即结构为玻璃/ITO/PFN/PFBT/PCDTBT:PCBM/MoO3/Graphene/C。本发明利用PFN材料界面偶极子特性调整ITO功函数，结合高导电率的两亲性聚芴材料作为电子传输层，代替传统TiO2、ZnO等无机传输层，提高与活性层的界面接触，减小界面复合，进而提高有机太阳能光电转换效率；同时，利用MoO3作为电子阻挡，结合高导电性氧化石墨烯两者作为双空穴传输层，采用喷墨打印技术在氧化石墨烯表面喷涂一层石墨电极，代替传统Au、Ag、Al等材料，不存在金半接触，因此界面无肖特基势垒，降低了器件内部能量损失，从而提高器件的性能。其中PFN层的厚度2～8nm，聚芴层的厚度为10～30nm，PCDTBT：PCBM活性层的厚度为200～300nm，MoO3层的厚度为4～6nm，氧化石墨烯层的厚度0.3～2nm，石墨阳极的厚度为80～120nm。
本发明所述的基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池制备包括四个部分：1，双电子传输层的制备；2，活性层制备；3，双空穴传输层的制备；4，电极制备。各过程依次进行。
本发明所述基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1)衬底的处理
将ITO导电玻璃分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗20～30分钟，清洗后用氮气吹干；
2)双电子传输层的制备
a，PFN电子传输层制备
将1～3mg PFN溶解在1mL甲醇溶剂中配制成浓度为1～3mg/mL的溶液，然后加入1～3uL乙酸，将所得PFN溶液旋涂在ITO表面，旋涂速度为1000～2000rpm，控制旋涂时间使在ITO上制得的PFN薄膜的厚度为2～8nm；
b，聚芴电子传输层制备
将聚芴PFBT溶解在四氢呋喃溶剂中配制成浓度为500～1500PPM的溶液，接着将所得PFBT溶液旋涂在PFN薄膜表面，旋涂速度为1000～2000rpm；然后在70～110℃条件下退火10～20min，控制旋涂时间使在PFN薄膜表面制得的聚芴PFBT薄膜的厚度为10～30nm，从而在ITO上制备得到PFN/PFBT双电子传输层；
3)活性层制备
a，活性层溶液配制
室温条件下，将购买的商用有机太阳能电池给体材料PCDTBT与受体材料PCBM按质量比1：4溶于有机溶剂二氯苯(北京百灵威公司)中，配置成浓度为5～10mg/mL的溶液，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，配置成PCDTBT：PCBM活性层溶液；
b，活性层制备
在PFBT薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM活性层溶液，旋涂速度为1000～2500rpm；然后在氮气氛围、70～100℃下退火10～40分钟，控制旋涂时间使在PFN/PFBT双电子传输层上制得的PCDTBT:PCBM活性层的厚度为200～300nm；
4)双空穴传输层的制备
a，MoO3空穴传输层制备
采用水热方法在PCDTBT:PCBM活性层表面制备MoO3薄膜，其具体过程包括：20～30℃下，首先，将钼酸铵((NH4)6Mo7O24)溶于1～5mL水配置成浓度为0.005～0.03moL/L的钼酸铵水溶液；然后将浓盐酸进行稀释，配置成浓度为1～3moL/L的盐酸水溶液，再将配置好的盐酸水溶液逐滴加入到钼酸铵水溶液中，滴加过程中不断搅拌，直至pH＝1～1.5，制备得到MoO3水溶液；
将MoO3水溶液以2000～3000转每秒的转速旋涂在PCDTBT:PCBM活性层表面，便得到MoO3空穴传输层，厚度为4～6nm；
b，氧化石墨烯空穴传输层制备
将反应瓶放入装有冰水混合溶液的大烧杯中，向反应瓶加入50～150mL的浓硫酸(质量分数95～98％)，搅拌下加入1～5g石墨粉和0.5～1.5g硝酸钠的固体混合物，再分3次一共加入4～10g高锰酸钾，控制反应温度不超过15～25℃，搅拌反应10～30min后升温到30～40℃，继续搅拌20～40min后缓慢加入10～30mL的去离子水，搅拌10～30min后加入10～30mL双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色；趁热过滤，并用质量分数5％的HCl水溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止；最后将滤饼置于50～70℃的真空条件下充分干燥，得到氧化石墨烯；
将干燥后的氧化石墨烯溶解在水和甲醇溶剂(水和甲醇的体积比例1：1)中配制成1～3mg/mL的溶液，接着将所得溶液旋涂在MoO3空穴传输层表面，旋涂速度为4000～6000rpm，控制旋涂时间使氧化石墨烯空穴传输层的厚度为0.3～2nm；
5)石墨电极制备
在氧化石墨烯空穴传输层表面喷涂一层石墨作为电极，厚度为80～120nm，进而制备得到本发明所述的有机太阳能电池。
附图说明
图1：本发明所述有机太阳能电池的结构示意图；
图2：本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池光电流曲线的对比
如图1所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为ITO导电玻璃衬底，2为PFN电子传输层，3为聚芴电子传输层，4为活性层，5为MoO3空穴传输层，6为氧化石墨烯空穴传输层，7为C电极。
如图2所示，在100mw/cm2的氙灯光照下测得了V-I特性曲线，a为传统ITO/PFN/PCDTBT:PCBM/MoO3/Ag器件，b为本发明所述器件。图2结果说明本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型有机太阳能电池光电流曲线的对比，其电池短路电流，填充因子，能量转换效率明显提高。
具体实施方式
1)衬底的处理
将ITO导电玻璃放入烧杯中，分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗30分钟，清洗后用氮气吹干；
2)双电子传输层的制备
a，PFN电子传输层制备
将2mg PFN溶解在1mL甲醇溶剂中配制成浓度为2mg/mL的溶液，加入2uL乙酸，接着将所得PFN溶液利用旋转涂敷法旋涂在ITO表面，旋涂速度为2000rpm；即可在ITO上制得PFN薄膜，薄膜的厚度为4nm；
b，聚芴电子传输层制备
将聚芴PFBT溶解在四氢呋喃溶剂中配制成1000PPM的溶剂待用，接着将所得PFBT溶剂利用旋转涂敷法旋涂在PFN薄膜表面，旋涂速度为1500rpm；然后将带有PFBT的ITO导电玻璃在80℃条件下退火20min；即可在PFN薄膜表面制得聚芴薄膜，薄膜的厚度为20nm，从而制备得到PFN/PFBT双电子传输层；
3)活性层制备
a，活性层溶液配制
室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM(质量比1:4)溶于有机溶剂二氯苯(北京百灵威公司)中，配置成7mg/mL的溶液，然后在300rpm的搅拌速度下搅拌48h，即可配置成PCDTBT：PCBM的混合溶液；
b，活性层制备
在PFN/PFBT双电子传输层上旋涂PCDTBT:PCBM混合溶液，转速为2000rpm；然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70℃退火20分钟，从而在PFN/PFBT双电子传输层上制得PCDTBT:PCBM活性层，厚度为260nm；
4)双空穴传输层的制备
a，MoO3传输层制备
室温25℃下，首先，将钼酸铵((NH4)6Mo7O24)溶于1mL水配置成0.01moL/L的溶液，然后对浓盐酸进行稀释，配置成2moL/L的水溶液待用。然后将配置好的盐酸溶液逐滴加入到钼酸铵水溶液中，滴加过程中不断进行搅拌，直到pH接近1左右，便制备出MoO3水溶液。利用旋转涂覆法将MoO3水溶液以3000转每秒的转速旋涂在活性层表面，得到MoO3空穴伟输层，MoO3传输层厚度约为5nm。
b，氧化石墨烯传输层制备
在冰水浴中装配好反应瓶，加入100mL的浓硫酸(质量分数98％)，搅拌下加入2g石墨粉和1g硝酸钠的固体混合物，再分3次加入6g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌反应30min然后升温到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入10mL的去离子水，续拌20min后，并加入15mL双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。趁热过滤，并用质量分数5％的HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止。最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥。
将干燥后的氧化石墨烯溶解在水和甲醇溶剂(水和甲醇的体积比1:1)中配制成2mg/mL的溶液，接着将所得溶液利用旋转涂敷法旋涂在MoO3表面，旋涂速度为5000rpm；薄膜的厚度为1nm；
5)石墨电极制备
利用喷墨打印机，在氧化石墨烯表面喷涂一层石墨作为电极，厚度为100nm，进而制备得到本发明所述的有机太阳能电池。

Claims (3)

1.一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底、PFN/聚芴材料PFBT双电子传输层、PCDTBT：PCBM活性层、MoO3/氧化石墨烯双空穴传输层和石墨阳极组成。
2.如权利要求1所述的一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池，其特征在于：PFN层的厚度2～8nm，聚芴层的厚度为10～30nm，PCDTBT：PCBM活性层的厚度为200～300nm，MoO3层的厚度为4～6nm，氧化石墨烯层的厚度0.3～2nm，石墨阳极的厚度为80～120nm。
3.权利要求1或2所述的一种基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1)衬底的处理
将ITO导电玻璃分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗20～30分钟，清洗后用氮气吹干；
2)双电子传输层的制备
a，PFN电子传输层制备
将1～3mg PFN溶解在1mL甲醇溶剂中配制成浓度为1～3mg/mL的溶液，然后加入1～3uL乙酸，将所得PFN溶液旋涂在清洁处理的ITO表面，旋涂速度为1000～2000rpm，控制旋涂时间使在ITO上制得的PFN薄膜的厚度为2～8nm；
b，聚芴电子传输层制备
将聚芴PFBT溶解在四氢呋喃溶剂中配制成浓度为500～1500PPM的溶液，接着将所得PFBT溶液旋涂在PFN薄膜表面，旋涂速度为1000～2000rpm；然后在70～110℃条件下退火10～20min，控制旋涂时间使在PFN薄膜表面制得的聚芴PFBT薄膜的厚度为10～30nm，从而在ITO上制备得到PFN/PFBT双电子传输层；
3)活性层制备
a，活性层溶液配制
室温条件下，将有机太阳能电池给体材料PCDTBT与受体材料PCBM按质量比1：4溶于有机溶剂二氯苯中，配置成浓度为5～10mg/mL的溶液，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，配置成PCDTBT：PCBM活性层溶液；
b，活性层制备
在PFBT薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM活性层溶液，旋涂速度为1000～2500rpm；然后在氮气氛围、70～100℃下退火10～40分钟，控制旋涂时间使在PFN/PFBT双电子传输层上制得的PCDTBT:PCBM活性层的厚度为200～300nm；
4)双空穴传输层的制备
a，MoO3空穴传输层制备
将钼酸铵((NH4)6Mo7O24)溶于1～5mL水配置成浓度为0.005～0.03moL/L的钼酸铵水溶液；然后将浓盐酸进行稀释，配置成浓度为1～3moL/L的盐酸水溶液，再将配置好的盐酸水溶液逐滴加入到钼酸铵水溶液中，滴加过程中不断搅拌，直至pH＝1～1.5，制备得到MoO3水溶液；将MoO3水溶液以2000～3000转每秒的转速旋涂在PCDTBT:PCBM活性层表面，便得到MoO3空穴传输层，厚度为4～6nm；
b，氧化石墨烯空穴传输层制备
将反应瓶放入装有冰水混合溶液的大烧杯中，向反应瓶加入50～150mL、质量分数95～98％的浓硫酸，搅拌下加入1～5g石墨粉和0.5～1.5g硝酸钠的固体混合物，再分2～4次一共加入4～10g高锰酸钾，控制反应温度不超过15～25℃，搅拌反应10～30min后升温到30～40℃，继续搅拌20～40min后缓慢加入10～30mL的去离子水，搅拌10～30min后加入10～30mL双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色；趁热过滤，并用质量分数5％的HCl水溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止；最后将滤饼置于50～70℃的真空条件下充分干燥，得到氧化石墨烯；
将干燥后的氧化石墨烯溶解在水和甲醇溶剂中配制成1～3mg/mL的溶液，水和甲醇的体积比例1：1，接着将所得溶液旋涂在MoO3空穴传输层表面，旋涂速度为4000～6000rpm，控制旋涂时间使氧化石墨烯空穴传输层的厚度为0.3～2nm；
5)石墨电极制备
在氧化石墨烯空穴传输层表面喷涂一层石墨作为电极，厚度为80～120nm，从而制备得到基于双电子和双空穴传输层的有机太阳能电池。
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