CN106449996B - 一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池制备技术领域。本发明通过简单的水热方法合成层状结构功能性洋葱碳纳米粒子，利用其高的电荷收集能力制作洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极，并将该电极用于聚合物有机太阳能电池阳极的制作。洋葱碳纳米粒子由多层片状单层碳分子组成，具有很好的电荷存储效应，由于洋葱碳纳米粒子特殊层状结构，能够有效实现电荷收集与传输，因此可以有效加快太阳能电池载流子收集。同时，由于碳材料具有较高的光吸收特性，当材料接受光照以后，光激发电子能够有效填补银电极与传输层之间的界面陷阱，因此能够有效改善界面电荷传输，进而提高有机太阳能电池能量转换效率。

Description

一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极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制备技术领域，具体涉及一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
聚合物有机太阳能电池以其特有的柔性，低成本，可大面积生产等优点近年来被大量研究，目前的能量转换效率已经超过10％。然而对于聚合物有机太阳能电池来说，高的载流子复合、低的光吸收是研究人员必须面对的问题。碳纳米粒子材料因其绿色环保高性能的特点近年来也越来越受到研究人员的关注，通过简单的方法合成的特殊结构的碳纳米粒子在太阳能电池领域也得到了一定的应用，并且取得一定的效果。本发明中通过合成高电荷存储性能的洋葱结构碳纳米粒子，通过制作洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极，提高有机太阳能电池电荷收集效率，提高太阳能电池器件效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池及其制备方法。
本发明所述的一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池，洋葱碳纳米粒子合成工艺简单，洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极电荷收集能力高，电池从下至上结构依次为ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、PTB7:PCBM活性层、MoO3空穴传输层、洋葱碳纳米粒子/Ag复合阳极组成，即结构为玻璃/ITO/TiO2/PTB7:PCBM/MoO3/C/Ag。
本发明通过简单的水热方法合成层状结构功能性洋葱碳纳米粒子，利用其高的电荷收集能力制作洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极，并将该电极用于聚合物有机太阳能电池阳极的制作。洋葱碳纳米粒子由多层片状单层碳分子组成，形状类似洋葱，具有很好的电荷存储效应，由于洋葱碳纳米粒子特殊层状结构，能够有效实现电荷收集与传输，因此可以有效加快太阳能电池载流子收集。同时，由于碳材料具有较高的光吸收特性，当材料接受光照以后，光激发电子能够有效填补银电极与传输层之间的界面陷阱，因此能够有效改善界面电荷传输，进而提高有机太阳能电池能量转换效率。该方法简单实用，材料及器件制备过程基于溶液方法，成本低，易于操作，为未来有机太阳能电池的发展有很大借鉴意义。
其中TiO2电子传输层的厚度为30～50纳米，活性层的厚度为100～300nm，MoO3空穴传输层的厚度为3～8nm，洋葱碳纳米粒子层的厚度为20～60nm，Ag阳极的厚度为80～120nm。
本发明所述的一种洋葱碳的合成方法及由其制作的有机太阳能电池复合电极制备方法，包括：1、洋葱碳纳米粒子合成；2、TiO2电子传输层的制备；3、活性层的制备；4、MoO3空穴传输层的制备；5、C/Ag复合电极的制备。
具体步骤为：
1)洋葱碳纳米粒子的合成
5～10mL的CHCl3加入到10～20mL的反应釜，在氩气环境中加入200～400mg的金属钾，然后反应釜在真空干燥箱内60～100摄氏度加热8～12小时，产物用乙醇与去离子水交替清洗3～7次，最后40～60摄氏度烘干10～18小时得到洋葱碳纳米粒子，纳米粒子直径20～60纳米；
2)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；
3)电子传输层的制备
a，TiO2溶胶配置
向30～60mL的无水乙醇中加入5～20mL的C16H36O4Ti，搅拌50～90分钟；加入5～20mL冰醋酸和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL乙酰丙酮和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL去离子水和10～30mL无水乙醇，搅拌15～30h；静置2～4天后得到TiO2溶胶；
b，TiO2电子传输层的制备
将制得的TiO2溶胶旋涂在清洗后的ITO表面，旋涂速度为3000～5000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃在350～500℃条件下退火2～3h；自然冷却至室温后，即在ITO导电玻璃上制得TiO2电子传输层，厚度为30～50nm；
4)活性层的制备
a，活性层溶液的配制
室温条件下，将购买的商用有机太阳能电池给体材料PTB7与受体材料PCBM以质量比1：1.5的比例溶于有机溶剂氯苯(北京百灵威公司)中，给体材料的浓度为5～10mg/mL，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，即配置成活性层溶液；
b，活性层的制备
在TiO2电子传输层上旋涂活性层溶液制备活性层，旋涂速度为1000～1500rpm，制得的活性层的厚度为100～300nm；
5)MoO3空穴传输层的制备
在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在活性层上蒸镀MoO3(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为3～8nm，生长速度为
6)洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极制备
a,室温条件下，将步骤1)制备的洋葱碳纳米粒子溶于有机溶剂氯苯(北京百灵威公司)中，浓度为0.5～1.5mg/mL，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h；
在MoO3层上旋涂上述洋葱碳纳米粒子溶液制备洋葱碳层，旋涂速度为1000～1500rpm，制得的洋葱碳层的厚度为20～60nm；
b,在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下，在洋葱碳层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为80～120nm，生长速度为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：本发明所述洋葱碳TEM图；
图2：本发明所述有机太阳能电池的结构示意图；
图3：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。
如图1所示，本发明所述洋葱碳纳米粒子TEM图，纳米粒子由多层片状单层碳分子组成，形状类似洋葱，具有很好的电荷存储效应，
如图2所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为玻璃，2为ITO，3为TiO2电子传输层，4为PTB7:PCBM活性层，5为MoO3空穴传输层，6位洋葱碳纳米粒子层，7为Ag电极。
如图3所示，在100mw/cm2的太阳光模拟器光照下测得了V-I特性曲线，A为传统ITO/TiO2/PTB7: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
实施例1
1)洋葱碳纳米粒子的合成
8mL的CHCl3加入到10mL的反应釜，在氩气环境中加入300mg的金属钾，然后反应釜在真空干燥箱内80度加热10小时，产物用乙醇与去离子水轮流清洗5次，最后50度烘干12小时得到洋葱碳纳米粒子，纳米粒子直径40nm。
2)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30分钟，清洗后用氮气吹干；
3)电子传输层的制备
a，TiO2溶胶配置
向40mL的无水乙醇中加入10mL的C16H36O4Ti搅拌均匀60分钟；加入10mL冰醋酸和20mL无水乙醇，搅拌30分钟；加入10mL乙酰丙酮和20mL无水乙醇，搅拌30分钟；加入10mL去离子水和20mL无水乙醇，搅拌24h；静置3天，最终形成TiO2溶胶。
b，TiO2电子传输层的制备
将制得的TiO2溶胶旋涂在ITO表面，旋涂速度为3000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃用马弗炉在450℃条件下焙烧2h；自然冷却降温到室温后，即可在ITO上制得TiO2电子传输层，厚度为40nm。
4)活性层制备
a，活性层溶液的配制
室温条件下，将购买的商用有机太阳能电池给体材料PTB7与受体材料PCBM(质量比1:1.5)溶于有机溶剂氯苯(北京百灵威公司)中，配置成浓度为10mg/mL的溶液，然后在300rpm的搅拌速度下搅拌48h，即可配置成活性层溶液；
b，活性层制备
在TiO2电子传输层上旋涂活性层溶液制备活性层，旋涂速度为1000rpm，制得的活性层的厚度为200nm；
5)MoO3空穴传输层制备
在压强为1×10-5Pa条件下，在活性层上蒸镀MoO3(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为4nm，生长速度为
6)洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极制备
a,室温条件下，将洋葱碳纳米粒子以1mg/mL的比例溶于有机溶剂氯苯(北京百灵威公司)中，然后在300rpm的搅拌速度下搅拌24h，即配置成C溶液；在MoO3层上旋涂C溶液制备洋葱碳层，旋涂速度为1000rpm，制得的洋葱碳纳米粒子层的厚度为40nm；
b,在压强为1×10-5条件下在洋葱碳层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为100nm，生长速度为进而制备得到本发明所述的有机太阳能电池。

Claims (2)

1.一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池，从下至上结构依次为ITO导电玻璃衬底、TiO2电子传输层、PTB7:PCBM活性层、MoO3空穴传输层、阳极组成；其特征在于：阳极为洋葱碳纳米粒子/Ag复合阳极，洋葱碳纳米粒子由多层片状单层碳分子组成，形状类似洋葱；且该太阳能电池由如下步骤制备得到，
1)洋葱碳纳米粒子的合成
将5～10mL的CHCl3加入到10～20mL的反应釜，在氩气环境中加入200～400mg的金属钾，然后反应釜在真空干燥箱内60～100摄氏度加热8～12小时，产物用乙醇与去离子水交替清洗3～7次，最后40～60摄氏度烘干10～18小时得到洋葱碳纳米粒子，纳米粒子直径20～60纳米；
2)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；
3)电子传输层的制备
a，TiO2溶胶配置
向30～60mL的无水乙醇中加入5～20mL的C16H36O4Ti，搅拌50～90分钟；加入5～20mL冰醋酸和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL乙酰丙酮和10～30mL无水乙醇，搅拌20～40分钟；加入5～20mL去离子水和10～30mL无水乙醇，搅拌15～30h；静置2～4天后得到TiO2溶胶；
b，TiO2电子传输层的制备
将制得的TiO2溶胶旋涂在清洗后的ITO表面，旋涂速度为3000～5000rpm；然后将带有TiO2溶胶的ITO导电玻璃在350～500℃条件下退火2～3h；自然冷却至室温后，即在ITO导电玻璃上制得TiO2电子传输层，厚度为30～50nm；
4)活性层的制备
a，活性层溶液的配制
室温条件下，将有机太阳能电池给体材料PTB7与受体材料PCBM以质量比1：1.5的比例溶于有机溶剂氯苯中，给体材料的浓度为5～10mg/mL，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h，配置成活性层溶液；
b，活性层的制备
在TiO2电子传输层上旋涂活性层溶液制备活性层，旋涂速度为1000～1500rpm，制得的活性层的厚度为100～300nm；
5)MoO3空穴传输层的制备
在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在活性层上蒸镀MoO3空穴传输层，厚度为3～8nm，生长速度为
6)洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极制备
a,室温条件下，将步骤1)制备的洋葱碳纳米粒子溶于有机溶剂氯苯中，浓度为0.5～1.5mg/mL，然后在100～400rpm的搅拌速度下搅拌24～48h；
在MoO3层上旋涂上述洋葱碳纳米粒子溶液制备洋葱碳纳米粒子层，旋涂速度为1000～1500rpm，制得的洋葱碳纳米粒子层的厚度为20～60nm；
b,在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下，在洋葱碳层上蒸镀Ag电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备得到基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池。
2.如权利要求1所述的一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池，其特征在于：TiO2电子传输层的厚度为30～50纳米，PTB7:PCBM活性层的厚度为100～300nm，MoO3空穴传输层的厚度为3～8nm，洋葱碳纳米粒子层的厚度为20～60nm，Ag阳极的厚度为80～120nm。
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