CN107833971A - 一种基于石墨烯的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的有机太阳能电池及其制备方法，所述的基于石墨烯的有机太阳能电池，自下而上包括：衬底(1)、石墨烯阴极(2)、电子传输层(3)、有机光活性层(4)、空穴传输层(5)、阳极(6)，其特征在于：所述石墨烯阴极(2)，采用石墨烯，用于收集电子，所述石墨烯阴极(2)的厚度为20‑40nm。所述电子传输层(3)，采用原子层沉积技术制备的TiO₂，用于修饰阴极界面，阻挡空穴，传输电子，所述TiO₂电子传输层（3）的厚度为10‑20nm。本发明采用石墨烯作为阴极，原子层沉积技术制备的TiO₂作为电子传输层，石墨烯与原子层沉积技术制备的TiO₂能级匹配良好，界面特性良好而稳定，有利于电子经由TiO₂电子传输被石墨烯阴极收集，同时有利于提高电池的稳定性和寿命。

Description

一种基于石墨烯的有机太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明石墨烯制备和应用技术领域，具体为一种基于石墨烯的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

当今社会，经济的迅猛发展带来了诸如能源危机和全球变暖等严峻问题，可再生清洁能源的发展与利用已经受到全世界的广泛关注。区别于煤、石油、天然气等传统能源，太阳能是一种绿色、清洁、可再生能源，取之不尽用之不竭，有潜力成为未来能源供给中的重要组成部分。太阳能电池作为一种光电转换器件，其研究与应用已经受到越来越多的重视。与成本高昂的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池采用有机半导体材料作为光活性层，具有成本低廉、光吸收系数高、质地轻、柔韧性好、制造工艺简单等特点。随着近年来国内外相关研究的不断深入，有机太阳能电池的光电转换效率和稳定性不断提升。与正向结构的有机太阳能电池相比，倒置结构的有机太阳能电池对于提高电池的寿命，促进有机材料相分离，提高电池的效率均有重要意义。倒置结构有机太阳能电池，受到越来越多的关注。

传统的有机太阳能电池使用氧化铟锡(ITO)作为透明电极，但是ITO电极存在一系列问题，主要表现在：1、铟资源是稀有资源且不可再生，价格高昂。2、ITO的脆性，高温条件下的差的导电性限制了ITO在包括柔性器件等诸多特殊领域的应用。另一方面，对倒置有机太阳能电池的阴极修饰非常重要，必要的阴极修饰对于降低阴极功函数，促进欧姆接触的形成，加速电子的收集至关重要，同时阴极有活性层直接的界面特性也对有机太阳能电池的寿命存在决定性的影响。因此，为了提高有机太阳能电池的能量转换效率，在电池结构中通常需要加入电极修饰层以实现界面的能级匹配和高效的电荷载流子传输。

所以，提供一种新的倒置有机太阳能电池的阴极，并采用有效的修饰手段，降低其功函数，提高界面活性，最终提高电池效率和寿命成为我们要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的有机太阳能电池及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的氧化铟锡(ITO)作为透明电极，价格高昂。特殊领域应用性较差以及界面修饰的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

作为本发明的一个方面，提供了一种基于石墨烯的有机太阳能电池，自下而上包括：衬底、石墨烯阴极、电子传输层、有机光活性层、空穴传输层、阳极，其特征在于：所述石墨烯阴极，采用石墨烯，用于收集电子，所述石墨烯阴极的厚度为20-40 nm。；所述电子传输层，采用原子层沉积技术制备的TiO2，用于修饰阴极界面，阻挡空穴，传输电子，所述TiO2电子传输层的厚度为10-20 nm。

优选的，所述的衬底包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及PET等聚合物柔性衬底。

优选的，所述的有机光活性层为给受体混合的体异质结结构，有机光活性层的厚度为 50-100 nm。

优选的，所述的空穴传输层为复合结构，包括一层有机空穴传输层和一层无机空穴传输层，所述的无机空穴传输层为高功函数的无机透明金属氧化物，包括但不限于MoO3、WO3或者V2O5，其中有机空穴传输层的厚度5-50 nm，无机空穴传输层的厚度2-20 nm，。

优选的，所述的阳极采用金属Au、Ag、Cu或者Al，阳极为不透明结构，阳极的厚度为100-1000 nm。

作为本发明的另一个方面，提供了一种基于石墨烯的有机太阳能电池的制备方法，器件的制备包括如下步骤，

S1、清洗衬底基片：将在衬底上长有石墨烯阴极的基片依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗 5-15min，清洗完成后用氮气枪吹干，吹干后在254 nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；

S2、制备TiO2电子传输层：在透明导电基片上通过原子层沉积(ALD)技术制备一层致密的TiO2作为电子传输层，TiO2电子传输层的厚度为10-20 nm。

S3、制备有机光活性层:采用双源共蒸法或者旋转涂覆法，在TiO2电子传输层上制备一层厚度50-100 nm的有机给受体混合体异质结薄膜作为有机光活性层。

S4、制备空穴传输层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在有机光活性层上制备一层厚度5-50 nm的有机空穴传输层，采用热蒸镀法，真空度小于10^-4Pa真空镀膜机中，在有机空穴传输层上生长一层厚度2-20 nm的高功函数的无机透明金属氧化物作为无机空穴传输层，完成空穴传输层。

S5、制备阳极：采用热蒸镀在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100-1000 nm金属Au、Ag、Cu或者Al作为不透明的金属阳极，完成器件的制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用20-40 nm的石墨烯作为有机太阳能电池的阴极，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，有利于更多的光子进入有机太阳能电池的光活性层，也有利于电子的收集，并最终有利于提高电池的效率。石墨烯具备极强的稳定性，抗腐蚀性强，与溶液工艺兼容，不但有利于后续有机太阳能电池的各种溶液工艺的进行，更有利于提高电池的寿命。 (2)本发明采用原子层沉积技术制备纳米结构致密TiO2薄膜作为电子传输层，避免了传统的溶液工艺和高温烧结工艺，制备方法简单。特别是原子层沉积技术形成的晶粒尺寸相对均匀，呈现出表面相对光滑且连续致密的形貌，与传统的溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜相比，不仅具有较高的结晶度，成膜均匀，而且阻抗较小，光生电流密度显著提高，能显著提升器件的光电转化效率和热稳定性。(3)采用石墨烯作为阴极，原子层沉积技术制备的TiO2作为电子传输层，石墨烯与原子层沉积技术制备的TiO2能级匹配良好，界面特性良好而稳定，有利于电子经由TiO2电子传输被石墨烯阴极收集，同时有利于提高电池的稳定性和寿命。

附图说明

图1为本发明的一种基于石墨烯的有机太阳能电池结构示意图；

图2为本发明的一种基于石墨烯的有机太阳能电池的制作流程示意图。

图中：1-衬底，2-石墨烯阴极，3-电子传输层，4-有机光活性层，5、空穴传输层，6-阳极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于石墨烯的有机太阳能电池，自下而上包括：衬底1、石墨烯阴极2、电子传输层3、有机光活性层4、空穴传输层5、阳极6，所述石墨烯阴极2，采用石墨烯，用于收集电子，所述石墨烯阴极2 的厚度为20-40 nm。；所述电子传输层3，采用原子层沉积技术制备的TiO2，用于修饰阴极界面，阻挡空穴，传输电子，所述TiO2电子传输层3的厚度为10-20 nm。所述的衬底1包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及PET等聚合物柔性衬底。所述的有机光活性层4为给受体混合的体异质结结构，有机光活性层4的厚度为50-100 nm。所述的空穴传输层5为复合结构，包括一层有机空穴传输层和一层无机空穴传输层，所述的无机空穴传输层为高功函数的无机透明金属氧化物，包括但不限于MoO3、WO3或者V2O5，其中有机空穴传输层的厚度5-50 nm，无机空穴传输层的厚度2-20 nm。

所述的阳极6采用金属Au、Ag、Cu或者Al，阳极6为不透明结构，阳极6的厚度为100-1000 nm。

一种基于石墨烯的有机太阳能电池的制备方法，器件的制备包括如下步骤，

S1、清洗衬底基片：将在衬底上长有石墨烯阴极的基片依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗 5-15min，清洗完成后用氮气枪吹干，吹干后在254 nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；

S2、制备TiO2电子传输层：在透明导电基片上通过原子层沉积(ALD)技术制备一层致密的TiO2作为电子传输层，TiO2电子传输层的厚度为10-20 nm；

S3、制备有机光活性层:采用双源共蒸法或者旋转涂覆法，在TiO2电子传输层上制备一层厚度50-100 nm的有机给受体混合体异质结薄膜作为有机光活性层；

S4、制备空穴传输层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在有机光活性层上制备一层厚度5-50 nm的有机空穴传输层，采用热蒸镀法，真空度小于10^-4Pa真空镀膜机中，在有机空穴传输层上生长一层厚度2-20 nm的高功函数的无机透明金属氧化物作为无机空穴传输层，完成空穴传输层；

S5、制备阳极：采用热蒸镀在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100-1000 nm金属Au、Ag、Cu或者Al作为不透明的金属阳极，完成器件的制备。

与传统的ITO电极或者其他阴极修饰方法相比，本发明的成功是基于以下几点：(1)本发明采用20-40 nm的石墨烯作为有机太阳能电池的阴极，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，有利于更多的光子进入有机太阳能电池的光活性层，也有利于电子的收集，并最终有利于提高电池的效率。石墨烯具备极强的稳定性，抗腐蚀性强，与溶液工艺兼容，不但有利于后续有机太阳能电池的各种溶液工艺的进行，更有利于提高电池的寿命。 (2)本发明采用原子层沉积技术制备纳米结构致密TiO2薄膜作为电子传输层，避免了传统的溶液工艺和高温烧结工艺，制备方法简单。特别是原子层沉积技术形成的晶粒尺寸相对均匀，呈现出表面相对光滑且连续致密的形貌，与传统的溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜相比，不仅具有较高的结晶度，成膜均匀，而且阻抗较小，光生电流密度显著提高，能显著提升器件的光电转化效率和热稳定性。(3)采用石墨烯作为阴极，原子层沉积技术制备的TiO2作为电子传输层，石墨烯与原子层沉积技术制备的TiO2能级匹配良好，界面特性良好而稳定，有利于电子经由TiO2电子传输被石墨烯阴极收集，同时有利于提高电池的稳定性和寿命。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的有机太阳能电池，自下而上包括：衬底(1)、石墨烯阴极(2)、电子传输层(3)、有机光活性层(4)、空穴传输层(5)、阳极(6)，其特征在于：所述石墨烯阴极(2)，采用石墨烯，用于收集电子，所述石墨烯阴极(2) 的厚度为20-40 nm；所述电子传输层(3)，采用原子层沉积技术制备的TiO2，用于修饰阴极界面，阻挡空穴，传输电子，所述TiO2电子传输层（3）的厚度为10-20 nm。

2.根据权利要求 1 所述的一种基于石墨烯的有机太阳能电池，其特征在于：所述的衬底(1)包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及PET等聚合物柔性衬底。

3.根据权利要求 1 所述的一种基于石墨烯的有机太阳能电池，其特征在于：

所述的有机光活性层(4)为给受体混合的体异质结结构，有机光活性层(4)的厚度为50-100 nm。

4.根据权利要求 1 所述的一种基于石墨烯的有机太阳能电池，其特征在于：

所述的空穴传输层(5)为复合结构，包括一层有机空穴传输层和一层无机空穴传输层，所述的无机空穴传输层为高功函数的无机透明金属氧化物，包括但不限于MoO3、WO3或者V2O5，其中有机空穴传输层的厚度5-50 nm，无机空穴传输层的厚度2-20 nm，。

5.根据权利要求 1 所述的一种基于石墨烯的有机太阳能电池，其特征在于：所述的阳极(6)采用金属Au、Ag、Cu或者Al，阳极(6)为不透明结构，阳极(6)的厚度为100-1000 nm。

6.根据权利要求 1 所述的一种基于石墨烯的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：器件的制备包括如下步骤，

S1、清洗衬底基片：将在衬底上长有石墨烯阴极的基片依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗 5-15 min，清洗完成后用氮气枪吹干，吹干后在254 nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；

S2、制备TiO2电子传输层：在透明导电基片上通过原子层沉积(ALD)技术制备一层致密的TiO2作为电子传输层，TiO2电子传输层的厚度为10-20 nm；

S3、制备有机光活性层:采用双源共蒸法或者旋转涂覆法，在TiO2电子传输层上制备一层厚度50-100 nm的有机给受体混合体异质结薄膜作为有机光活性层；

S4、制备空穴传输层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在有机光活性层上制备一层厚度5-50 nm的有机空穴传输层，采用热蒸镀法，真空度小于10^-4Pa真空镀膜机中，在有机空穴传输层上生长一层厚度2-20 nm的高功函数的无机透明金属氧化物作为无机空穴传输层，完成空穴传输层；

S5、制备阳极：采用热蒸镀在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100-1000 nm金属Au、Ag、Cu或者Al作为不透明的金属阳极，完成器件的制备。