CN108574045A - 一种高光电转换效率的有机光伏电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高光电转换效率的有机光伏电池，由旋涂在ITO基底上的ZnO阴极缓冲层和活性层，顺次蒸镀在活性层上的MoO3阳极修饰层和Al电极层构成，其中活性层是以PTB7为电子给体，PC71BM为电子受体，掺杂利用1‑乙基‑3‑甲基咪唑三氟乙酸盐液相辅助剥离锑得到的二维材料AMQSs构成。本发明将AMQSs掺杂在活性层材料中制备有机光伏电池，有效改善了有机光伏电池的光电转换效率。

Description

一种高光电转换效率的有机光伏电池
技术领域
本发明属于光伏电池技术领域，涉及一种有机光伏电池，特别是涉及一种具有高的光电转换效率的有机光伏电池。
背景技术
有机光伏电池(OPVs)具有柔性、廉价及易于大规模制备等优异性能，已经引起了众多科研工作者的广泛关注。过去几十年里，OPVs得到了迅猛发展，单结OPVs的光电转换效率已经高达12%。
但是，与无机光伏电池和钙钛矿电池相比，OPVs的光电转换效率还是太低。而限制OPVs性能的主要原因在于有机材料的固有性质造成了电池对光的低吸收和相对较低的载流子迁移率。
开发新的窄带隙材料，以及对现有有机发光材料进行界面修饰，是解决上述问题的常规技术手段。
最新研究证明，在电池中引入二维结构材料，可以改善OPVs的性能。这是由于二维结构材料具有散射效应和表面等离子体激元共振效应，可用于改善OPVs活性层对光的吸收，进而改善其电学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高光电转换效率的有机光伏电池。
本发明所述的高光电转换效率的有机光伏电池是由旋涂在ITO基底上的ZnO阴极缓冲层、旋涂在所述ZnO阴极缓冲层上的活性层，以及顺次蒸镀在所述活性层上的MoO3阳极修饰层和Al电极层构成，其中，所述的活性层是以聚苯并二噻吩-噻吩并噻吩(PTB7)作为电子给体，[6,6]-苯基-碳71-丁酸甲酯(PC71BM)作为电子受体，并掺杂有二维材料锑烯量子片(AMQSs)构成。
其中，所述活性层中掺杂的二维材料AMQSs的质量占活性层组分总质量的1.5～8.5%。
进一步地，所述有机光伏电池的活性层中，所述PTB7与PC71BM的质量比优选为10∶12～18。
本发明所述的有机光伏电池中，所述ZnO阴极缓冲层的厚度为40nm，活性层的厚度为95nm，MoO3阳极修饰层的厚度为5nm，Al电极层的厚度为80nm。
具体地，本发明所述高光电转换效率的有机光伏电池的制备方法是先在处理好的ITO基底上旋涂ZnO阴极缓冲层，再将PTB7和PC71BM溶解在氯苯与1,8-二碘辛烷的混合溶剂中配制成活性层溶液，并在所述活性层溶液中掺杂AMQSs后，旋涂在ZnO阴极缓冲层上，依次蒸镀MoO3阳极修饰层和Al电极层，制备得到有机光伏电池。
其中，所述氯苯与1,8-二碘辛烷的混合溶剂中，1,8-二碘辛烷的体积浓度为1～3%。
本发明在处理好的ITO基底上旋涂ZnO阴极缓冲层后，200℃热退火0.5～1.5h。
进而，本发明所述有机光伏电池中掺杂的AMQSs可以按照下述方法制备得到：将锑颗粒充分研磨，加入1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中，冰浴下混合超声不少于8h，利用1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐液相辅助剥离锑，制成AMQSs。
其中，所述超声处理的功率不低于400W。
本发明制备合成了新型的二维材料AMQSs，所制备材料不仅浓度高、质量好，而且形貌均一。将其掺杂在OPVs的活性层材料中制备OPVs器件，有效改善了OPVs的光电转换效率。
与未掺杂AMQSs的对比器件相比，AMQSs掺杂器件的光电转换效率(PCE)最高提升了25.6%(从7.76%提高到9.75%)，短路电流(J sc )最高提升了16.7%，填充因子(FF)最高提升了8.4%。
附图说明
图1是本发明制备的AMQSs的紫外可见吸收光谱。
图2是本发明制备的AMQSs的TEM图。
图3是不同AMQSs掺杂浓度OPVs器件的J-V曲线图。
图4是不同AMQSs掺杂浓度OPVs器件的EQE曲线图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。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。
实施例1。
取少许锑颗粒，在玛瑙研钵中研磨1h得到锑粉末。
称取30mg锑粉末，加入到10mL 1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中，置于冰浴中，以功率500W的超声波超声处理10h。将超声得到的混合溶液以8000rpm离心30min，取上清液，加入少许无水乙醇，继续以15000rpm离心1h，收集沉淀。将沉淀用超纯水以10000rpm离心清洗3次，得到AMQSs。
图1给出了上述制备的AMQSs的紫外可见光光谱图，显示AMQSs为宽谱光吸收材料，吸光范围从紫外区延伸到了可见光区800nm左右。
从图2的TEM图可以看出，AMQSs的分散良好无聚沉，并且具有均匀的尺寸，大小为2.2nm左右。
实施例2。
配制氯苯与1,8-二碘辛烷体积比为97∶3的混合溶剂，将PTB7、PC71BM和AMQSs按照10∶15∶0.5的质量比混合加入混合溶剂中，配制成AMQSs浓度为0.5mg/mL的活性层溶液。
将ZnO前驱体溶液旋涂在经UV臭氧处理的ITO基底上，200℃空气中热退火1h。再将配制好的活性层溶液旋涂在ZnO 层上，随后依次蒸镀上MoO3和Al，制备得到具有下述器件结构的OPVs器件：ITO/ ZnO (40 nm)/ PTB7:PC71BM:AMQSs (95 nm)/ MoO3 (5 nm)/ Al(80 nm)。
实施例3。
配制氯苯与1,8-二碘辛烷体积比为97∶3的混合溶剂，将PTB7、PC71BM和AMQSs按照10∶15∶1.0的质量比混合加入混合溶剂中，配制成AMQSs浓度为1.0mg/mL的活性层溶液。
使用上述活性层溶液，按照实施例2方法制备同样器件结构的OPVs器件。
实施例4。
配制氯苯与1,8-二碘辛烷体积比为97∶3的混合溶剂，将PTB7、PC71BM和AMQSs按照10∶15∶1.5的质量比混合加入混合溶剂中，配制成AMQSs浓度为1.5mg/mL的活性层溶液。
使用上述活性层溶液，按照实施例2方法制备同样器件结构的OPVs器件。
实施例5。
配制氯苯与1,8-二碘辛烷体积比为97∶3的混合溶剂，将PTB7、PC71BM和AMQSs按照10∶15∶2.0的质量比混合加入混合溶剂中，配制成AMQSs浓度为2.0mg/mL的活性层溶液。
使用上述活性层溶液，按照实施例2方法制备同样器件结构的OPVs器件。
比较例。
配制氯苯与1,8-二碘辛烷体积比为97∶3的混合溶剂，将PTB7和PC71BM按照10∶15的质量比混合加入混合溶剂中，配制成浓度为25mg/mL的活性层溶液。
按照实施例2方法制备具有下述器件结构的对比OPVs器件：ITO/ ZnO (40 nm)/PTB7:PC71BM (95 nm)/ MoO3 (5 nm)/ Al (80 nm)。
用Newport太阳能模拟器表征上述各实施例和比较例制备OPVs器件的性能，得到器件的电流密度-电压(J-V)曲线和外量子效率(EQE)曲线。
图3是在辐照强度100mW cm-2的标准太阳能AM 1.5G条件下，上述各器件的J-V曲线，具体器件性能参数在表1中列出。图4给出了上述各器件的EQE曲线。
从上述检测结果看出，本发明采用离子液体液相辅助剥离制备AMQSs，并将其引入到OPVs器件中，大大改善了器件的PCE、J sc 和FF。

Claims (9)

1.一种具有高光电转换效率的有机光伏电池，由旋涂在ITO基底上的ZnO阴极缓冲层、旋涂在所述ZnO阴极缓冲层上的活性层，以及顺次蒸镀在所述活性层上的MoO3阳极修饰层和Al电极层构成，其特征是所述活性层是以PTB7作为电子给体， PC71BM作为电子受体，并掺杂二维材料AMQSs构成。
2.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征是所述活性层中掺杂AMQSs的质量占活性层组分总质量的1.5～8.5%。
3.根据权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征是所述活性层中，PTB7与PC71BM的质量比为10∶12～18。
4.根据权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征是所述ZnO阴极缓冲层厚度40nm，活性层厚度95nm，MoO3阳极修饰层厚度5nm，Al电极层厚度80nm。
5.权利要求1所述高光电转换效率的有机光伏电池的制备方法，其特征是先在处理好的ITO基底上旋涂ZnO阴极缓冲层，再将PTB7和PC71BM溶解在氯苯与1,8-二碘辛烷的混合溶剂中配制成活性层溶液，并在所述活性层溶液中掺杂AMQSs后，旋涂在ZnO阴极缓冲层上，依次蒸镀MoO3阳极修饰层和Al电极层，制备得到有机光伏电池。
6.根据权利要求5所述的有机光伏电池的制备方法，其特征是所述氯苯与1,8-二碘辛烷的混合溶剂中，1,8-二碘辛烷的体积浓度为1～3%。
7.根据权利要求5所述的有机光伏电池的制备方法，其特征是在处理好的ITO基底上旋涂ZnO阴极缓冲层后，200℃热退火0.5～1.5h。
8.根据权利要求5所述的有机光伏电池的制备方法，其特征是所述掺杂的AMQSs按照下述方法制备得到：将锑颗粒充分研磨，加入1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中，冰浴下混合超声不少于8h，利用1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐液相辅助剥离锑，制成AMQSs。
9.根据权利要求8所述的有机光伏电池的制备方法，其特征是所述超声处理功率不低于400W。
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