CN109244241A - 一种CSPbBr3掺杂有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，其公开了一种掺杂有机太阳能电池及其制备方法；该掺杂有机太阳能电池器件包括阴极基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及阳极层；所述活性层由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成。本发明的掺杂有机太阳能电池，通过在活性层中掺杂高电导率、高电荷分离以及较好的吸光性的CSPbBr3粉末；首先，CSPbBr3粉末具有较高的电导率，可以有效的提升有机太阳能电池的电荷传输效率；其次CSPbBr3电荷分离能力优异，能提高活性层的电荷分离效率并减少电子空穴对的复合；最后CSPbBr3有较强的可见光吸收范围，能增强活性层的吸光性，最终提高掺杂有机太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种CSPbBr3掺杂有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种掺杂有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机太阳能电池由于其原料来源广、加工容易、易于进行物理与化学改性、电池器件结构多样、价格便宜、环境友好等优点而受到广泛关注。但有机太阳能电池与传统无机硅太阳能电池相比，有机太阳能电池在光电转换效率较低，这限制了其进一步发展。
有机太阳能电池工作原理为：(1)光透过ITO电极照到活性层上，活性层吸收光子产生激子；激子扩散到给体/受体界面处；(2)受体中的激子将空穴转移到给体上，给体中的激子将电子转移到受体上，进而实现电荷分离；(3)电子和空穴分别顺着受体与给体向阴极与阳极扩散；(4)电子和空穴在阴极和阳极界面上分别被阴极和阳极收集，并由此产生光电流和光电压。
研究表明限制有机太阳能电池光电转换效率有两大因素：(1)激子的解离与电荷传输，由于有机物本身的特性导致激子分离效率低，激子扩散长度短，电荷传输效率低等；(2)有机太阳能电池的可见光吸收范围不够宽，导致仅吸收一部分太阳光。对此人们提出向有机活性层添加兼顾吸收、电荷分离以及电荷传输效率的材料；Gustaf等将Ir(ppy)3掺入P3HT：PCBM体系中制备的器件表现出优异的激子解离效率；Heeger等将金纳米晶体加入到P3HT：PCBM体系中发现活性层光吸收范围和电荷传输效率都得到有效提升；Huangzhong Yu等将CuPc掺到P3HT：PCBM体系中发现活性层光吸收范围、激子解离效率和电荷传输效率都得到有效提升。
发明内容
本发明提供一种CSPbBr3掺杂有机太阳能电池及其制备方法，即可以提高光电光电转换效率的掺杂有机太阳能电池。
本发明技术方案如下。
一种CsPbBr3掺杂有机太阳能电池，包括阴极基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及阳极层；所述活性层由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成。
进一步地，所述阴极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)；所述电子传输层为ZnO；所述空穴传输层为MoOx；所述阳极层为银。
进一步地，所述活性层中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为0.5～5％。
进一步地，所述CSPbBr3粉末的粒径大小为10-100nm。
进一步地，所述CSPbBr3材料制备方法为：取163g Cs2CO3加入到装有10ml十八烯(ODE)和1ml油酸(OA)三颈烧瓶，在N2气氛下150℃左右恒温磁力搅拌至溶解；将185mg PbBr2加入到装有15ml十八烯(ODE)和3ml油胺(OAm)三颈烧瓶中，在N2气氛下100℃左右恒温磁力搅拌至溶解；待两溶液制备好后，将油酸铯注入到PbBr2溶液中生成纳米晶；最后将纳米晶离心并用无水乙醇洗涤几次，真空干燥即可获得黄色CSPbBr3纳米晶。
一种CsPbBr3掺杂有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、清洗阴极基底，并对所述阴极基底的阴极层表面进行表面处理；
步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阴极层表面依次旋涂电子传输层、活性层；所述活性层由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成；
步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀空穴传输层以及阳极层；上述工艺步骤完成后，制得所述掺杂有机太阳能电池。
上述方法中，步骤一中，所述阴极基底处理包括：首先依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15～20分钟；其次在70～80℃真空干燥箱中烘干；最后对所述清洗烘干的阴极基底表面进行10～15分钟的等离子表面处理。
上述方法中，步骤一中，所述电子传输层的制备方法如下：将ZnO溶液旋涂在上述处理过的阴极基底表面上，转数为4000～5000rpm，时间为30～40s；将旋涂完氧化锌的阴极基底进行退火处理，温度为180～200℃，时间为50～60分钟，电子传输层厚度为4～5nm。
上述方法中，步骤二中，所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM混合均匀后滴加上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为0.5～5％；最后在已旋涂电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
上述方法中，步骤二中，所述空穴传输层为MoOx，其厚度为1～2nm；所述阳极层为银，其厚度为80～100nm。
本发明的掺杂有机太阳能电池，通过在活性层中掺杂高电导率、高电荷分离以及较好的吸光性的CSPbBr3粉末；首先，CSPbBr3粉末具有较高的电导率，可以有效的提升有机太阳能电池的电荷传输效率；其次CsPbBr3电荷分离能力优异，能提高活性层的电荷分离效率并减少电子空穴对的复合；最后CSPbBr3有较强的可见光吸收范围，能增强活性层的吸光性，最终提高掺杂有机太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的掺杂有机太阳能电池的结构示意图。
图2为掺杂有机太阳能电池器件的制备方法流程图。
图3为实施例1的太阳能器件的电流密度与电压关系图。
具体实施方式
本发明提供一种掺杂有机太阳能电池，如图1所示其包括阴极基底01、电子传输层02、活性层03、空穴传输层04以及阳极层05。所述阴极基底01为铟锡氧化物玻璃(ITO)。所述电子传输层02为氧化锌(ZnO),其厚度为5nm。
所述活性层为由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成，其中P3HT为聚3-己基噻吩，PCBM为[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯；所述活性层中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为0.5～5％，CSPbBr3粉末粒径大小为10～200nm；所述CSPbBr3材料制备方法为：取163g Cs2CO3加入到装有10ml十八烯(ODE)和1ml油酸(OA)三颈烧瓶，在N2气氛下150℃左右恒温磁力搅拌至溶解；将185mg PbBr2加入到装有15ml十八烯(ODE)和3ml油胺(OAm)三颈烧瓶中，在N2气氛下100℃左右恒温磁力搅拌至溶解；待两溶液制备好后，将油酸铯注入到PbBr2溶液中生成纳米晶；最后将纳米晶离心并用无水乙醇洗涤几次，真空干燥即可获得黄色CSPbBr3纳米晶；所述活性层厚度为200nm左右。所述空穴传输层为所述空穴传输层为MoOx，其厚度为2nm。所述阳极层为银，其厚度为80～100nm。
上述掺杂有机太阳能电池的制备工艺如图2所示，包括如下步骤：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此次在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂ZnO溶液，在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为5nm。
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成，其中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为0.5～5％，Bi2O2S粉末粒径大小为10～200nm，所述活性层厚度为200nm左右。所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM混合均匀后滴加一定质量比的上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为0.5～5％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoOx，其厚度为2nm。
步骤6、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层银(Ag)，其厚度为80～100nm。上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
下面结合附图，对本发明性能较优实施例进一步详细说明。
实施例1
本实施例1中的掺杂有机太阳能电池器件结构为：ITO/ZnO/P3HT:PCBM:CSPbBr3/MoOx/Ag。
上诉掺杂有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此次在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂ZnO溶液，在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为5nm。
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成，其中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为1％，CSPbBr3粉末粒径大小为10～200nm，所述活性层厚度为200nm左右。所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM(质量比为20mg:20mg)混合均匀后滴加上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为1％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoOx，其厚度为2nm。
步骤6、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为80～100nm。上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
图3为实施例1的掺杂有机太阳能电池与比较例中未掺杂有机太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图；其中曲线1为比较例中未掺杂有机太阳能电池(结构为：ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoOx/Ag)的电流密度与电压曲线，曲线2为实施例1的掺杂有机太阳能电池(结构为：ITO/ZnO/P3HT:PCBM：CSPbBr3/MoOx/Ag)的电流密度与电压曲线；从附图3可以看出比较例中未掺杂有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.61V,短路电流密度(Jsc)为8.38mA/cm2；实施例1的掺杂有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.62V,短路电流密度(Jsc)为9.11mA/cm2。这说明掺杂CSPbBr3以后能有效提高电荷分离和电荷传输效率，从而提高短路电流密度。
表1
从表1可以发现，实施例1的短路电流密度(Jsc)从8.38mA/cm2提升到9.11mA/cm2，填充因子(FF)从59.62％提升到63.97％，这说明了掺杂CSPbBr3以后的有机太阳能电池其吸收光的能力、激子分离效率以及载流子迁移率都有效提升了，从而使太阳能电池光电转换效率从3.04％提高到3.61％，转换效率提高了16％。
实施例2
本实施例2中的掺杂有机太阳能电池器件结构为：ITO/ZnO/P3HT:PCBM:CSPbBr3/MoOx/Ag。
上诉掺杂有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此次在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂ZnO溶液，在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为5nm。
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成，其中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为0.5％，CSPbBr3粉末粒径大小为10～200nm，所述活性层厚度为200nm左右。所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM(质量比为20mg:20mg)混合均匀后滴加上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为0.5％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoOx，其厚度为2nm。
步骤6、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为80～100nm。上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
实施例3
本实施例3中的掺杂有机太阳能电池器件结构为：ITO/ZnO/P3HT:PCBM:CSPbBr3/MoOx/Ag。
上诉掺杂有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此次在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂ZnO溶液，在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为5nm。
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成，其中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为3％，CSPbBr3粉末粒径大小为10～200nm，所述活性层厚度为200nm左右。所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM(质量比为20mg:20mg)混合均匀后滴加上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为3％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoOx，其厚度为2nm。
步骤6、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为80～100nm。
上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
实施例4
本实施例4中的掺杂有机太阳能电池器件结构为：ITO/ZnO/P3HT:PCBM:CSPbBr3/MoOx/Ag。
上诉掺杂有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此次在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的等离子表面处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂ZnO溶液，在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为5nm。
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂活性层溶液；所述活性层为由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成，其中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为5％，CSPbBr3粉末粒径大小为10～200nm，所述活性层厚度为200nm左右。所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM(质量比为20mg:20mg)混合均匀后滴加上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为5％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoOx，其厚度为2nm。
步骤6、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为80～100nm。上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
以上所述实施例仅代表了本发明的几种实施方式,其描述较为具体详细,但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应指出的是,对于从事本领域的技术人员来说,在没有脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种CsPbBr3掺杂有机太阳能电池，其特征在于，包括阴极基底（01）、电子传输层（02）、活性层（03）、空穴传输层（04）以及阳极层（05）；所述活性层（03）由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成。
2.根据权利要求1所述CsPbBr3掺杂有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极基底选自铟锡氧化物玻璃（ITO）；所述电子传输层为ZnO；所述空穴传输层为MoOx；所述阳极层为银。
3.根据权利要求1所述CsPbBr3掺杂有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层中CSPbBr3粉末掺杂质量百分比为0.5%~5%。
4.根据权利要求1所述的掺杂有机太阳能电池，其特征在于，所述CSPbBr3粉末的粒径大小为10-100nm。
5.根据权利要求5所述CsPbBr3掺杂有机太阳能电池，其特征在于，所述CSPbBr3材料制备方法为：取163 g Cs2CO3加入到装有10 ml十八烯(ODE)和1 ml油酸(OA)三颈烧瓶，在N2气氛下150℃左右恒温磁力搅拌至溶解；将185 mg PbBr2加入到装有15 ml十八烯(ODE)和3ml油胺(OAm)三颈烧瓶中，在N2气氛下100℃左右恒温磁力搅拌至溶解；待两溶液制备好后，将油酸铯注入到PbBr2溶液中生成纳米晶；最后将纳米晶离心并用无水乙醇洗涤几次，真空干燥即可获得黄色CSPbBr3纳米晶。
6.权利要求1所述CsPbBr3掺杂有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、清洗阴极基底，并对所述阴极基底的阴极层表面进行表面处理；
步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阴极层表面依次旋涂电子传输层、活性层；所述活性层由P3HT/PCBM与CSPbBr3粉末掺杂而成；
步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀空穴传输层以及阳极层；上述工艺步骤完成后，制得所述掺杂有机太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的掺杂有机太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤一中，所述阴极基底处理包括：首先依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15~20分钟；其次在70~80℃真空干燥箱中烘干；最后对所述清洗烘干的阴极基底表面进行10~15分钟的等离子表面处理。
8.根据权利要求6所述的掺杂有机太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤一中，所述电子传输层的制备方法如下：将ZnO溶液旋涂在上述处理过的阴极基底表面上，转数为4000~5000rpm，时间为30~40s；将旋涂完氧化锌的阴极基底进行退火处理，温度为180~200℃，时间为50~60分钟，电子传输层厚度为4~5nm。
9.根据权利要求6所述的掺杂有机太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤二中，所述活性层制备工艺为：首先将CSPbBr3粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，将上述混合液超声分散，用0.22μm的有机滤头过滤，并计算所述滤液浓度；其次将P3HT和PCBM混合均匀后滴加上述CSPbBr3滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂CSPbBr3质量百分比为0.5~5%；最后在已旋涂电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转数为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm左右；所述活性层旋涂完成后放置2~3小时自然晾干，随后以100~150℃退火处理5~10分钟。
10.根据权利要求6所述的掺杂有机太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤二中，所述空穴传输层为MoOx，其厚度为1~2nm；所述阳极层为银，其厚度为80~100nm。
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