CN109256469B - 有机太阳能电池的活性层及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有机太阳能电池的活性层，由P3HT/PCBM与Bi2O2S粉末掺杂而成，所述活性层中，Bi2O2S粉末的掺杂质量百分比为0.5～5％。本发明还公开了上述有机太阳能电池的活性层的制备方法，有机太阳能电池及其制备方法。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Bi2O2S粉末，有效的提升有机太阳能电池的电荷传输效率，提高活性层的电荷分离效率并减少电子空穴对的复合，增强了活性层的吸光性，最终提高掺杂有机太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别涉及一种有机太阳能电池的活性层及其制备方法、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。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种有机太阳能电池的活性层，有效的提升有机太阳能电池的电荷传输效率，提高活性层的电荷分离效率并减少电子空穴对的复合，增强了活性层的吸光性，最终提高掺杂有机太阳能电池的光电转换效率。
本发明的目的之二在于提供上述有机太阳能电池的活性层的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种有机太阳能电池。
本发明的目的只是在于提供上述有机太阳能电池的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
有机太阳能电池的活性层，由P3HT/PCBM与Bi2O2S粉末掺杂而成，所述活性层中，Bi2O2S粉末的掺杂质量百分比为0.5～5％。
所述Bi2O2S粉末的粒径大小为10-100nm。
有机太阳能电池的活性层的制备方法，包括以下步骤：
首先将Bi2O2S粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，超声分散，过滤，得到Bi2O2S滤液；其次将P3HT和PCBM混合均匀后滴加Bi2O2S滤液配置成质量浓度为15～20mg/ml的溶液，搅拌10～12小时，掺杂Bi2O2S质量百分比为0.5～5％；经旋涂后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
有机太阳能电池，依次包括阴极基底、电子传输层、所述的活性层、空穴传输层以及阳极层。
所述阴极基底为铟锡氧化物玻璃。
所述空穴传输层为MoO3。
所述阳极层为银。
有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
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Bi2O2S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。
步骤一所述清洗阴极基底，具体为：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；此次在70℃～80℃真空干燥箱中烘干。
步骤一所述的表面处理具体为：进行10～15分钟的等离子表面处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的有机太阳能电池的活性层，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Bi2O2S粉末；首先，Bi2O2S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Bi2O2S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Bi2O2S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
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
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:Bi2O2S/MoO3。如图1所示，依次包括阴极基底01、空穴传输层02、活性层03、空穴传输层04以及阳极层05。
如图2所示，上述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Bi2O2S粉末掺杂而成，其中中Bi2O2S粉末掺杂质量百分比为0.5％，Bi2O2S粉末粒径大小为100nm，所述活性层厚度为200nm。所述活性层制备工艺为：首先将Bi2O2S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Bi2O2S滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂Bi2O2S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3小时自然晾干，随后以120℃退火处理7分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，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/MoO3/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：Bi2O2S/MoO3/Ag)的电流密度与电压曲线；从图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0.62V,短路电流密度(Jsc)为8.2mA/cm2；实施例1的掺杂有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.63V,短路电流密度(Jsc)为9.1mA/cm2。这说明掺杂Bi2O2S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8.20mA/cm2提升到9.10mA/cm2，填充因子(FF)从56.12％提升到61.66％，这说明了掺杂Bi2O2S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2.85％提高到3.53％，转换效率提高了23.85％。
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:Bi2O2S/MoO3。
上述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Bi2O2S粉末掺杂而成，其中中Bi2O2S粉末掺杂质量百分比为1％，Bi2O2S粉末粒径大小为200nm，所述活性层厚度为200nm。所述活性层制备工艺为：首先将Bi2O2S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Bi2O2S滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂Bi2O2S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；所述活性层旋涂完成后放置2小时自然晾干，随后以100℃退火处理7分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，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80nm。
上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
本实施例指制备得到的有机太阳能电池器件的测试结果与实施例1类似，再次不再赘述。
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:Bi2O2S/MoO3。
上述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Bi2O2S粉末掺杂而成，其中中Bi2O2S粉末掺杂质量百分比为3％，Bi2O2S粉末粒径大小为150nm，所述活性层厚度为200nm。所述活性层制备工艺为：首先将Bi2O2S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Bi2O2S滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂Bi2O2S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3小时自然晾干，随后以120℃退火处理7分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，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100nm。
上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
本实施例指制备得到的有机太阳能电池器件的测试结果与实施例1类似，再次不再赘述。
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:Bi2O2S/MoO3。
上述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Bi2O2S粉末掺杂而成，其中中Bi2O2S粉末掺杂质量百分比为5％，Bi2O2S粉末粒径大小为100nm，所述活性层厚度为200nm。所述活性层制备工艺为：首先将Bi2O2S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Bi2O2S滤液配置成质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，掺杂Bi2O2S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3小时自然晾干，随后以150℃退火处理7分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，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100nm。
上述步骤结束后得到掺杂有机太阳能电池。
本实施例指制备得到的有机太阳能电池器件的测试结果与实施例1类似，再次不再赘述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.有机太阳能电池的活性层，其特征在于，由P3HT/PCBM与Bi2O2S粉末掺杂而成，所述活性层中，Bi2O2S粉末的掺杂质量百分比为0.5～5％。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池的活性层，其特征在于，所述Bi2O2S粉末的粒径大小为10～100nm。
3.有机太阳能电池的活性层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先将Bi2O2S粉末研磨并分散在二氯苯溶剂中，超声分散，过滤，得到Bi2O2S滤液；其次将P3HT和PCBM混合均匀后滴加Bi2O2S滤液配置成质量浓度为15～20mg/ml的溶液，搅拌10～12小时，Bi2O2S的掺杂质量百分比为0.5～5％；经旋涂后放置2～3小时自然晾干，随后以100～150℃退火处理5～10分钟。
4.有机太阳能电池，其特征在于，依次包括阴极基底、电子传输层、权利要求1～2任一项所述的活性层、空穴传输层以及阳极层。
5.根据权利要求4所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极基底为铟锡氧化物玻璃。
6.根据权利要求4所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为MoO3。
7.根据权利要求4所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极层为银。
8.有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
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Bi2O2S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。
9.根据权利要求8所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤一所述清洗阴极基底，具体为：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；此后在70℃～80℃真空干燥箱中烘干。
10.根据权利要求8所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤一所述的表面处理具体为：进行10～15分钟的等离子表面处理。
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