CN109346603A - 一种有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：提供一ITO透明导电衬底，通过多次旋涂含有不同浓度和不同尺寸的金属纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液，并通过一次退火形成PEDOT:PSS复合空穴传输层；接着在所述空穴传输层上依次旋涂P3HT溶液、P3HT:PCBM混合溶液以及PCBM溶液，接着进行退火处理，以形成一活性层；接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极。本发明的制备方法简单，溶液法制备温度低、成本低，且可以有效提高有机太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种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技术领域，特别是涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着石油、煤炭等矿物资源的日益枯竭，导致相应价格的大幅度上涨，进而阻碍科技的发展与进步。太阳能由于其取之不尽、用之不竭、地域性限制小、绿色清洁、安全无污染等优点越来越受到人们的重视。基于光生伏特效应将太阳能转换为电能的太阳能电池是利用太阳能的主要途径之一。目前，太阳能电池包括晶硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、有机无机杂化太阳能电池等，其中，P3HT/PCBM有机聚合太阳能电池已经得到了长足的发展，但仍存在转换效率不高、长期稳定性差等问题。如何进一步改善P3HT/PCBM有机聚合太阳能电池的结构，以提高其光电转换效率，是业界非常关注的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种有机太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一ITO透明导电衬底，在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第一金属纳米颗粒的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一金属纳米颗粒的浓度为1-2mg/ml，所述第一金属纳米颗粒的粒径为10-15纳米；
2)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第二金属纳米颗粒的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二金属纳米颗粒的浓度为0.8-1.5mg/ml，所述第二金属纳米颗粒的粒径小于所述第一金属纳米颗粒的粒径，且所述第二金属纳米颗粒的粒径为6-12纳米；
3)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第三金属纳米颗粒的第三PEDOT:PSS溶液，所述第三金属纳米颗粒的浓度为0.5-1mg/ml，所述第三金属纳米颗粒的粒径小于所述第二金属纳米颗粒的粒径，且所述第三金属纳米颗粒的粒径为4-8纳米；
4)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第四金属纳米颗粒的第四PEDOT:PSS溶液，所述第四金属纳米颗粒的浓度为0.3-0.6mg/ml，所述第四金属纳米颗粒的粒径小于所述第三金属纳米颗粒的粒径，且所述第四金属纳米颗粒的粒径为3-5纳米，接着进行第一次退火处理，以形成一空穴传输层；
5)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT溶液，所述P3HT溶液中P3HT的浓度为0.3-0.6mg/ml；
6)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液；
7)接着在所述空穴传输层上旋涂PCBM溶液，所述PCBM溶液中PCBM的的浓度为0.1-0.3mg/ml，接着进行第二次退火处理，以形成一活性层；
8)接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极。
作为优选，在所述步骤(1-4)中，所述第一、第二、第三、第四PEDOT:PSS溶液中的PEDOT：PSS的浓度为5-10mg/ml，旋涂的转速均为3500-5000转/分钟，旋涂的时间为30-60秒。
作为优选，所述第一次退火处理的具体步骤为：在90-110℃的温度下热处理3-6分钟，接着以升温速率为10-20℃/分钟的条件下升温至130-150℃，接着再热处理10-15分钟。
作为优选，在所述步骤(5-7)中，旋涂P3HT溶液的转速为4000-6000转/分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1-2分钟，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT与PCBM的质量比为0.8，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT/PCBM合计总浓度为12-18mg/ml，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的转速为800-1800转/分钟，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的时间为20-40秒，旋涂PCBM溶液的转速为3000-5000转/分钟，旋涂的时间为10-20秒。
作为优选，所述第二次退火处理的具体步骤为：在60-80℃的温度下热处理2-4分钟，接着以升温速率为20-25℃/分钟的条件下升温至100-110℃，接着再热处理5-10分钟。
作为优选，所述LiF的厚度为0.5-0.8纳米。
作为优选，所述金属铝电极的厚度为90-150纳米。
作为优选，所述第一、第二、第三、第四金属纳米颗粒的材质为金、铂、银以及铜中的一种。
本发明还提出利用上述方法制备的有机太阳能电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的有机太阳能电池的制备过程中，通过多次旋涂含有不同浓度和不同尺寸的金属纳米颗粒的PEDOT:PSS溶液，并通过一次退火形成PEDOT:PSS复合空穴传输层，且使得该PEDOT:PSS复合空穴传输层中随着远离活性层，PEDOT:PSS复合空穴传输层中的金属纳米颗粒的含量和尺寸均逐渐增大，进而使得该PEDOT:PSS复合空穴传输层的导电率逐渐变大，进而有利于空穴的快速传输而被电极有效收集。通过进一步优化各步骤中金属纳米颗粒的具体含量和尺寸，使得相应的有机太阳能电池的短路电流有效提高，以使得其光电转换效率达到最优值。同时在本发明的活性层的制备过程中，在旋涂P3HT:PCBM混合溶液之前先旋涂P3HT溶液并选择在旋涂P3HT:PCBM混合溶液之后再旋涂一PCBM溶液，并通过优化各自的具体参数，可以有效避免PCBM与PEDOT:PSS复合空穴传输层且避免P3HT与LiF接触，进而有效减少有机太阳能电池的漏电流，提高其填充因子。且本发明的制备方法简单，溶液法制备温度低、成本低，且可以有效提高有机太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的有机太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一ITO透明导电衬底，在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第一金属纳米颗粒的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一金属纳米颗粒的浓度为1-2mg/ml，所述第一金属纳米颗粒的粒径为10-15纳米；
2)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第二金属纳米颗粒的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二金属纳米颗粒的浓度为0.8-1.5mg/ml，所述第二金属纳米颗粒的粒径小于所述第一金属纳米颗粒的粒径，且所述第二金属纳米颗粒的粒径为6-12纳米；
3)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第三金属纳米颗粒的第三PEDOT:PSS溶液，所述第三金属纳米颗粒的浓度为0.5-1mg/ml，所述第三金属纳米颗粒的粒径小于所述第二金属纳米颗粒的粒径，且所述第三金属纳米颗粒的粒径为4-8纳米；
4)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第四金属纳米颗粒的第四PEDOT:PSS溶液，所述第四金属纳米颗粒的浓度为0.3-0.6mg/ml，所述第四金属纳米颗粒的粒径小于所述第三金属纳米颗粒的粒径，且所述第四金属纳米颗粒的粒径为3-5纳米，接着进行第一次退火处理，以形成一空穴传输层；
5)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT溶液，所述P3HT溶液中P3HT的浓度为0.3-0.6mg/ml；
6)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液；
7)接着在所述空穴传输层上旋涂PCBM溶液，所述PCBM溶液中PCBM的的浓度为0.1-0.3mg/ml，接着进行第二次退火处理，以形成一活性层；
8)接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极。
其中，在所述步骤(1-4)中，所述第一、第二、第三、第四PEDOT:PSS溶液中的PEDOT：PSS的浓度为5-10mg/ml，旋涂的转速均为3500-5000转/分钟，旋涂的时间为30-60秒。所述第一次退火处理的具体步骤为：在90-110℃的温度下热处理3-6分钟，接着以升温速率为10-20℃/分钟的条件下升温至130-150℃，接着再热处理10-15分钟。在所述步骤(5-7)中，旋涂P3HT溶液的转速为4000-6000转/分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1-2分钟，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT与PCBM的质量比为0.8，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT/PCBM合计总浓度为12-18mg/ml，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的转速为800-1800转/分钟，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的时间为20-40秒，旋涂PCBM溶液的转速为3000-5000转/分钟，旋涂的时间为10-20秒。所述第二次退火处理的具体步骤为：在60-80℃的温度下热处理2-4分钟，接着以升温速率为20-25℃/分钟的条件下升温至100-110℃，接着再热处理5-10分钟。所述LiF的厚度为0.5-0.8纳米。所述金属铝电极的厚度为90-150纳米。所述第一、第二、第三、第四金属纳米颗粒的材质为金、铂、银以及铜中的一种。
如图1所示，本发明提出一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池从下至上包括玻璃基底1、ITO导电层2、空穴传输层3、活性层4、LiF层5和金属铝电极6。
实施例1：
本发明提出一种有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一ITO透明导电衬底，在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第一银纳米颗粒的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一银纳米颗粒的浓度为1.5mg/ml，所述第一银纳米颗粒的粒径约为12纳米；2)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第二银纳米颗粒的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二银纳米颗粒的浓度为1mg/ml，所述第二银纳米颗粒的粒径约为8纳米；3)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第三银纳米颗粒的第三PEDOT:PSS溶液，所述第三银纳米颗粒的浓度为0.6mg/ml，所述第三银纳米颗粒的粒径约为6纳米；4)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第四银纳米颗粒的第四PEDOT:PSS溶液，所述第四银纳米颗粒的浓度为0.4mg/ml，所述第四金属纳米颗粒的粒径约为4纳米，接着进行第一次退火处理，以形成一空穴传输层，其中，在所述步骤(1-4)中，所述第一、第二、第三、第四PEDOT:PSS溶液中的PEDOT：PSS的浓度为8mg/ml，旋涂的转速均为4500转/分钟，旋涂的时间为50秒。所述第一次退火处理的具体步骤为：在100℃的温度下热处理4分钟，接着以升温速率为20℃/分钟的条件下升温至140℃，接着再热处理12分钟。
5)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT溶液，所述P3HT溶液中P3HT的浓度为0.4mg/ml；6)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液；7)接着在所述空穴传输层上旋涂PCBM溶液，所述PCBM溶液中PCBM的的浓度为0.2mg/ml，接着进行第二次退火处理，以形成一活性层，其中，在所述步骤(5-7)中，旋涂P3HT溶液的转速为5000转/分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1.5分钟，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT与PCBM的质量比为0.8，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT/PCBM合计总浓度为15mg/ml，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的转速为1200转/分钟，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的时间为30秒，旋涂PCBM溶液的转速为4000转/分钟，旋涂的时间为20秒。所述第二次退火处理的具体步骤为：在70℃的温度下热处理3分钟，接着以升温速率为25℃/分钟的条件下升温至105℃，接着再热处理8分钟。
8)接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极，其中，所述LiF的厚度约为0.7纳米。所述金属铝电极的厚度约为120纳米。
上述方法制备的有机太阳能电池的开路电压为0.65V，短路电流为10.3mA/cm2，填充因子为0.74，光电转换效率为4.95％。
实施例2
本发明提出一种有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一ITO透明导电衬底，在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第一金属铜纳米颗粒的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一金属铜纳米颗粒的浓度为1mg/ml，所述第一金属铜纳米颗粒的粒径约为10纳米；2)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第二金属铜纳米颗粒的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二金属铜纳米颗粒的浓度为0.8mg/ml，所述第二金属铜纳米颗粒的粒径约为6纳米；3)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第三金属铜纳米颗粒的第三PEDOT:PSS溶液，所述第三金属铜纳米颗粒的浓度为0.5mg/ml，且所述第三金属铜纳米颗粒的粒径约为4纳米；4)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第四金属铜纳米颗粒的第四PEDOT:PSS溶液，所述第四金属纳米颗粒的浓度为0.3mg/ml，且所述第四金属铜纳米颗粒的粒径约为3纳米，接着进行第一次退火处理，以形成一空穴传输层，其中，在所述步骤(1-4)中，所述第一、第二、第三、第四PEDOT:PSS溶液中的PEDOT：PSS的浓度为10mg/ml，旋涂的转速均为5000转/分钟，旋涂的时间为30秒。所述第一次退火处理的具体步骤为：在110℃的温度下热处理6分钟，接着以升温速率为15℃/分钟的条件下升温至130℃，接着再热处理15分钟。
5)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT溶液，所述P3HT溶液中P3HT的浓度为0.3mg/ml；6)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液；7)接着在所述空穴传输层上旋涂PCBM溶液，所述PCBM溶液中PCBM的的浓度为0.1mg/ml，接着进行第二次退火处理，以形成一活性层，在所述步骤(5-7)中，旋涂P3HT溶液的转速为4000转/分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1分钟，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT与PCBM的质量比为0.8，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT/PCBM合计总浓度为18mg/ml，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的转速为1500转/分钟，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的时间为40秒，旋涂PCBM溶液的转速为5000转/分钟，旋涂的时间为20秒。所述第二次退火处理的具体步骤为：在60℃的温度下热处理4分钟，接着以升温速率为20℃/分钟的条件下升温至100℃，接着再热处理10分钟。
8)接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极，所述LiF的厚度约为0.6纳米。所述金属铝电极的厚度为100纳米。
上述方法制备的有机太阳能电池的开路电压为0.66V，短路电流为9.6mA/cm2，填充因子为0.72，光电转换效率为4.56％。
对比例：
本发明提出一种有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一ITO透明导电衬底，在所述ITO透明导电衬底上旋涂购买的PEDOT:PSS溶液，接着进行第一次退火处理，以形成一空穴传输层，其中，旋涂的转速均为2500转/分钟，旋涂的时间为60秒。所述第一次退火处理的具体步骤为：在130℃的温度下热处理15分钟。2)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液，接着进行第二次退火处理，以形成一活性层，其中，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT与PCBM的质量比为0.8，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT/PCBM合计总浓度为15mg/ml，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的转速为1200转/分钟，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的时间为30秒，所述第二次退火处理的具体步骤为：在100℃的温度下热处理10分钟。3)接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极，其中，所述LiF的厚度约为0.7纳米。所述金属铝电极的厚度约为120纳米。
上述方法制备的常规有机太阳能电池的开路电压为0.61V，短路电流为8.6mA/cm2，填充因子为0.65，光电转换效率为3.41％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)提供一ITO透明导电衬底，在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第一金属纳米颗粒的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一金属纳米颗粒的浓度为1-2mg/ml，所述第一金属纳米颗粒的粒径为10-15纳米；
2)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第二金属纳米颗粒的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二金属纳米颗粒的浓度为0.8-1.5mg/ml，所述第二金属纳米颗粒的粒径小于所述第一金属纳米颗粒的粒径，且所述第二金属纳米颗粒的粒径为6-12纳米；
3)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第三金属纳米颗粒的第三PEDOT:PSS溶液，所述第三金属纳米颗粒的浓度为0.5-1mg/ml，所述第三金属纳米颗粒的粒径小于所述第二金属纳米颗粒的粒径，且所述第三金属纳米颗粒的粒径为4-8纳米；
4)接着在所述ITO透明导电衬底上旋涂含有第四金属纳米颗粒的第四PEDOT:PSS溶液，所述第四金属纳米颗粒的浓度为0.3-0.6mg/ml，所述第四金属纳米颗粒的粒径小于所述第三金属纳米颗粒的粒径，且所述第四金属纳米颗粒的粒径为3-5纳米，接着进行第一次退火处理，以形成一空穴传输层；
5)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT溶液，所述P3HT溶液中P3HT的浓度为0.3-0.6mg/ml；
6)接着在所述空穴传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液；
7)接着在所述空穴传输层上旋涂PCBM溶液，所述PCBM溶液中PCBM的的浓度为0.1-0.3mg/ml，接着进行第二次退火处理，以形成一活性层；
8)接着在所述活性层上蒸镀LiF和金属铝电极。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1-4)中，所述第一、第二、第三、第四PEDOT:PSS溶液中的PEDOT：PSS的浓度为5-10mg/ml，旋涂的转速均为3500-5000转/分钟，旋涂的时间为30-60秒。
3.根据权利要求2所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一次退火处理的具体步骤为：在90-110℃的温度下热处理3-6分钟，接着以升温速率为10-20℃/分钟的条件下升温至130-150℃，接着再热处理10-15分钟。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5-7)中，旋涂P3HT溶液的转速为4000-6000转/分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1-2分钟，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT与PCBM的质量比为0.8，所述P3HT:PCBM混合溶液中P3HT/PCBM合计总浓度为12-18mg/ml，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的转速为800-1800转/分钟，旋涂P3HT:PCBM混合溶液的时间为20-40秒，旋涂PCBM溶液的转速为3000-5000转/分钟，旋涂的时间为10-20秒。
5.根据权利要求4所述的有机太阳能电池的方法，其特征在于：所述第二次退火处理的具体步骤为：在60-80℃的温度下热处理2-4分钟，接着以升温速率为20-25℃/分钟的条件下升温至100-110℃，接着再热处理5-10分钟。
6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述LiF的厚度为0.5-0.8纳米。
7.根据权利要求1所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述金属铝电极的厚度为90-150纳米。
8.根据权利要求1所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四金属纳米颗粒的材质为金、铂、银以及铜中的一种。
9.一种有机太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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