CN109888109A - 一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有机光电器件技术领域，具体公开了一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池及制备方法。本发明的太阳能电池包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的功能层，功能层包括第一有机体异质结层、第二有机体异质结层以及位于第一有机体异质结层与第二有机体异质结层之间的量子点修饰层；功能层还可包括空穴传输层、空穴阻挡层、电子传输层中的一种或几种；量子点修饰层的材料包括无机化合物纯核型量子点材料、无机化合物核/壳型量子点材料、钙钛矿量子点材料。本发明通过在双体异质结太阳能电池中引入量子点修饰层，有效的提升了双体异质结有机太阳能电池的开路电压和短路电流，获得了较现有技术有所提升的转换效率。

Description

一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于电子元器件中有机光电器件技术领域，具体为一种量子点修饰的双体异质结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制备工艺简单、制备成本低，材料可通过人工手段设计合成，可制备柔性器件以及可通过喷涂或者印刷工艺大面积生产等优势，在近些年来收到了广泛关注。随着研究的不断深入，单节有机太阳能电池的效率不断提升，直至今日已达到约15％的功率转换效率。然而，由于有机太阳能电池材料本身较低的载流子迁移率，导致了很难制备出厚膜的高性能有机光伏器件，过厚的膜层会导致光生载流子的复合严重，使器件效率低下。而薄膜器件由于吸光层的薄膜厚度有限，会导致太阳光无法被充分吸收，同样会影响器件性能。这也是有机太阳能电池面临的主要且急需解决的问题之一。
发明内容
针对上述的问题，本发明的第一目的在于提供一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池可提高太阳光利用率，同时有效的减轻了单节厚膜有机太阳能电池所面临的载流子复合过高的问题；本发明的另一目的在于提供一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池制备方法以实现上述有机太阳能电池的制备，其工艺简便，从而适用于工业化生产。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，包括阳极、阴极，以及设置在阳极和阴极之间的功能层，功能层包括第一有机体异质结层、第二有机体异质结层以及位于所述第一有机体异质结层与第二有机体异质结层之间的量子点修饰层；功能层还可包括空穴传输层、空穴阻挡层、电子传输层中的一种或几种；量子点修饰层的材料包括无机化合物纯核型量子点材料、无机化合物核/壳型量子点材料、钙钛矿量子点材料。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，无机化合物纯核型量子点材料包括CdS、CdSe、CdTe、InAs、InP、PbS、PbSe、CuInS2、Ag2S、Bi2S3、Sb2S3；无机化合物核/壳型量子点材料包括CdSe/CdS、CdSe/CdZnS、InP/ZnS；钙钛矿量子点材料包括CsPbI3量子点、FAPbBr3量子点。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，量子点修饰层为厚度1～100nm的薄膜，量子点粒径大小为3～20nm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，第一有机体异质结层、第二有机体异质结层中均包含两种及两种以上有机物组分，有机物组分为聚合物及小分子材料，包括PDPP3T、IEICO-4F、ITIC-F、PCBM、PBDB-T-SF、PTB7-TH，第一有机体异质结层、第二有机体异质结层中的有机物组分以任意比例混合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，空穴传输层为包括PEDOT:PSS、CuSCN、CuI、NiOx、MoO3、spiro-OMeTAD中的任一种。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，电子传输层为包括富勒烯及其衍生物、TiO2、ZnO、SnO2中的任一种。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，空穴阻挡层为包括C60，ZnO，BCP，Al2O3的任一种。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，阴极、阳极为ITO、FTO、金、银、铝电极、银纳米线、导电高分子薄膜的任两种。
一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1：对溅射有阴极的玻璃基底进行清洗、干燥：将玻璃基底依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，再将基底放入UV光清洗机中进行UV处理10-15min。
S2：在经过臭氧处理之后的阴极上旋涂一层电子传输层，旋涂过程中控制转速为5000rpm、时间为40s，然后进行退火处理，退火温度控制在160℃，时间为15min。
S3：分别将有机物组分中的任意两种按任意质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第一有机体异质结层前驱体溶液，将已经旋涂了电子传输层的玻璃基底旋涂所述第一有机异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后置于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为15min。
S4：将已经旋涂了第一有机体异质结层的玻璃基底和钙钛矿量子点材料前驱体溶液在40℃下预热，在玻璃基板表面旋涂所述钙钛矿量子点前驱体溶液，控制转速为5000rpm，时间为30s，然后置于热台上进行退火，在110℃下退火10min，转移至玻璃培养皿中冷却。
S5：分别将将有机物组分中的任意两种按任意质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第二有机体异质结层前驱体溶液，将已经旋涂了量子点层的玻璃基板旋涂第二有机体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后至于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为30min，之后转移至培养皿冷却。
S6：将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于5.0×10-5Pa的环境下蒸镀空穴传输层，在氮气环境下冷却30min。
S7：再将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层阳电极，即得到量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。
S8：测试器件的电流-电压特性。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述中的阳极、功能层和阴极是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积、触媒式化学气相沉积、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式而形成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过双体异质结结构在提升了电池的光吸收量的同时，减轻了光生载流子的复合效率。而在量子点中因为量子限制效应导致的激子浓度增高，能带分裂，以及能带分裂进一步导致的的碰撞离化效应和俄歇复合效应加剧，共同造成了量子点中高寿命的光生载流子大量产生，增加了整体器件的光电流。此外通过量子点的小带效应可以使量子点中的大量光生电子从较高能级中传入有机体异质结，从而提升器件整体的电子-空穴准费米能级差，使器件开路电压增大。本发明通过量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池结构，提升了光伏器件的光电流和开路电压，使器件的功率转换效率进一步增强。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明提供的实施例1结构示意图。
图3为本发明提供的实施例1的开路电压图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
实施例1
一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，如图2所示，包括自下而上的阴极、电子传输层、第一有机体异质结层、量子点层、第二有机体异质结层、空穴传输层、阳极。其中，阴极采用厚度为120nm的ITO透明导电电极，电子传输层采用厚度为80nm的ZnO薄膜，第一有机体异质结层采用PBDB-T-SF：ITIC-F以1：1wt％混合的厚度为100nm的体异质结薄膜，量子点层采用厚度为40nm的CsPbI3量子点层，第二有机体异质结层采用厚度为100nm的PTB7-TH：IEICO-4F以1：1.5wt％混合的体异质结薄膜，空穴传输层采用厚度为80nm的MoO3薄膜，阳极采用厚度为150nm的银电极。其结构为ITO/ZnO/PBDB-T-SF：ITIC-F/CsPbI3量子点/PTB7-TH：IEICO-4F/MoO3/Ag，其制备步骤为：
1.对溅射有ITO阴极的玻璃基底进行清洗及进行UV处理：将玻璃基底依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，再将基底放入UV光清洗机中进行UV处理10min。
2.旋涂电子传输层：在经过臭氧处理之后的ITO阴极上旋涂一层电子传输层ZnO，控制转速为5000rpm、时间为40s，然后进行退火处理，退火温度控制在160℃，时间为15min。
3.旋涂第一有机体异质结层：分别将PBDB-T-SF与ITIC-F按照1:1的质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第一有机体异质结层前驱体溶液。将已经旋涂了电子传输层的玻璃基底旋涂上述体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后置于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为15min。
4.制备量子点层：将已经旋涂了第一有机体异质结层的玻璃基底和单分散CsPbI3量子点前驱体溶液在40℃下预热，在玻璃基板表面旋涂上述钙钛矿量子点前驱体溶液，控制转速为5000rpm，时间为30s，然后置于热台上进行退火，在110℃下退火10min，转移至玻璃培养皿中冷却。
5.旋涂第二有机体异质结层：分别将PTB7-TH与IEICO-4F按照1:1.5的质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第二有机体异质结层前驱体溶液。将已经旋涂了量子点层的玻璃基板旋涂上述体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后至于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为30min，之后转移至培养皿冷却。
6.蒸镀空穴传输层：将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于5.0×10-5Pa的环境下蒸镀一层MoO3，然后在氮气环境下冷却30min。
7.蒸镀阳极：再将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极，即得到量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。
在标准测试条件下，从可见光光源处引出光束，使入射光线入射量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。测试结果表明：量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池对长度为350-1000nm的波段有响应，其转换效率为12.9％。其中，开路电压为0.89V，短路电流为18.3mA/cm2，填充因子为79％。
实施例2
在实施例1的基础上，采用新的核/壳型CdS/CdSe量子点材料制备量子点层，包括自下而上的阴极、电子传输层、第一有机体异质结层、量子点层、第二有机体异质结层、空穴传输层、阳极。其中，阴极采用厚度为120nm的ITO透明导电电极，电子传输层采用厚度为80nm的ZnO薄膜，第一有机体异质结层采用PBDB-T-SF：ITIC-F以1：1wt％混合的厚度为100nm的体异质结薄膜，量子点层采用厚度为70nm的CdS/CdSe量子点层，第二有机体异质结层采用厚度为100nm的PTB7-TH：IEICO-4F以1：1.5wt％混合的体异质结薄膜，空穴传输层采用厚度为80nm的MoO3薄膜，阳极采用厚度为150nm的银电极。其结构为ITO/ZnO/PBDB-T-SF：ITIC-F/CdS：CdSe量子点/PTB7-TH：IEICO-4F/MoO3/Ag，其制备步骤为：
1.对溅射有ITO阴极的玻璃基底进行清洗及进行UV处理：将玻璃基底依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，再将基底放入UV光清洗机中进行UV处理10min。
2.旋涂电子传输层：在经过臭氧处理之后的ITO阴极上旋涂一层电子传输层ZnO，控制转速为5000rpm、时间为40s，然后进行退火处理，退火温度控制在160℃，时间为15min。
3.旋涂第一有机体异质结层：分别将PBDB-T-SF与ITIC-F按照1:1的质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第一有机体异质结层前驱体溶液。将已经旋涂了电子传输层的玻璃基底旋涂上述体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后置于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为15min。
4.制备量子点层：在已经旋涂了第一有机体异质结层的玻璃基底表面旋涂核/壳型CdS/CdSe量子点自分散前驱体溶液，控制转速为2000rpm，时间为30s，然后置于热台上进行退火，在80℃下退火5min，转移至玻璃培养皿中冷却。
5.旋涂第二有机体异质结层：分别将PTB7-TH与IEICO-4F按照1:1.5的质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第二有机体异质结层前驱体溶液。将已经旋涂了量子点层的玻璃基板旋涂上述体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后至于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为30min，之后转移至培养皿冷却。
6.蒸镀空穴传输层：将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于5.0×10-5Pa的环境下蒸镀一层MoO3，然后在氮气环境下冷却30min。
7.蒸镀阳极：再将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极，即得到量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。
在标准测试条件下，从可见光光源处引出光束，使入射光线入射量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。测试结果表明：量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池对长度为350-1000nm的波段有响应，其转换效率为14.0％。其中，开路电压为0.92V，短路电流为20.8mA/cm2，填充因子为73％
实施例3
在实施例1的基础上，使用Sb2S3纯核型量子点作为量子点层材料，包括自下而上的阴极、电子传输层、第一有机体异质结层、量子点层、第二有机体异质结层、空穴传输层、阳极。其中，阴极采用厚度为120nm的ITO透明导电电极，电子传输层采用厚度为80nm的ZnO薄膜，第一有机体异质结层采用PBDB-T-SF：ITIC-F以1：1wt％混合的厚度为100nm的体异质结薄膜，量子点层采用厚度为20nm的Sb2S3量子点层，第二有机体异质结层采用厚度为100nm的PTB7-TH：IEICO-4F以1：1.5wt％混合的体异质结薄膜，空穴传输层采用厚度为80nm的MoO3薄膜，阳极采用厚度为150nm的银电极。其结构为ITO/ZnO/PBDB-T-SF：ITIC-F/Sb2S3量子点/PTB7-TH：IEICO-4F/MoO3/Ag，其制备步骤为：
1.对溅射有ITO阴极的玻璃基底进行清洗及进行UV处理：将玻璃基底依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，再将基底放入UV光清洗机中进行UV处理10min。
2.旋涂电子传输层：在经过臭氧处理之后的ITO阴极上旋涂一层电子传输层ZnO，控制转速为5000rpm、时间为40s，然后进行退火处理，退火温度控制在160℃，时间为15min。
3.旋涂第一有机体异质结层：分别将PBDB-T-SF与ITIC-F按照1:1的质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第一有机体异质结层前驱体溶液。将已经旋涂了电子传输层的玻璃基底旋涂上述体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后置于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为15min。
4.制备量子点层：在已经旋涂了第一有机体异质结层的玻璃基底表面旋涂Sb2S3量子点自分散前驱体溶液，控制转速为3800rpm，时间为45s，然后置于热台上进行退火，在110℃下退火15min，转移至玻璃培养皿中冷却。
5.旋涂第二有机体异质结层：分别将PTB7-TH与IEICO-4F按照1:1.5的质量比溶解在二氯苯溶液中，85℃下搅拌12h，得到第二有机体异质结层前驱体溶液。将已经旋涂了量子点层的玻璃基板旋涂上述体异质结前驱体溶液，控制转速为3000rpm，时间为1min。然后至于热台上进行褪火处理，褪火温度控制在160℃，时间为30min，之后转移至培养皿冷却。
6.蒸镀空穴传输层：将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于5.0×10-5Pa的环境下蒸镀一层MoO3，然后在氮气环境下冷却30min。
7.蒸镀阳极：再将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极，即得到量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。
在标准测试条件下，从可见光光源处引出光束，使入射光线入射量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池。测试结果表明：量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池对长度为350-1000nm的波段有响应，其转换效率为11.9％。其中，开路电压为0.85V，短路电流为19.1mA/cm2，填充因子为73％。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，包括阳极、阴极，以及设置在阳极和阴极之间的功能层，其特征在于，所述功能层包括第一有机体异质结层、第二有机体异质结层以及位于所述第一有机体异质结层与第二有机体异质结层之间的量子点修饰层；
所述功能层还可包括空穴传输层、空穴阻挡层、电子传输层中的一种或几种；
所述量子点修饰层的材料包括无机化合物纯核型量子点材料、无机化合物核/壳型量子点材料、钙钛矿量子点材料。
2.根据权利要求1所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池无机化合物纯核型量子点材料，其特征在于，
所述无机化合物纯核型量子点材料包括CdS、CdSe、CdTe、InAs、InP、PbS、PbSe、CuInS2、Ag2S、Bi2S3、Sb2S3；
所述无机化合物核/壳型量子点材料包括CdSe/CdS、CdSe/CdZnS、InP/ZnS；
所述钙钛矿量子点材料包括CsPbI3量子点、FAPbBr3量子点。
3.根据权利要求1所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池无机化合物纯核型量子点材料，其特征在于，所述量子点修饰层为厚度1～100nm的薄膜，量子点粒径大小为3～20nm。
4.根据权利要求1所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池无机化合物纯核型量子点材料，其特征在于，所述第一有机体异质结层、第二有机体异质结层中均包含两种及两种以上有机物组分，所述有机物组分为聚合物及小分子材料，包括PDPP3T、IEICO-4F、ITIC-F、PCBM、PBDB-T-SF、PTB7-TH，所述第一有机体异质结层、第二有机体异质结层中的有机物组分以任意比例混合。
5.根据权利要求1所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为包括PEDOT:PSS、CuSCN、CuI、NiOx、MoO3、spiro-OMeTAD中的任一种。
6.根据权利要求1所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为包括富勒烯及其衍生物、TiO2、ZnO、SnO2中的任一种。
7.根据权利要求1所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴阻挡层为包括C60，ZnO，BCP，Al2O3的任一种。
8.根据权利要求1所述的量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极、阳极为ITO、FTO、金、银、铝电极、银纳米线、导电高分子薄膜的任两种。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对溅射有阴极的玻璃基底进行清洗、干燥，再进行UV处理15min；
S2：在经过臭氧处理之后的阴极上旋涂一层电子传输层；
S3：分别将有机物组分中的任意两种按任意质量比溶解在二氯苯溶液中，搅拌，得到第一有机体异质结层前驱体溶液，将已经旋涂了电子传输层的玻璃基底旋涂所述第一有机异质结前驱体溶液；
S4：将已经旋涂了第一有机体异质结层的玻璃基底和钙钛矿量子点材料前驱体溶液预热，在玻璃基板表面旋涂所述钙钛矿量子点前驱体溶液；
S5：分别将将有机物组分中的任意两种按任意质量比溶解在二氯苯溶液中，搅拌，得到第二有机体异质结层前驱体溶液，将已经旋涂了量子点层的玻璃基板旋涂所述第二有机体异质结前驱体溶液；
S6：将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，蒸镀一层空穴传输层，转移至外部冷却；
S7：再将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，蒸镀一层阳电极，即得到量子点修饰的双体异质结有机太阳能电池；
S8：测试器件的电流-电压特性。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述阳极、功能层和阴极是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积、触媒式化学气相沉积、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式而形成。
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