CN109935697B - 一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法;该有机太阳能电池包括依次层叠设置的阳极基底、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层;所述空穴传输层为In2Se3掺杂PEDOT:PSS。本发明的有机太阳能电池,使用了高电导率、高透光率的In2Se3;首先,In2Se3具有较高的电导率,可以有效的提升PEDOT:PSS的电荷传输效率,降低了对薄膜厚度的敏感性;其次In2Se3透光率较高,能让活性层有效利用入射光;最后,本发明中将In2Se3粉末用去离子水与异丙醇混合配成溶液,不止环境友好,而且使得其能够掺杂在PEDOT:PSS中。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域,尤其涉及一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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)电子和空穴在电极/活性层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。
界面层材料包括电子传输层材料和空穴传输层材料。目前空穴传输层材料发展较为落后,商业化产品只有PEDOT:PSS一种。而PEDOT:PSS电导率较低,纵向传输空穴效率低。这也导致PEDOT:PSS对厚度十分敏感,若PEDOT:PSS厚度太小,则容易形成针孔,产生漏电流;若厚度过大,则空穴难以传输到电极处,导致电池串联电阻增大。目前主要采用两种方法提高PEDOT:PSS电导率:一是通过共混掺杂,在 PEDOT:PSS溶液中直接掺杂某些物质,如溶剂、粒子等,调控PEDOT相与PSS相的分离结构,改变 PEDOT链的构象,达到提高PEDOT:PSS电导率的效果;二是采用溶剂、表面活性剂、酸等对PEDOT:PSS 进行修饰改性,调控PEDOT:PSS与活性层间的接触性能。
发明内容
基于此,本发明提供一种可以提高光电光电转换效率的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池,包括阳极基底、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层,所述空穴传输层由PEDOT:PSS与In2Se3掺杂而成。
进一步的,所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)。
进一步的,所述空穴传输层厚度为20-30nm;优选为30nm。
进一步的,所述空穴传输层制备工艺,首先将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,配置成质量浓度为0.9-1mg/ml的混合液;将上述混合液超声后,离心取出上清液;再将上述上清液离心取出上清液,即得到In2Se3溶液;将所述In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,其中In2Se3溶液体积百分比为5%-20%,经过旋涂、退火得到所述空穴传输层。
进一步的,所述活性层为P3HT/PCBM,且活性层厚度为150-200nm。优选为200nm。
进一步的,所述电子传输层为Ca或PFNBr,所述电子传输层厚度为5-8nm。优选为5nm。
进一步的,所述阴极层为Al,所述阴极层厚度为80-85nm。
本发明的另一个目的在于提供一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:
步骤一、清洗阳极基底,并对所述阳极基底表面进行表面处理;
步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阳极层表面依次旋涂空穴传输层、活性层;
步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀电子传输层以及阴极层;
上述工艺步骤完成后,制得所述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池。
进一步的,上述步骤一中,所述阳极基底处理包括: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;随后在80-90℃真空干燥箱中烘干;最后对所述清洗烘干的阳极基底表面进行13-15分钟的等离子表面处理。
进一步的,上述步骤二中,所述空穴传输层为In2Se3掺杂PEDOT:PSS:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,其中异丙醇体积分数为30-40%,配置成质量浓度为0.9-1mg/ml的混合液。将上述混合液超声4-5小时后,在7000-8000rpm的速度下离心4-5min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下,离心13-15min,取出上清液,即得到所需In2Se3溶液。将In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,其中In2Se3溶液体积百分比为5%-20%,然后旋涂在上述处理过的阳极基底表面上,转速为3000-3500rpm,时间为35-40s;将旋涂完的阳极基底进行退火处理,温度为140-150℃,时间为15-20分钟。优选混合液的浓度为1mg/ml。
进一步的,上述步骤二中,所述活性层为P3HT/PCBM:将P3HT和PCBM溶于二氯苯中将P3HT和 PCBM溶于邻二氯苯中,其中P3HT:PCBM质量比为0.8-1.2:1,P3HT浓度为15-25mg/ml,搅拌12-24小时;将退火后的空穴传输层表面进行13-15分钟的等离子表面处理;最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液,转速为850-1000rpm,时间为35-40s,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125~150℃退火处理5~10分钟。
本发明的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池,通过使用高电导率、高透光率的In2Se3;首先,In2Se3具有较高的电导率,可以有效的提升PEDOT:PSS的电荷传输效率。降低了对薄膜厚度的敏感性;其次In2Se3透光率较高,能让活性层有效利用入射光;最后,本发明中将In2Se3粉末用去离子水与异丙醇混合配成溶液,不止环境友好,而且使得其能够掺杂在PEDOT:PSS中。通过适量的掺杂 In2Se3,相对于不掺杂时,可将短路电流密度提高1.02%-7.25%,在最优掺杂浓度时,填充因子也有少量提高。因此,通过适量的掺杂,最终光电转换效率相对于不掺杂时提高0.60%-7.78%。
附图说明
图1为本发明的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池的结构示意图;
图2为以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池器件的制备方法流程图;
图3为实施例1与对比例中的太阳能器件的电流密度与电压关系图。
具体实施方案
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施不限于此。
本发明提供一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池,如图1所示其包括阳极基底01、空穴传输层02、活性层03、电子传输层04以及阴极层05。
上述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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、清洗阳极基底ITO;
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底ITO表面进行表面处理;
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂In2Se3掺杂PEDOT:PSS溶液后退火处理制备空穴传输层;
步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂制备活性层;
步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层Ca;
步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层Al;
上述步骤结束后得到以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池。
实施例1
本实施例1中的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为: ITO/PEDOT:PSS:In2Se3/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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;此后在80℃真空干燥箱中烘干;
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行13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In2Se3掺杂PEDOT:PSS溶液;所述空穴传输层由 PEDOT:PSS与In2Se3掺杂而成,其中In2Se3溶液占总体积10%。溶液配制过程为:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,异丙醇体积分数为30%,配置成质量浓度为1mg/ml的混合液。将上述混合液超声5小时后,在8000rpm的速度下离心5min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下,离心15min,取出上清液,即得到所需In2Se3溶液。将In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,In2Se3溶液占总体积比为 10%,旋涂在上述处理过的阳极基底表面上,转速为3500rpm,时间为40s;将旋涂完的阳极基底在150℃条件下退火处理,时间为15min,其厚度为20nm;
步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液;所述活性层为P3HT/PCBM。所述活性层制备工艺为:将P3HT和PCBM溶于邻二氯苯中,其中P3HT:PCBM质量比为1:1,P3HT浓度为20mg/ml,搅拌12 小时;将退火后的空穴传输层表面进行13分钟的等离子表面处理;最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液,转速为1000rpm,时间为40s,活性层厚度为150nm;所述活性层旋涂完成后放置3小时自然晾干,随后以125℃退火处理7分钟;
步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层Ca,其厚度为5nm;
步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层Al,其厚度为80nm;
上述步骤结束后得到以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池。
对比例
对比例与实施例1制备条件基本相同,不同之处在于空穴传输层为PEDOT:PSS。
图3为实施例1的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池与对比例中以PEDOT:PSS 为空穴传输层的有机太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图;其中实线为对比例中以PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池(结构为:ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al)的电流密度与电压曲线,点划线为实施例1的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池(结构为:ITO/ PEDOT:PSS:In2Se3/P3HT:PCBM/Ca/Al)的电流密度与电压曲线;从附图3可以看出对比例中以PEDOT:PSS 为空穴传输层的有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.59V,短路电流密度(Jsc)为8.82mA/cm2;实施例1的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.59V,短路电流密度(Jsc)为9.46mA/cm2。这说明In2Se3的高电导率率可以有效提高电荷传输效率,从而提高短路电流密度。
实施例2
本实施例2中的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为: ITO/PEDOT:PSS:In2Se3/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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15分钟;此次在90℃真空干燥箱中烘干;
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行15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PEDOT:PSS:In2Se3溶液;所述空穴传输层由PEDOT:PSS 与In2Se3掺杂而成,其中In2Se3溶液占总体积5%。溶液配制过程为:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,异丙醇体积分数为40%,配置成质量浓度为0.9mg/ml的混合液。将上述混合液超声4小时后,在7000rpm的速度下离心4min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下,离心13min,取出上清液,即得到所需In2Se3溶液。将In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,In2Se3溶液占总体积比为5%,旋涂在上述处理过的阳极基底表面上,转速为3000rpm,时间为35s;将旋涂完的阳极基底在140℃条件下退火处理,时间为20min,其厚度为30nm;
步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液;所述活性层为P3HT/PCBM。所述活性层制备工艺为:将P3HT和PCBM溶于邻二氯苯中,其中P3HT:PCBM质量比为0.8:1,P3HT浓度为25mg/ml,搅拌 24小时;将退火后的空穴传输层表面进行15分钟的等离子表面处理;最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液,转速为850rpm,时间为35s,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150℃退火处理10分钟;
步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层Ca,其厚度为8nm;
步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层Al,其厚度为85nm;
上述步骤结束后得到以PEDOT:PSS:In2Se3为空穴传输层的有机太阳能电池。
实施例3
本实施例3中的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为: ITO/PEDOT:PSS:In2Se3/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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17.5分钟;此次在85℃真空干燥箱中烘干;
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行14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In2Se3掺杂PEDOT:PSS溶液;所述空穴传输层由 PEDOT:PSS与In2Se3掺杂而成,其中In2Se3溶液占总体积15%。溶液配制过程为:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,异丙醇体积分数为35%,配置成质量浓度为0.95mg/ml的混合液。将上述混合液超声4.5小时后,在7500rpm的速度下离心4.5min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下,离心14min,取出上清液,即得到所需In2Se3溶液。将In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,In2Se3溶液占总体积比为15%,旋涂在上述处理过的阳极基底表面上,转速为3250rpm,时间为38s;将旋涂完的阳极基底在145℃条件下退火处理,时间为17.5min,其厚度为25nm;
步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液;所述活性层为P3HT/PCBM。所述活性层制备工艺为:将P3HT和PCBM溶于邻二氯苯中,其中P3HT:PCBM质量比为0.8:1,P3HT浓度为25mg/ml,搅拌 18小时;将退火后的空穴传输层表面进行14分钟的等离子表面处理;最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液,转速为925pm,时间为38s,活性层厚度为175nm;所述活性层旋涂完成后放置2.5小时自然晾干,随后以137℃退火处理8分钟;
步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层Ca,其厚度为6.56nm;
步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层Al,其厚度为82.5nm;
上述步骤结束后得到以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池。
实施例4
本实施例4中的以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池器件结构为: ITO/PEDOT:PSS:In2Se3/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行13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PEDOT:PSS:In2Se3溶液;所述空穴传输层由PEDOT:PSS 与In2Se3掺杂而成,其中In2Se3溶液占总体积20%。溶液配制过程为:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,异丙醇体积分数为30%,配置成质量浓度为1mg/ml的混合液。将上述混合液超声5小时后,在8000rpm的速度下离心5min后取出上清液。再将上述上清液于相同的速度下,离心15min,取出上清液,即得到所需In2Se3溶液。将In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,In2Se3溶液占总体积比为10%,旋涂在上述处理过的阳极基底表面上,转速为3500rpm,时间为40s;将旋涂完的阳极基底在140℃条件下退火处理,时间为18min,其厚度为30nm;
步骤4、在上述空穴传输层表面旋涂活性层溶液;所述活性层为P3HT/PCBM。所述活性层制备工艺为:将P3HT和PCBM溶于邻二氯苯中,其中P3HT:PCBM质量比为1:1,P3HT浓度为20mg/ml,搅拌12 小时;将退火后的空穴传输层表面进行13分钟的等离子表面处理;最后在空穴传输层表面上旋涂活性层溶液,转速为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125℃退火处理7分钟;
步骤5、在上述活性层表面蒸镀电子传输层Ca,其厚度为5nm;
步骤6、在上述电子传输层表面蒸镀阴极层Al,其厚度为80nm;
上述步骤结束后得到以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池。
下述表1为实施例1-4与对比例制备得到的有机太阳能电池各参数对比。
表1实施例1-4与对比例的各参数对比
从表1可以发现,实施例1的短路电流密度(Jsc)从8.82mA/cm2提升到9.46mA/cm2,填充因子从63.47%提升到了64.10%。这说明了用In2Se3对PEDOT:PSS进行掺杂,提高了PEDOT:PSS的空穴传输能力,从而提高了短路电流密度,从而使得能量转换效率从3.34%提高到3.60%,提高了7.78%。从实施例1-4的数据可以看出,随着掺杂浓度提高,能量转换效率提高,到掺杂体积比达到10%时最佳(实施例1),而大于这个掺杂量时,效果变差。说明适当的掺杂可以提高PEDOT:PSS的导电能力,使得载流子收集效率提高,短路电流密度和填充因子增大。但过多的掺杂可能会发生无机材料的团聚,填料分散不均匀,虽然短路电流密度仍然增大,但填充因子降低,效率反而降低。
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 (4)
1.一种以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池,其特征在于,包括阳极基底、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层;所述空穴传输层为In2Se3掺杂PEDOT:PSS;所述空穴传输层厚度为20-30nm;所述活性层材料为P3HT:PCBM,且活性层厚度为150-200nm;述电子传输层材料为Ca或PFNBr,厚度为5-8nm;所述阴极层为铝,厚度为80~85nm;所述空穴传输层的制备工艺为:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,配置成质量浓度为0.9-1mg/ml的混合液;将上述混合液超声后,离心两次后取出上清液,即得到In2Se3溶液;将所述In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,其中In2Se3溶液体积百分比为5%-20%,经过旋涂、退火得到所述空穴传输层;空穴传输层In2Se3掺杂的PEDOT:PSS溶液的制备工艺为:将In2Se3粉末溶于异丙醇和去离子水的混合溶液,其中异丙醇体积分数为30%-40%,配置成质量浓度为0.9-1mg/ml的混合液;将上述混合液超声4-5小时后,在7000-8000rpm的速度下离心4-5min后取出上清液;再将上述上清液于相同的速度下,离心13-15min,取出上清液,即得到所需In2Se3溶液;将In2Se3溶液掺杂于PEDOT:PSS溶液中,其中In2Se3溶液体积百分比为5%-20%,然后旋涂在阳极基底表面上,转速为3000-3500rpm,时间为35-40s;将旋涂完的阳极基底进行退火处理,温度为140-150℃,时间为15-20min。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池,其特征在于,所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃。
3.权利要求1-2任一项所述以In2Se3掺杂PEDOT:PSS为空穴传输层的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、清洗阳极基底,并对所述阳极基底的阴极层表面进行表面处理;所述阳极基底处理包括:首先依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇和异丙醇各超声清洗15-20分钟;此次在80-90℃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13-15分钟的等离子表面处理;
步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阳极层表面依次旋涂空穴传输层和活性层;所述空穴传输层为In2Se3掺杂PEDOT:PSS;
步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀电子传输层以及阴极层;
上述工艺步骤完成后,制得所述有机太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤二中,所述活性层制备工艺为:将P3HT和PCBM溶于邻二氯苯中,其中P3HT:PCBM质量比为0.8-1.2:1,P3HT浓度为15-25mg/ml,搅拌12-24小时;最后在已旋涂空穴传输层表面上旋涂活性层溶液,转速为850-1000rpm,时间为35-40s;所述活性层旋涂完成后放置2~3小时自然晾干,随后以125~150℃退火处理7~10分钟。
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