CN110212096A - 基于具有陷光结构的三氧化钼空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

基于具有陷光结构的三氧化钼空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池薄膜材料与器件领域，具体涉及一种以具有陷光结构的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池及其制备方法。该电池包括氧化物透明导电衬底、空穴传输层、有机活性层和金属电极，其中，空穴传输层是在氧化物透明导电衬底上蒸镀一层MoO3薄膜，借助聚苯乙烯球作为模板，利用盐酸烟雾刻蚀法对MoO3表面进行刻蚀，形成图案化的表面，最后在图案化的MoO3表面蒸镀上第二层MoO3，最终形成具有陷光结构的MoO3薄膜。本发明制得的有机光伏电池可以显著提高有机活性层的光吸收率，该电池轻便、成本低廉、稳定性较好、对环境友好且易于大面积生产。

Description

基于具有陷光结构的三氧化钼空穴传输层的有机太阳能电池 及其制备方法
技术领域
本发明属于电池薄膜材料与器件领域，具体涉及一种具有陷光结构的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是可再生能源之一，它作为清洁能源已经引起了全球范围内的关注，近年来世界各国都在竞相发展各类太阳能电池相关技术，其中有机太阳能电池也得到了快速地发展。有机太阳能电池因其具有可大面积生产、成本低、重量轻、材料多样化、加工灵活性高等优点越来越受到科研工作者的青睐。为了提高有机太阳能电池的能量转换效率，首先要解决的问题就是如何提高有机活性层的光吸收率。
由于常作为有机太阳能电池活性层的材料通常是一些小分子材料和聚合物材料，这些材料的载流子迁移率低，激子扩散距离短，为了实现最大的激子提取率和最小的激子复合率，光活性层的厚度一般被限制在100-200nm。这种超薄的光活性层将导致光吸收不足从而减少光生载流子的数量，致使外量子效率和能量转换效率降低，为了解决超薄活性层中光子吸收和载流子提取的平衡问题，我们尝试对薄膜表面进行光学工程来增加入射光在电池器件中的光程以提高有机活性层的光吸收率。
MoO3因其具有无毒，透明和能级匹配等特点可以作为有机太阳能电池的空穴传输层。当MoO3作为太阳能电池的空穴传输层时，能有效地降低电子和空穴在界面处的复合率，同时提高空穴迁移率，其电池结构一般为：氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al，其中氧化物透明导电衬底作为电池的阳极；P3HT(聚3-己基噻吩)作为电子给体；PCBM（C60的衍生物）作为电子受体；Al作为电池的阴极。
有文献报道过利用光学工程对薄膜表面进行图案化处理，其中唐建新等人报道（Chen J D, Li Y Q, Zhu J S, et al. Polymer Solar Cells with 90% ExternalQuantum Efficiency Featuring an Ideal Light- and Charge-Manipulation Layer[J]. Adv Mater, 2018, 30(13): 8）将掺杂Al2O3的ZnO薄膜作为光学操纵层以此来提高器件的光吸收效率，但是该方法略显复杂，不易操作。
发明内容
针对上述内容，本发明提供了一种具有陷光结构的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池的制备方法。该光伏电池可以显著提高有机活性层的光吸收率，并且该有机光伏电池轻便、成本低廉、稳定性较好、对环境友好且易于大面积生产。
为实现本发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种以具有陷光结构的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池，包括氧化物透明导电衬底、图案化的MoO3薄膜、有机活性层和金属电极。
其中空穴传输层为图案化的MoO3薄膜，具体是将蒸镀在氧化物透明导电衬底上的MoO3，利用模板对其表面进行盐酸刻蚀，形成图案化表面，最后在图案化的MoO3表面蒸镀上第二层MoO3。
其中所述模板材料是质量百分比为2.5%，粒径大小为100nm的聚苯乙烯球溶液。
其中所述刻蚀法具体是利用盐酸烟雾进行的化学湿法刻蚀。
所述氧化物透明导电衬底为ITO、FTO、AZO导电玻璃或透明柔性塑料。
所述的有机活性层为P3HT:PCBM。
所述金属电极为Al电极或Ag电极。
所述的以图案化的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）清洗氧化物透明导电衬底并烘干；
（2）在氧化物透明导电衬底上蒸镀一层MoO3，将聚苯乙烯球旋涂在MoO3表面作为模板，采用盐酸烟雾刻蚀法对MoO3表面进行刻蚀，形成图案化的表面，最后在图案化的MoO3表面蒸镀上第二层MoO3；
（3）在图案化后的MoO3表面上旋涂P3HT:PCBM；
（4）在有机活性层表面蒸发金属电极，在惰性气体保护下进行退火。
上述具有陷光结构的MoO3薄膜的制备条件为：
（1）蒸镀的第一层MoO3的厚度为10nm；
（2）聚苯乙烯球的旋涂转速是：前转为750转/分钟 ，后转为1700转/分钟；
（3）旋涂时间是：前转时间为10s；后转时间为60s；
（4）盐酸烟雾的刻蚀时间是30s、50s；
（5）蒸镀的第二层MoO3的厚度为3-6nm。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明利用聚苯乙烯纳米球作为刻蚀模板旋涂在第一层MoO3表面，用盐酸烟雾刻蚀法对其表面进行图案化处理。该方法成本低廉，工艺简单。
（2）以图案化的MoO3作为有机光伏电池的空穴传输层，电池的短路电流密度和能量转换效率都有显著的提高。
附图说明
图1为具有陷光结构的MoO3薄膜作为空穴传输层的有机太阳能电池结构示意图；1-透明玻璃或柔性衬底，2-阳极导电膜，3-图案化的MoO3薄膜，4-P3HT: PCBM体异质结光活性层，5-铝电极(或银电极)；
图2为以MoO3为空穴传输层，结构为氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al的有机太阳能电池J-V曲线；
图3为以刻蚀30s的第一层MoO3表面上再蒸镀3nm的第二层MoO3作为空穴传输层，结构为氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al的有机太阳能电池J-V曲线；
图4为以刻蚀50s的第一层MoO3表面上再蒸镀3nm的第二层MoO3作为空穴传输层，结构为氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al的有机太阳能电池J-V曲线；
图5为以刻蚀30s的第一层MoO3表面上再蒸镀4nm的第二层MoO3作为空穴传输层，结构为氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al的有机太阳能电池J-V曲线；
图6为以刻蚀30s的第一层MoO3表面上再蒸镀5nm的第二层MoO3作为空穴传输层，结构为氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al的有机太阳能电池J-V曲线；
图7为以刻蚀30s的第一层MoO3表面上再蒸镀6nm的第二层MoO3作为空穴传输层，结构为氧化物透明导电衬底/MoO3/P3HT:PCBM/Al的有机太阳能电池J-V曲线。
具体实施方式
本发明以具有陷光结构的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池可采用下述步骤制备：
1、衬底处理
试验中采用的基片是氧化物透明导电衬底（ITO导电玻璃或透明柔性塑料、FTO导电玻璃或透明柔性塑料、AZO导电玻璃或透明柔性塑料，为市售产品），在试验前应首先对基片进行清洗。首先将导电玻璃片切成合适的形状大小，将其分别放入盛有洗洁精、去离子水、丙酮和酒精的器皿中分别超声15分钟，最后烤箱烘干即可得到表面洁净的衬底。对洁净的表面进行15分钟紫外光照处理，增加其亲水性。
2、在洁净的氧化物透明导电衬底表面上蒸镀10nm的第一层MoO3薄膜。
3、刻蚀模板的制备
（1）将步骤2准备的基片放置于匀胶台上，用机械泵抽气吸片；
（2）用移液枪吸取20μl质量分数为2.5%、粒径大小为100nm的聚苯乙烯球溶液转移到MoO3表面；
（3）设置旋涂转速：前转750转/分钟，时间为10s；后转1700转/分钟，时间为60s；
（4）将旋涂好刻蚀模板的基片放置高纯氩手套箱自然晾干。
4、刻蚀工艺过程
（1）将步骤3准备好的基片放在订做好的架子上，MoO3表面朝下放在烧杯中；
（2）在烧杯中倒入浓盐酸，控制盐酸液面高度距离MoO3表面为2cm，刻蚀时间为30s、50s；
5、清洗
将刻蚀后的基片放入烧杯中，先后倒入三氯甲烷和异丙醇超声15分钟去除模板，然后放置于烘箱中60℃下烘烤20分钟。
6、图案化MoO3空穴传输层的制备
在步骤5中清洗好的基底表面蒸镀上3-6nm的第二层MoO3；
7、太阳能电池制备
（1）有机光敏层配方：用电子天平称P3HT（Rieke Metals）20.0毫克，PCBM（Nano C）20.0毫克，放在试剂瓶中。混合后，将其溶解在1.0毫升的氯苯中。然后放在有温度控制的磁力搅拌器上，40℃下搅拌至少48小时待用。
（2）在步骤5制备好的图案化的MoO3薄膜表面上旋涂一层200nm厚的P3HT:PCBM薄膜。
（3）电极的制备：在P3HT:PCBM表面蒸镀金属铝。在惰性气体的保护下进行退火。
8、 材料及器件性能测试
为了评价以图案化的MoO3作为空穴传输层的有机太阳能电池的光伏特性，我们利用Keithley SMU测试仪对它进行了J-V曲线的测试。
下面结合实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了更好的说明本发明而不是对其进行限制。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。
实施例1
（1）清洗氧化物透明导电衬底：将氧化物透明导电衬底分别放入盛有洗洁精、去离子水、丙酮和酒精的器皿中分别超声15分钟；最后放入烘箱中在100℃下进行烘干以消除应力；
（2）用真空蒸发法在氧化物透明导电衬底表面蒸镀10nm的MoO3；
（3）有机光敏层配方：用电子天平称P3HT 20.0毫克，PCBM 20.0毫克，放在试剂瓶中，将其溶解在1.0毫升的氯苯中。然后放在有温度控制的磁力搅拌器上，40℃下搅拌48小时。
（4）在通有惰性气体的手套箱中，将步骤（3）中配置好的溶液旋涂在MoO3表面。
（5）电极的制备：在有机活性层表面上蒸发约150 nm厚的金属铝。在惰性气体保护下进行退火（150℃烘烤15 min）。得到如图1所示有机光伏电池：透明玻璃或柔性衬底1，阳极导电膜2 ，图案化的MoO3薄膜 3，P3HT:PCBM体异质结光活性层4，铝电极5。
电池性能说明如图2所示：开路电压为：0.60 V；电池的短路电流密度为：6.39 mA/cm2，填充因子为：53.56%，能量转换效率为：2.03%。
实施例2
（1）清洗氧化物透明导电衬底：同实施例1；
（2）图案化MoO3的制备：
（2.1）用真空蒸发法在氧化物透明导电衬底表面蒸镀10nm的第一层MoO3；
（2.2）对蒸镀好的MoO3表面进行紫外光照处理15分钟；
（2.3）将质量分数为2.5%、粒径为100nm的聚苯乙烯球旋涂在处理后的MoO3表面，旋涂条件为：前转750转/分钟，时间为10s；后转为1700转/分钟，时间为60s；
（2.4）将涂有模板的MoO3表面朝下放置在订制的架子上，放置于烧杯中，向烧杯中倒入浓盐酸，使盐酸液面距MoO3表面为2cm，刻蚀30s；
（2.5）将刻蚀后的基片放入烧杯中，先后倒入三氯甲烷和异丙醇超声15分钟去除模板，然后放置于烘箱中60℃下烘烤20分钟进行烘干；
（2.6）在清洗后的MoO3表面上再蒸镀3nm的第二层MoO3薄膜；
（3）有机光敏层配方：如实施例1。
（4）在通有惰性气体的手套箱中，将步骤（3）中配置好的溶液旋涂在具有陷光结构的MoO3表面。
（5）电极的制备：同实施例1。
电池性能说明如图3所示：开路电压为：0.62 V；电池的短路电流密度为：8.80 mA/cm2，填充因子为：46.72%，能量转换效率为：2.57%。
实施例3
（1）清洗氧化物透明导电衬底：同实施例1；
（2）图案化MoO3的制备：
（2.1）用真空蒸发法在氧化物透明导电衬底表面蒸镀10nm的第一层MoO3；
（2.2）对蒸镀好的MoO3表面进行紫外光照处理15分钟；
（2.3）将质量分数为2.5%、粒径为100nm的聚苯乙烯球旋涂在处理后的MoO3表面，旋涂条件为：前转750转/分钟，时间为10s；后转为1700转/分钟，时间为60s；
（2.4）将涂有模板的MoO3表面朝下放置在订制的架子上，放置于烧杯中，向烧杯中倒入浓盐酸，使盐酸液面距MoO3表面为2cm，刻蚀50s；
（2.5）将刻蚀后的基片放入烧杯中，先后倒入三氯甲烷和异丙醇超声15分钟去除模板，然后放置于烘箱中60℃下烘烤20分钟进行烘干；
（2.6）在清洗后的MoO3表面上再蒸镀3nm的第二层MoO3薄膜；
（3）、有机光敏层配方：同实施例1
（4）、在通有惰性气体的手套箱中，将步骤（3）中配置好的溶液旋涂在具有陷光结构的MoO3表面。
（5）、电极的制备：同实施例1
电池性能说明如图4所示：开路电压为：0.57 V；电池的短路电流密度为：7.33 mA/cm2，填充因子为：53.28%，能量转换效率为：2.22%。
实施例4
（1）清洗氧化物透明导电衬底：同实施例1；
（2）图案化MoO3的制备：
（2.1）用真空蒸发法在氧化物透明导电衬底表面蒸镀10nm的第一层MoO3；
（2.2）对蒸镀好的MoO3表面进行紫外光照处理15分钟；
（2.3）将质量分数为2.5%、粒径为100nm的聚苯乙烯球旋涂在处理后的MoO3表面，旋涂条件为：前转750转/分钟，时间为10s；后转为1700转/分钟，时间为60s；
（2.4）将涂有模板的MoO3表面朝下放置在订制的架子上，放置于烧杯中，向烧杯中倒入浓盐酸，使盐酸液面距MoO3表面为2cm，刻蚀30s；
（2.5）将刻蚀后的基片放入烧杯中，先后倒入三氯甲烷和异丙醇超声15分钟去除模板，然后放置于烘箱中60℃下烘烤20分钟进行烘干；
（2.6）在清洗后的MoO3表面上再蒸镀4nm的第二层MoO3薄膜；
（3）有机光敏层配方：同实施例1
（4）在通有惰性气体的手套箱中，将步骤（3）中配置好的溶液旋涂在具有陷光结构的MoO3表面。
（5）电极的制备：同实施例1 。
电池性能说明如图5所示：开路电压为：0.63 V；电池的短路电流密度为：7.81 mA/cm2，填充因子为：53.25%，能量转换效率为：2.62%。
实施例5
（1）清洗氧化物透明导电衬底：同实施例1；
（2）图案化MoO3的制备：
（2.1）用真空蒸发法在氧化物透明导电衬底表面蒸镀10nm的第一层MoO3；
（2.2）对蒸镀好的MoO3表面进行紫外光照处理15分钟；
（2.3）将质量分数为2.5%、粒径为100nm的聚苯乙烯球旋涂在处理后的MoO3表面，旋涂条件为：前转750转/分钟，时间为10s；后转为1700转/分钟，时间为60s；
（2.4）将涂有模板的MoO3表面朝下放置在订制的架子上，放置于烧杯中，向烧杯中倒入浓盐酸，使盐酸液面距MoO3表面为2cm，刻蚀30s；
（2.5）将刻蚀后的基片放入烧杯中，先后倒入三氯甲烷和异丙醇超声15分钟去除模板，然后放置于烘箱中60℃下烘烤20分钟进行烘干；
（2.6）在清洗后的MoO3表面上再蒸镀5nm的第二层MoO3薄膜；
（3）有机光敏层配方：同实施例1
（4）在通有惰性气体的手套箱中，将步骤（3）中配置好的溶液旋涂在具有陷光结构的MoO3表面。
（5）电极的制备：同实施例1
电池性能说明如图6所示：开路电压为：0.63 V；电池的短路电流密度为：8.69 mA/cm2，填充因子为：55.35%，能量转换效率为：3.03%。
实施例6
（1）清洗氧化物透明导电衬底：同实施例1；
（2）图案化MoO3的制备：
（2.1）用真空蒸发法在氧化物透明导电衬底表面蒸镀10nm的第一层MoO3；
（2.2）对蒸镀好的MoO3表面进行紫外光照处理15分钟；
（2.3）将质量分数为2.5%、粒径为100nm的聚苯乙烯球旋涂在处理后的MoO3表面，旋涂条件为：前转750转/分钟，时间为10s；后转为1700转/分钟，时间为60s；
（2.4）将涂有模板的MoO3表面朝下放置在订制的架子上，放置于烧杯中，向烧杯中倒入浓盐酸，使盐酸液面距MoO3表面为2cm，刻蚀30s；
（2.5）将刻蚀后的基片放入烧杯中，先后倒入三氯甲烷和异丙醇超声15分钟去除模板，然后放置于烘箱中60℃下烘烤20分钟进行烘干；
（2.6）在清洗后的MoO3表面上再蒸镀6nm的第二层MoO3薄膜；
（3）有机光敏层配方：同实施例1 。
（4）在通有惰性气体的手套箱中，将步骤（3）中配置好的溶液旋涂在刻蚀后的MoO3表面。
（5）电极的制备：同实施例1
电池性能说明如图7所示：开路电压为：0.61 V；电池的短路电流密度为：8.00 mA/cm2，填充因子为：52.56%，能量转换效率为：2.58%。

Claims (9)

1.基于具有陷光结构的MoO3空穴传输层的有机光伏电池，包括氧化物透明导电衬底、图案化的MoO3薄膜、有机活性层和金属电极，其特征在于：所述图案化的MoO3薄膜为空穴传输层是将蒸镀在氧化物透明导电衬底上的MoO3，利用模板对其表面进行刻蚀，形成图案化表面，最后在图案化的MoO3表面再镀上第二层MoO3，形成具有陷光结构的MoO3空穴传输层。
2.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：所述的模板材料是质量分数为2.5%、粒径大小为100nm的聚苯乙烯球溶液。
3.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：所述刻蚀是利用盐酸烟雾对薄膜表面进行的化学湿法刻蚀，刻蚀时间为30s、50s。
4.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：第二层MoO3的厚度为3-6nm。
5.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：所述氧化物透明导电衬底为ITO、FTO、AZO电玻璃或透明柔性塑料中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：所述的有机活性层为P3HT:PCBM。
7.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：金属电极为Al电极或Ag电极。
8.一种制备如权利要求1所述的基于具有陷光结构的MoO3为空穴传输层的有机光伏电池的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）清洗氧化物透明导电衬底并烘干；
（2）在氧化物透明导电衬底上蒸镀一层MoO3，将聚苯乙烯球旋涂在MoO3表面作为模板，利用盐酸烟雾刻蚀法对MoO3表面进行刻蚀，最后在刻蚀后的MoO3表面蒸镀上第二层MoO3；
（3）有机活性层的制备：在具有陷光结构的MoO3表面上旋涂P3HT:PCBM；
（4）电极的制备：在有机活性层表面蒸镀金属电极，在惰性气体保护下进行退火。
9.根据权利要求8所述的的制备方法，其特征在于：步骤（2）中聚苯乙烯球的旋涂转速是：前转为750转/分钟，时间为10s；后转为1700转/分钟，旋涂时间为60s。
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