CN110676386B - 一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池及其制备方法。所述高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池自下而上依次包括阴极基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及阳极层；所述活性层为掺杂二维Bi2O2Se纳米片的PBDB‑T/ITIC。通过在活性层中掺杂高电导率二维Bi2O2Se纳米片可以有效地提升有机太阳能电池的电荷传输效率，减少电子空穴对的复合，进而提高掺杂有机太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元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生产成本低、重量轻、可加工成柔性器件等优点,更具有与现有的印刷或打印等工业化生产方式相兼容的优势,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。研究表明限制有机太阳能电池光电转换效率主要是载流子迁移率较低，这限制了空穴在光活性层中的传输和空穴在阳极处的收集，从而限制了电池的短路电流密度和填充因子。目前通常采用向活性层中加入有机第三组分的方法来解决有机半导体的载流子迁移限制，提高有机太阳能电池的能量转换效率，但是提高程度有限。这是由于有机物的电荷迁移率普遍比较低。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
通过将高迁移率二维Bi2O2Se纳米片引入光活性层，构成三元有机太阳能电池，改善了传统有机太阳能电池载流子迁移率低的情况，提高了电池的载流子收集效率和光电转化效率。
本发明的另一目的在于提供上述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池，自下而上依次包括阴极基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及阳极层；所述活性层为掺杂二维 Bi2O2Se纳米片的PBDB-T/ITIC。
所述阴极基底为铟锡氧化物玻璃(ITO)。
所述电子传输层为ZnO；所述电子传输层的厚度为20～30nm。
所述活性层中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比(占整个活性层质量) 为0.5～5％，优选为0.5～3％，所述二维Bi2O2Se纳米片的粒径大小为30～50nm。所述活性层的厚度为100～110nm。
所述空穴传输层为MoO3；所述空穴传输层的厚度为1～2nm。
所述阳极层为银，其厚度为80～100nm。
上述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)对阴极基底进行清洗和表面处理；
(2)在步骤(1)的阴极基底表面旋涂电子传输层，在电子传输层表面旋涂活性层；
(3)在活性层表面蒸镀空穴传输层，在空穴传输层表面蒸镀阳极层，得到高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
步骤(1)所述清洗为：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，然后在70～80℃下真空干燥至恒重。
步骤(1)所述表面处理指对清洗后的阴极基底进行等离子表面处理 10～15min。
步骤(2)所述电子传输层的制备方法为：将ZnO溶液旋涂在步骤(1)的阴极基底表面，然后在180～200℃下退火50～60min，其中旋涂的转速为 4000～5000rpm，时间为30～40s，ZnO溶液的浓度为100mg/mL。
步骤(2)所述活性层的制备方法为：按照50mg：1ml的比例将二维Bi2O2Se 粉末超声分散在有机溶剂中，离心，取上层液；将PBDB-T和ITIC混合均匀后，加入上层液中，搅拌10～12h，得到活性层溶液，然后旋涂在电子传输层上，真空环境下放置3～4小时，得到活性层。
所述PBDB-T和ITIC的质量比为1：1；所述活性层溶液中，PBDB-T和ITIC 的总浓度为20mg/ml，二维Bi2O2Se纳米片的浓度为0.1～1.05mg/ml。
所述有机溶剂为氯苯；所述超声的功率为400～600W，频率为50～200kHz，时间为1～3天；所述离心的条件为：4000～6000rpm离心5～10min；所述真空环境下放置3～4小时目的是去除有机溶剂。所述超声将二维Bi2O2Se粉末分散成单片层。所述上层液中二维Bi2O2Se纳米片的浓度为2mg/ml，还需加入有机溶剂将其浓度稀释为0.1～1.05mg/ml，再加入PBDB-T和ITIC制备活性层溶液。
所述ITIC，非富勒烯受体，是一种基于茚并二噻吩并噻吩的电子受体。
所述旋涂的转速为2000～2500rpm，时间为50～60s。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明的掺杂有机太阳能电池，通过在活性层中掺杂高电导率二维Bi2O2Se 纳米片；二维Bi2O2Se纳米片具有较高的电导率，可以有效地提升有机太阳能电池的电荷传输效率，减少电子空穴对的复合，进而提高掺杂有机太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明所述高迁移率Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的结构示意图，自下而上依次包括阴极基底1、空穴传输层2、活性层3、空穴传输层4以及阳极层5。
图2为本发明所述高迁移率Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法流程图。
图3为对比例1和实施例1～4制得的太阳能电池的电流密度与电压关系图。
图4为对比例1和实施例1～4制得的太阳能电池的外量子效应曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例所述高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的结构自下而上依次包括阴极基底1、空穴传输层2、活性层3、空穴传输层4以及阳极层5。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请实施例中所述Bi2O2Se粉末由以下方法制得：
将3.008g的LiNO3、5.992g的KNO3、1mmol的Bi(NO3)3·5H2O和0.5mmol 的Se粉混合均匀；向上述混合物中加入2mL的水合肼和5mL的去离子水，并搅拌30分钟，然后转移至25mL的反应釜中，在200℃条件下反应24小时；反应结束后将沉淀物用去离子水和乙醇清洗，最后在80℃鼓风干燥箱中烘干12小时即可获得Bi2O2Se粉末材料。
实施例1
本实施例中高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的结构为： ITO/ZnO/PBDB-T:ITIC:Bi2O2Se:MoO3/Ag。
所述高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、将阴极基底(ITO)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，然后在80℃真空干燥箱中干燥至恒重。
步骤2、将步骤1中干燥后的阴极基底(ITO)进行等离子表面处理10分钟，利用微波条件下生成强氧化性的臭氧清洗去除ITO表面残留的有机物，同时可以提高ITO表面氧空位，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在步骤2等离子表面处理后的ITO表面旋涂ZnO溶液(100mg/mL，溶剂为乙二醇甲醚)，旋涂的转速为4500rpm，时间为40s；然后在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为30nm。
步骤4、在步骤3的电子传输层表面旋涂活性层溶液，所述活性层为由 PBDB-T/ITIC与二维Bi2O2Se纳米片掺杂而成，其中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比为0.5％，二维Bi2O2Se纳米片粒径大小为30～50nm，所述活性层厚度为100nm。所述活性层制备工艺为：首先将100mg Bi2O2Se粉末分散在2mL 氯苯有机溶剂中，在超声清洗仪(500W，100kHz)上超声两天，然后5000rpm 离心5分钟，最后取上层液(浓度为2mg/mL)；然后将上述浓度为2mg/mL的二维Bi2O2Se纳米片上层液稀释成0.1mg/ml的溶液；其次将PBDB-T(10mg)和 ITIC(10mg)混合均匀后加入到995μL上述稀释后的二维Bi2O2Se纳米片溶液中，加入5μL的DIO(二碘辛烷)，搅拌12小时，掺杂二维Bi2O2Se纳米片质量百分比为0.5％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为2500rpm，时间为60s，活性层厚度为100nm；所述活性层旋涂完成后在真空室温环境下放置4小时，使有机溶剂挥发。
步骤5、在步骤4的活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，其厚度为2nm。
步骤6、在步骤5的空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后即可得到高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
实施例2
本实施例中高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的结构为： ITO/ZnO/PBDB-T:ITIC:Bi2O2Se:MoO3/Ag。
所述高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、将阴极基底(ITO)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，然后在80℃真空干燥箱中干燥至恒重。
步骤2、将步骤1中干燥后的阴极基底(ITO)进行等离子表面处理10分钟，利用微波条件下生成强氧化性的臭氧清洗去除ITO表面残留的有机物，同时可以提高ITO表面氧空位，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在步骤2等离子表面处理后的ITO表面旋涂ZnO溶液(100mg/mL，乙二醇甲醚)，旋涂的转速为4500rpm，时间为40s；然后在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为30nm。
步骤4、在步骤3的电子传输层表面旋涂活性层溶液，所述活性层为由 PBDB-T/ITIC与二维Bi2O2Se纳米片掺杂而成，其中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比为1％，二维Bi2O2Se纳米片粒径大小为30～50nm，所述活性层厚度为100nm。所述活性层制备工艺为：首先将100mg Bi2O2Se粉末分散在2mL氯苯有机溶剂中，在超声清洗仪(500W，100kHz)上超声两天，然后5000rpm 离心5分钟，最后取上层液(浓度为2mg/mL)；然后将上述浓度为2mg/mL的二维Bi2O2Se纳米片上层液稀释成0.2mg/ml的溶液；其次将PBDB-T(10mg)和 ITIC(10mg)混合均匀后加入到995μL上述稀释后的二维Bi2O2Se纳米片溶液中，加入5μL的DIO，搅拌12小时，掺杂二维Bi2O2Se纳米片质量百分比为1％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为2500rpm，时间为60s，活性层厚度为100nm；所述活性层旋涂完成后在真空室温环境下放置4小时，使有机溶剂挥发。
步骤5、在步骤4的活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，其厚度为2nm。
步骤6、在步骤5的空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后即可得到高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
实施例3
本实施例中高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的结构为： ITO/ZnO/PBDB-T:ITIC:Bi2O2Se:MoO3/Ag。
所述高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、将阴极基底(ITO)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，然后在80℃真空干燥箱中干燥至恒重。
步骤2、将步骤1中干燥后的阴极基底(ITO)进行等离子表面处理10分钟，利用微波条件下生成强氧化性的臭氧清洗去除ITO表面残留的有机物，同时可以提高ITO表面氧空位，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在步骤2等离子表面处理后的ITO表面旋涂ZnO溶液(100mg/mL，乙二醇甲醚)，旋涂的转速为4500rpm，时间为40s；然后在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为30nm。
步骤4、在步骤3的电子传输层表面旋涂活性层溶液，所述活性层为由 PBDB-T/ITIC与二维Bi2O2Se纳米片掺杂而成，其中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比为3％，二维Bi2O2Se纳米片粒径大小为30～50nm，所述活性层厚度为100nm。所述活性层制备工艺为：首先将100mg Bi2O2Se粉末分散在2mL氯苯有机溶剂中，在超声清洗仪(500W，100kHz)上超声两天，然后5000rpm 离心5分钟，最后取上层液(浓度为2mg/mL)；然后将上述浓度为2mg/mL的二维Bi2O2Se纳米片上层液稀释成0.62mg/ml的溶液；其次将PBDB-T(10mg) 和ITIC(10mg)混合均匀后加入到995μL上述稀释后的二维Bi2O2Se纳米片溶液中，加入5μL的DIO，搅拌12小时，掺杂二维Bi2O2Se纳米片质量百分比为 3％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为2500rpm，时间为60s，活性层厚度为100nm；所述活性层旋涂完成后在真空室温环境下放置4小时，使有机溶剂挥发。
步骤5、在步骤4的活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，其厚度为2nm。
步骤6、在步骤5的空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后即可得到高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
实施例4
本实施例中高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的结构为： ITO/ZnO/PBDB-T:ITIC:Bi2O2Se:MoO3/Ag。
所述高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、将阴极基底(ITO)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，然后在80℃真空干燥箱中干燥至恒重。
步骤2、将步骤1中干燥后的阴极基底(ITO)进行等离子表面处理10分钟，利用微波条件下生成强氧化性的臭氧清洗去除ITO表面残留的有机物，同时可以提高ITO表面氧空位，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在步骤2等离子表面处理后的ITO表面旋涂ZnO溶液(100mg/mL，乙二醇甲醚)，旋涂的转速为4500rpm，时间为40s；然后在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为30nm。
步骤4、在步骤3的电子传输层表面旋涂活性层溶液，所述活性层为由 PBDB-T/ITIC与二维Bi2O2Se纳米片掺杂而成，其中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比为5％，二维Bi2O2Se纳米片粒径大小为30～50nm，所述活性层厚度为100nm。所述活性层制备工艺为：首先将100mgBi2O2Se粉末分散在2mL氯苯有机溶剂中，在超声清洗仪(500W，100kHz)上超声两天，然后5000rpm 转离心5分钟，最后取上层液(浓度为2mg/mL)；然后将上述浓度为2mg/mL 的二维Bi2O2Se纳米片上层液稀释成1.05mg/ml的溶液；其次将PBDB-T(10mg) 和ITIC(10mg)混合均匀后加入到995μL上述稀释后的二维Bi2O2Se纳米片溶液中，加入5μL的DIO，搅拌12小时，掺杂二维Bi2O2Se纳米片质量百分比为 5％；最后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为2500rpm，时间为60s，活性层厚度为100nm；所述活性层旋涂完成后在真空室温环境下放置4小时，使有机溶剂挥发。
步骤5、在步骤4的活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，其厚度为2nm。
步骤6、在步骤5的空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后即可得到高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
对比例1
本对比例中有机太阳能电池结构为：ITO/ZnO/PBDB-T:ITIC:MoO3/Ag。
所述有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、将阴极基底(ITO)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，然后在80℃真空干燥箱中干燥至恒重。
步骤2、将步骤1中干燥后的阴极基底(ITO)进行等离子表面处理10分钟，利用微波条件下生成强氧化性的臭氧清洗去除ITO表面残留的有机物，同时可以提高ITO表面氧空位，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在步骤2等离子表面处理后的ITO表面旋涂ZnO溶液(100mg/mL，乙二醇甲醚)，旋涂的转速为4500rpm，时间为40s；然后在200℃条件下退火处理1小时形成电子传输层，其厚度为30nm。
步骤4、在步骤3的电子传输层表面旋涂活性层溶液，所述活性层为 PBDB-T/ITIC，所述活性层厚度为100nm。所述活性层制备工艺为：将 PBDB-T(10mg)，ITIC(10mg)和二碘辛烷(DIO，5μL)溶于995μL的氯苯中配制成PBDB-T/ITIC质量浓度为20mg/ml的溶液，搅拌12小时，得到活性层溶液，然后在电子传输层表面上旋涂活性层溶液，转速为2500rpm，时间为60s，活性层厚度为100nm；所述活性层旋涂完成后在真空室温环境下放置4小时，使有机溶剂挥发。
步骤5、在步骤4的活性层表面蒸镀空穴传输层MoO3，其厚度为2nm。
步骤6、在步骤5的空穴传输层表面蒸镀阳极层银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后即可得到有机太阳能电池。
图3为对比例1制得的未掺杂有机太阳能电池与实施例1～4制得的掺杂二维Bi2O2Se纳米片的三元太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图。从附图3 可以看出未掺杂有机太阳能电池的开路电压为0.932V，短路电流密度为15.89 mA/cm2，填充因子68.14％，转换效率为10.09％；掺杂0.5wt％二维Bi2O2Se纳米片的三元太阳能电池的开路电压为0.934V，短路电流密度为17.69mA/cm2，填充因子70.79％，转换效率为11.70％；掺杂1wt％二维Bi2O2Se纳米片的三元太阳能电池的开路电压为0.934V，短路电流密度为18.20mA/cm2，填充因子 73.25％，转换效率为12.45％；而掺杂3wt％二维Bi2O2Se纳米片的三元太阳能电池的开路电压为0.938V，短路电流密度为17.44mA/cm2，填充因子69.65％，转换效率为11.39％；当掺杂5wt％二维Bi2O2Se纳米片时，三元太阳能电池的开路电压为0.934V，短路电流密度为15.53mA/cm2，填充因子67.82％，转换效率为 9.84％。这说明掺杂二维Bi2O2Se纳米片以后能有效提高了激子分离，加快了电荷传输，减少了电荷复合，从而提高短路电流密度和填充因子使得太阳能电池光电转换效率从10.3％提高到12.15％，转换效率提高了23％。而加入过量的二维Bi2O2Se纳米片反而不利于器件性能的提升。
图4为对比例1制得的未掺杂有机太阳能电池与实施例1～4制得的掺杂二维Bi2O2Se纳米片的三元太阳能电池的外量子效应曲线图。从附图4可以看出相比于没有掺杂二维Bi2O2Se纳米片的有机太阳能电池，掺杂1wt％二维Bi2O2Se 纳米片的有机太阳能电池其EQE值有明显提升。而加入过量的二维Bi2O2Se纳米片反而导致EQE值的降低。
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上述实施例的限制，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 (8)
1.一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池，其特征在于，自下而上依次包括阴极基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及阳极层；所述活性层为掺杂二维Bi2O2Se纳米片的PBDB-T/ITIC；
所述活性层中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比为0.5～5％，所述二维Bi2O2Se纳米片的粒径大小为30～50nm；
所述活性层的制备方法为：按照50mg：1ml的比例将二维Bi2O2Se粉末超声分散在有机溶剂中，离心，取上层液；将PBDB-T和ITIC混合均匀后，加入上层液中，搅拌10～12h，得到活性层溶液，然后旋涂在电子传输层上，真空环境下放置3～4小时，得到活性层。
2.根据权利要求1所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池，其特征在于，所述活性层中二维Bi2O2Se纳米片掺杂的质量百分比为0.5～3％。
3.根据权利要求1所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池，其特征在于，所述活性层的厚度为100～110nm；所述空穴传输层为MoO3；所述空穴传输层的厚度为1～2nm。
4.根据权利要求1所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池，其特征在于，所述阴极基底为ITO；所述电子传输层为ZnO，所述电子传输层的厚度为20～30nm；所述阳极层为银，其厚度为80～100nm。
5.权利要求1～4任一项所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对阴极基底进行清洗和表面处理；
(2)在步骤(1)的阴极基底表面旋涂电子传输层，在电子传输层表面旋涂活性层；
(3)在活性层表面蒸镀空穴传输层，在空穴传输层表面蒸镀阳极层，得到高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池。
6.根据权利要求5所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述PBDB-T和ITIC的质量比为1：1；所述活性层溶液中，PBDB-T和ITIC的总浓度为20mg/ml，二维Bi2O2Se纳米片的浓度为0.1～1.05mg/ml；
所述超声的功率为400～600W，频率为50～200kHz，时间为1～3天；所述离心的条件为：4000～6000rpm离心5～10min；
所述旋涂的转速为2000～2500rpm，时间为50～60s；所述有机溶剂为氯苯。
7.根据权利要求5所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述电子传输层的制备方法为：将ZnO溶液旋涂在步骤(1)的阴极基底表面，然后在180～200℃下退火50～60min，其中旋涂的转速为4000～5000rpm，时间为30～40s，ZnO溶液的浓度为100mg/mL。
8.根据权利要求5所述一种高迁移率二维Bi2O2Se掺杂的三元太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗为：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，然后在70～80℃下真空干燥至恒重；所述表面处理指对清洗后的阴极基底进行等离子表面处理10～15min。
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