CN111244285A - 一种用于太阳能电池的双层电子传输层及其应用 - Google Patents

一种用于太阳能电池的双层电子传输层及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种用于太阳能电池的双层电子传输层及其应用。本发明在金属氧化物MoO3的空穴材料上覆盖一层电子传输材料PEIE作为双电子传输层，使其电荷从支持空穴转移到支持电子转移发生了变化，增强了电子的传输效率。将所述的双电子传输层应用于有机太阳能电池的阴极缓冲层，与PEIE阴极缓冲层相比增强了太阳能电池器件阴极对电子的收集能力，提高电池的转换效率；并且采用透明金属氧化物MoO3作为有机太阳能电池的阳极缓冲层，可增强活性层到阳极的空穴传输，避免PEDOT:PSS的酸性对活性层的影响，增强器件的稳定性及器件的光伏性能。

Description

一种用于太阳能电池的双层电子传输层及其应用
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种用于太阳能电池的双层电子传输层及其应用。
背景技术
随着煤、石油、天然气等不可再生资源的匮乏，人们开始关注可再生能源的发展。因太阳能电池具有很高的荷电吸收能力、循环使用寿命长还具有良好的可充性能，并且它直接将光能转变成电能的装置而引起研究者的注意，但其光电转化率很低、成本高并且需面积很大的一些问题。研究者对太阳能电池进行深入研究，其发现有机太阳能电池具有效率高、成本低、工艺简单、耗能少、易于大规模生产等，成为近年研究的热点。
有机太阳能电池是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流,实现太阳能发电的效果。其结构可分为正置结构和倒置结构。有机太阳能电池的正置结构为：阳极、阳极缓冲层、活性层、阴极缓冲层和阴极；如ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/LiF/Al。有机太阳能电池的阳极一般为镀了一层氧化物的透明导电玻璃，阳极缓冲层为常用的空穴材料PEDOT：PSS；PEDOT：PSS具有酸性，对ITO有腐蚀作用，导致器件不稳定，内部电阻增大，开路电压减小，效率下降，而且铟离子的扩散也会影响器件的性能；另外，一般使用的阴极电极功函数较低，易在空气中氧化。针对正置结构的有机太阳能电池的缺陷，研究者们设计了了倒置结构的有机太阳能电池，在这种结构器件中，阳极和阴极的位置与正置结构相反，即：阴极、阴极缓冲层、活性层、阳极缓冲层和阳极，这种结构的器件具有较好的空气稳定性和热稳定性。但是阴极缓冲层普遍采用PEIE或PEI材料，电子的提取和传输效率还是比较低，因此不少研究者对双电子传输层的阴极缓冲层进行了研究。
如公开号为CN110335945A的专利提供了一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用，所述的双电子传输层(SnO2/PEIE) 是通过溶液加工法旋涂于阴极层上，经过在大气中退火后得到的。 PEIE层的加入，能够减少SnO2电子传输层和钙钛矿层之间的能级差，实现更好的能级匹配，增强电子的抽取能力，减少钙钛矿光吸收层中电子-空穴的符合，提高CsPbIBr2太阳能电池的光电转换效率，从而获得高光伏性能的全无机钙钛矿太阳能电池器件。
又如公开号为CN109004090A的专利提供了一种拓宽有机太阳能电池聚电解质类修饰层加工窗口的方法，选用PEI或PEIE修饰低温 ZnO的双层结构作电子传输层，其能够引入界面偶极，改善ZnO的电子抽取能力，从而提高器件的能量转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于太阳能电池的新型双层电子传输层及其应用，具体是通过以下技术方案实现的：
一种用于太阳能电池的双层电子传输层，由PEIE和金属氧化物 MoO3组成。
优选地，所述双层电子传传输层的制备：在金属氧化物MoO3的空穴传输材料上覆盖一层电子传输材料PEIE。
优选地，所述双层电子传传输层制备：在玻璃基板上涂布透明导电氧化物ITO,将形成的ITO作为太阳能电池的阴极；然后在ITO上旋涂金属氧化物MoO3，在再金属氧化物MoO3层上旋涂一层电子材料PEIE作双电子传输层。
本发明还提供了一种上述双层电子传传输层在有机太阳能电池中的应用，双层电子传传输层作为有机太阳电池的阴极缓冲层。
优选地，所述有机太阳电池的结构包括：阴极、阴极缓冲层、活性层、阳极缓冲层、阳极。
优选地，所述阴极电极为涂有氧化物ITO的透明导电玻璃衬底；活性层为电子给体P3HT和电子受体PCBM组成；，所述活性层为电子给体P3HT和电子受体PCBM组成；阳极缓冲层为空穴材料金属氧化物 MoO3；阳极电极为真空蒸镀的金属电极Ag。
优选地，所述有机太阳能电池的制备方法，包括：
(1)在玻璃基板上涂布透明导电氧化物ITO,将形成的ITO作为阴极；
(2)在ITO上旋涂金属氧化物MoO3，再在金属氧化物MoO3层上旋涂一层电子材料PEIE作双电子传输层，即阴极缓冲层；
(3)在阴极缓冲层上旋涂电子给体P3HT和电子受体PCBM的混合溶液构成的P3HT：PCBM作活性层；
(4)在活性层上蒸镀金属氧化物MoO3作阳极缓冲层；
(5)在阳极缓冲层上蒸镀金属Ag，用作阳极电极，制得机太阳能电池。
本发明的有益效果在于：
本发明采用在金属氧化物MoO3的空穴材料上覆盖一层电子传输材料PEIE的双电子传输层作为有机太阳能电池的阴极缓冲层，使其电荷从支持空穴转移到支持电子转移发生了变化，增强了电子的传输效率。该阴极缓冲层与PEIE阴极缓冲层相比增强了太阳能电池器件阴极对电子的收集能力，高电池的转换效率。有机太阳能电池的阳极缓冲层为透明金属氧化物MoO3，可增强活性层层到阳极的空穴传输，可增强活性层层到阳极的空穴传输。
本发明有机太阳能电池的倒置结构为ITO/MoO3/PEIE/P3HT： PCBM/MoO3/Ag，其阴极缓冲层为聚合物分子PEIE和金属氧化物MoO3的双电子传输层，增强了电子的传输效率；阳极缓冲层为金属氧化物 MoO3，避免了PEDOT：PSS的酸性对活性层的影响，增强器件的稳定性及器件的光伏性能。
附图说明
图1为本发明有机太阳能电池的结构示意图，1-阴极，2-阴极缓冲层，3-活性层，4-阳极缓冲层，5-阳极。
图2为本发明实施例1的有机太阳能电池的I-V曲线图。
图3为本发明实施例2的有机太阳能电池的I-V曲线图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
一种有机太阳能电池的制备方法，包括：
1.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与10ul PEIE进行搅拌使其充分混合，形成PEIE溶液；
2.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯进行8 小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液；
3.ITO清洗:清洗液超声30分钟，功率80，温度60。然后去离子水冲洗至无泡沫，再超声30min，换去离子水,三次以上，每次都超声 30min，不开加热，最后用无水乙醇和超声15min，备用，用前再超声 5-10min，ITO清洗清洗完后进行氮气吹干,并放入培养皿中进行120 度烘烤10min,冷却后进行1min的辉光处理；
4.待退火后冷却，进行旋涂PEIE,取25ul PEIE溶液进行转速为 4000r/min旋涂1min,涂完进行120度退火15min
5.取25ulP3HT:PCBM进行870r/min旋涂40s，静止45min后进行真空蒸镀；
6.MoO3用真空镀膜机进行蒸镀6nm；
7.Ag用真空镀膜机进行蒸镀60nm；制得单层PEIE电子传输层的有机太阳能电池。
取实施例1所制备的有机太阳能电池，测量电池的I-V曲线图，激活如图2所示，从图中可知，该有机太阳电池的性能参数：Voc＝0.58V，Jsc＝8.02mA/cm2，PCE＝3.09，FF＝66.39％。
实施例2
1.称取2mg的MoO3溶于1ml的氨水中形成溶液A，并将A溶液稀释成 0.1mg/ml、0.2mg/ml、0.3mg/ml、0.4mg/ml、0.5mg/ml、0.8mg/ml、 1.2mg/ml、1.6mg/ml不同浓度的MoO3溶液；
2.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与10ul PEIE进行搅拌使其充分混合，形成PEIE溶液；
3.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯进行8 小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液；
4.ITO清洗:清洗液超声30分钟，功率80W，温度60℃；然后用去离子水冲洗至无泡沫，再超声30min，换去离子水,三次以上，每次都超声30min，不开加热，最后用无水乙醇超声15min，备用，用前再超声5-10min，ITO清洗清洗完后进行氮气吹干,并放入培养皿中进行120 度烘烤10min,冷却后进行1min的辉光处理
5.辉光后分别采用MoO3进行旋涂,分别取40ul不同浓度的MoO3进行转速为3000r/min旋涂1min,涂完进行150度退火15min
6.待退火后冷却，进行旋涂PEIE,取25ul PEIE溶液进行转速为 4000r/min旋涂1min,涂完进行120度退火15min
7.取25ulP3HT:PCBM进行870r/min旋涂40s，静止45min后进行真空蒸镀；
8.MoO3用真空镀膜机进行蒸镀6nm；
9.Ag用真空镀膜机进行蒸镀60nm，制得不同MoO3浓度的双层电子传输层的有机太阳能电池。
取实施例2不同MoO3浓度的双层电子传输层的有机太阳能电池，测量起I-V曲线图，如图3所示，从图中可知，不同MoO3浓度的双层电子传输层的有机太阳能电池放入性能参数如表1所示：
表1不同MoO3浓度的双层电子传输层的有机太阳能电池放入性能参数
MoO<sub>3</sub>浓度 Voc Jsc PCE FF
0.1mg/ml 0.58V 9.36mA/cm<sup>2</sup> 3.69 67.99％
0.4mg/ml 0.58V 8.62mA/cm<sup>2</sup> 3.41 68.27％
0.8mg/ml 0.58V 8.74mA/cm<sup>2</sup> 3.34 65.77％
1.2mg/ml 0.58V 8.16mA/cm<sup>2</sup> 3.12 65.91％
1.6mg/ml 0.60V 8.21mA/cm<sup>2</sup> 3.05 62.00％
在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。

Claims (7)

1.一种用于太阳能电池的双层电子传输层，其特征在于，由PEIE和金属氧化物MoO3组成。
2.如权利要求1所述的用于太阳能电池的双层电子传输层的制备，其特征在于，所述双层电子传传输层的制备：在金属氧化物MoO3的空穴材料上覆盖一层电子传输材料PEIE。
3.如权利要求1或所述的用于太阳能电池的双层电子传输层的制备，其特征在于，在玻璃基板上涂布透明导电氧化物ITO,将形成的ITO作为太阳能电池的阴极；然后在ITO上旋涂金属氧化物MoO3，在再金属氧化物MoO3层上旋涂一层电子材料PEIE作双电子传输层。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的双层电子传传输层在有机太阳能电池中的应用，其特征在于，双层电子传传输层作为有机太阳电池的阴极缓冲层。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述有机太阳电池的结构包括：阴极、阴极缓冲层、活性层、阳极缓冲层、阳极。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述阴极电极为涂有氧化物ITO的透明导电玻璃衬底；活性层为电子给体P3HT和电子受体PCBM组成，所述活性层为电子给体P3HT和电子受体PCBM组成；阳极缓冲层为空穴材料金属氧化物MoO3；阳极电极为真空蒸镀的金属电极Ag。
7.如权利要求5或6所述的应用，其特征在于，所述的有机太阳能电池的制备方法，包括：
(1)在玻璃基板上涂布透明导电氧化物ITO,将形成的ITO作为阴极；
(2)在ITO上旋涂金属氧化物MoO3，再在金属氧化物MoO3层上旋涂一层电子材料PEIE作双电子传输层，即阴极缓冲层；
(3)在阴极缓冲层上旋涂电子给体P3HT和电子受体PCBM的混合溶液构成的P3HT：PCBM作活性层；
(4)在活性层上蒸镀金属氧化物MoO3作阳极缓冲层；
(5)在阳极缓冲层上蒸镀金属Ag，用作阳极电极，制得机太阳能电池。
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Address before: 563000 No. 830 Shanghai Road, Huichuan District, Zunyi City, Guizhou Province

Patentee before: ZUNYI NORMAL College