CN111244289B - 一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于：界面层1制备具体是将金属Zn粉末溶解于由双氧水、氨水和去离子水组成的混合液中，经充分搅拌、陈化制得前驱液，将前驱液旋涂于ITO导电基板上制得湿膜，然后进行退火处理。本发明制备的界面层1为电子传输层，配置的前驱液可放置长达10天以上不失效，配置前驱液不使用有机溶剂，降低了制备成本。本发明利用较低浓度的前驱液，制备出的薄膜与基板结合能力强，表面缺陷少，薄膜均匀性好，使用稳定性好，电子传输性能优异。本发明制备的有机太阳能相较于使用传统方法制备界面层的有机太阳能电池而言，电池器件效率显著提升。

Description

一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法
技术领域
本发明涉及光伏器件制备技术领域，具体涉及一种ZnO薄膜为界面层的光伏器件的制备方法。
背景技术
有机聚合物太阳能电池近三十多年的发展，已经突破17%的光电转换效率，体现出非常良好的应用趋势。有机聚合物太阳能电池性能的提高主要基于以下四个方面的工作。一是新型的、高效的给受体材料的设计与合成；二是构筑合适的器件结构；三是调控光活性层的形貌与结构；四是在器件中引入界面功能层材料。这几种方法中，界面层的引入有助于改善器件的内建电场，减少电荷在界面间的复合，改善活性层与电极间的界面接触。常见的可作为界面层的材料有(1)金属氧化物，如ZnO、CuO、TiO2、MoO3、NiO、WO3、AgO、SnO、V2O5、GeO2、CrO3等，(2)导电聚合物，如PEDOT:PSS、PFN及其衍生物。(3)离子及其复合型，如LiF、LaNiO3、LaFeO3等。目前，金属氧化物界面层相对于导电聚合物在制备成本、器件稳定性方面具有明显的优势，因而越来越受到业界的重视。关于金属氧化物界面层的制备方法主要有如下几种：(1)电沉积法，(2)真空热蒸发法，(3)水热法，(4)水溶金属氧化物纳米颗粒法，(5)溶胶凝胶法。这几种方法中溶胶凝胶法在制备成本和薄膜的均匀性方面具有独特的优势，因而成为主流。其中，溶胶凝胶法是利用金属盐作为金属氧化物的前驱来源，将金属盐溶于有机溶剂或水中，进行复杂的水解、缩合反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维网络结构的凝胶，经过旋涂或喷涂等方式成膜，并通过干燥、退火的方式制备出金属氧化物薄膜结构。不过，随着时代的进步，传统的溶胶凝胶法制备金属氧化物上也暴露不少问题：（1）胶体溶液的制备成本仍然较高，且一旦前驱体溶液放置时间过长（如48小时以后），前驱液会慢慢失效，制备的薄膜效果变差；（2）采用的一些有机溶剂对人体和环境是有害的，不利于回收利用。（3）若制备的前驱液浓度较低，无法制备出均匀、致密的金属氧化物薄膜。例如，溶胶法制备ZnO，采用的传统配方为无水乙酸锌：乙二醇甲醚：乙醇胺=1 g: 10 ml: 0.28 ml。这里无水醋酸锌为100 g/59元，无水级乙二醇甲醚为100 ml/299元，乙醇胺为5 ml/58元（参考阿拉丁定价）；前驱液放置超过48小时后制备出的薄膜用于有机光伏器件的电子传输层，会使器件的性能有所下降。因而，制备成本低廉的、环保、稳定性优异的半导体金属氧化薄膜来提升有机光伏器件性能是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能优异的ZnO薄膜为界面层的光伏器件的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，所述有机光伏器件为有机太阳能电池，制备依次包括ITO导电基板预处理、界面层1制备、活性层制备、界面层2制备、顶电极层制备，其特征在于：所述界面层1为电子传输层，界面层1制备具体是称取金属Zn粉末溶解于由双氧水、氨水和去离子水组成的混合液中，经充分搅拌、陈化制得前驱液，将前驱液旋涂于ITO导电基板上制得湿膜，然后进行退火处理。
进一步，上述混合液由质量浓度为25~28%氨水、30%的双氧水与去离子水按照体积比为1~1.5:0.05~0.95:0.1~ 0.5的比例配制。
优选的，上述混合液由质量浓度为28%氨水、30%的双氧水与去离子水按照体积比为1.04:0.06: 0.2的比例配制。
进一步，上述Zn粉与混合液的质量体积比约为12~20 mg/ml。
在现有技术中，若前驱液浓度较低，制备的薄膜往往会出现薄膜覆盖不均匀，胶体颗粒分散性差，表面出现坑洞甚至缝隙，导致薄膜表面粗糙度大，均匀性、致密性较差，从而使得薄膜内部存在较大残余应力，附着能力降低，且其电子/空穴传输性能也会降低。另外，若前驱液制备中控制不好，会使得制备的薄膜中ZnO晶粒粒径分布跨度大，尺寸不均匀，制得的薄膜均匀性，致密性也会受到影响。本发明中，金属粉末如Zn粉末在混合液中，在水的激发下被双氧水的强氧化性氧化及氨水络合，生成[Zn(NH3)4](OH)2、Zn(OH)2和ZnO等胶粒成分组成的复杂混合体系，陈化过程中胶粒逐渐长大，增强了锌在体系中的溶解能力、大大提高了锌形成ZnO的转化率，同时也增强了前驱液体系中各成分的分散性，提高最终成膜的均匀性。在退火过程中络合物和Zn(OH)2发生分解，生成小粒径的ZnO晶粒，填充了陈化过程中生成的较大粒径的ZnO成膜时留下的孔隙，使得薄膜表面光滑、粗糙度低，最终生成均匀好，致密性优异的薄膜。同时，前驱液中不引入其他盐离子及有机溶剂，保证了最终制备的薄膜中不含有杂质，用较低浓度的前驱液在较低的退火温度下制备出了表面光滑、粗糙度低，最终生成均匀好，致密性优异的氧化物薄膜。
进一步，上述搅拌具体是在17~25℃温度下搅拌12h，搅拌速率为300~600 rpm。
进一步，上述旋涂是在1500~3500rpm转速下旋涂30~60s，退火是在150~240℃下进行，时间为10 min~60 min。
进一步，上述ITO导电基板预处理具体是将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子等污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、无水乙醇和异丙醇溶剂中超声清洗10-15min，在80-90℃下干燥20-30min。
进一步，上述活性层是由有机给体材料和有机受体材料组成的有机聚合物，上述有机给体材料为共轭聚合物包括但不限于PBDB-T、PBDB-T-2Cl、P3HT、PCPDTBT、PTB7或PTB7-Th，有机受体材料为富勒烯衍生物包括但不限于：PC61BM、PC71BM、ICBA、N2200、ITIC或IT4F，给体材料与受体材料混合质量比可按1:1或1:1.5等方式进行配制。
具体的，一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
（1）、将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子等污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、异丙醇溶剂中超声清洗10-15min，在80-90℃下干燥20-30min；
（2）、称取金属Zn粉末溶解于由质量浓度为28%的氨水、质量浓度为30%的双氧水和去离子水组成的混合溶液中，在17~25℃下以300~600rpm速率充分搅拌溶解10-12h，使用陈化时间为2h的前驱液，其中金属粉末与水的质量体积比可在12~20 mg/ml，混合液中氨水、双氧水和去离子水按体积比为1~1.5:0.05~1.5:0.1~ 0.5配制；将制备好的前驱液通过旋涂方式于ITO基板表面制备湿膜，然后在150~240℃下退火，时间为20 ~60 min；其中旋涂是1500~3500rpm转速下旋涂30~60s，薄膜厚度为30-40nm；
（3）、在ZnO薄膜表面旋涂制备活性层，活性层由为有机给体材料和有机受体材料组成的有机聚合物，上述有机给体材料为共轭聚合物包括但不限于PBDB-T、PBDB-T-2Cl、P3HT、PCPDTBT、PTB7或PTB7-Th等，有机受体材料为富勒烯衍生物包括但不限于：PC61BM、PC71BM、ICBA、N2200、ITIC或IT4F等，给体材料与受体材料混合质量比为1:1或1:1.5；
（4）、将制备了活性层的基板置于真空蒸镀舱中，依次蒸镀MoO3界面层2和Ag电极层，厚度分别控制在8 nm和100 nm左右。
本发明具有如下技术效果：
本发明提供的一种基于ZnO薄膜为界面层的光伏器件的制备方法，制备的界面层1为电子传输层，配置的前驱液可放置长达10天以上不失效；配置前驱液不使用有机溶剂，属于环境友好型氧化物薄膜，利于有效回收，降低了制备成本；本发明制备中Zn粉生成ZnO的转化率高，因此可以利用较低浓度的前驱液，低温制备出的薄膜与基板结合能力强，表面缺陷少，薄膜均匀性好，使用稳定性好，电子传输性能优异。本发明制备的有机太阳能相较于使用传统方法制备界面层的有机太阳能电池而言，电池器件效率显著提升。
附图说明
图1：本发明有机太阳能电池结构示意图。
图2：本发明Zn粉水溶液法制备的ZnO薄膜与对比例传统方法制备的ZnO薄膜原子力显微镜图；
图2（a）为本发明Zn粉水溶液法制备的ZnO薄膜，图2（b）为对比例传统方法制备的ZnO薄膜。
图3：本发明和对比例制备的有机太阳能电池的J-V曲线图。
图4：本发明和对比例制备的有机太阳能电池的性能稳定性曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，按如下步骤进行：
（1）、将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子等污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、异丙醇溶剂中超声清洗12min，在85℃下干燥25min；
（2）、称取金属Zn粉末溶解于由质量浓度为28%的氨水、质量浓度为30%的双氧水和去离子水组成的混合液中，在25℃下以500rpm充分搅拌溶解12h，再陈化2h制得前驱液，其中金属粉末与混合液的质量体积比为15mg/ml，混合液中氨水、双氧水和去离子水按体积比为1.04:0.06:0.2；溶解方法为：将称量好的锌粉少量地、多次地加入溶剂中逐步反应溶解；将制备好的前驱液通过旋涂方式于基板表面制备湿膜，然后在200℃下退火，时间为20min；其中旋涂是3000rpm转速下旋涂30s，薄膜厚度约为30 nm；
（3）、在ZnO薄膜表面旋涂制备PTB7-Th:PC71BM活性层，PTB7-Th:PC71BM的质量比为1:1.5，二者的浓度分别为10 mg/ml和15mg/ml,溶剂为97%的氯苯和3%的1,8_二碘辛烷组成的混合溶剂，溶解条件为500rpm,60℃,8h,活性层的旋涂工艺为1500rpm，60s，薄膜厚度约为100 nm左右。
（4）、将制备了活性层的基板置于真空蒸镀舱中，依次蒸镀空MoO3界面层2和银电极，它们的厚度分别控制在8 nm和100 nm左右。
对比例：
太阳能电池结构为ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag，ZnO电子传输层采用传统的溶胶凝胶法制备：有机溶剂溶解锌盐制备ZnO薄膜，前驱液是乙酸锌：乙二醇甲醚：乙醇胺=1g: 10 ml:0.28 ml配制，并在同等工艺条件下制备了ZnO电子传输层及太阳能电池器件。
本发明制备的金属ZnO薄膜表面粗糙度低、为1.05nm，均匀性好，结构致密，如图2（a）所示；对比例制备的金属ZnO薄膜粗糙度较高、为1.53nm，均匀性，致密性相对较差，具体如图2（b）所示。将本发明制备的有机太阳能电池器件效率优于对比例制备的有机太阳能电池，如图3所示。以本发明为电子传输层的器件性能为：开路电压为0.771V，短路电流密度为18.36mA/cm2，填充因子为0.64，效率为9.06%；而对照组器件性能为：开路电压为0.767V，短路电流密度为17.30mA/cm2，填充因子为0.65，效率为8.62%。由此可见本实施例制备的有机太阳能电池器件性能优于对比例制备的有机太阳能电池器件。
稳定性检测：
本发明实施例1和对比例制备的有机太阳能电池均置于相同常温空气环境中，每隔4、12、24、48、72、96、168、240小时对其性能进行检测，其效率衰减如图4所示，通过对比发现本实施例制备的有机太阳能电池器件性能的稳定性显著优于对比例基于传统方法制备ZnO层的有机太阳能电池器件。
实施例2
一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，按如下步骤进行：
（1）、将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子等污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、异丙醇溶剂中超声清洗10min，在80℃下干燥30min；
（2）、具体是以金属Zn粉末为原料，溶解于含有双氧水和氨水的去离子水中，在17℃下以600rpm充分搅拌溶解10h，陈化2h制得前驱液，其中金属粉末与混合液水的质量体积比为12mg/ml，混合液中氨水、双氧水和去离子水按体积比为1:0.05:0.1；溶解方法为：将称量好的锌粉少量地、多次地加入溶剂中逐步反应溶解。将制备好的前驱液通过旋涂方式于基板表面制备湿膜，然后在150℃下退火，时间为60 min；其中旋涂是3500rpm转速下旋涂40s，薄膜厚度约为40nm；
（3）、在ZnO薄膜表面旋涂制备PBDB-T:ITIC活性层，PBDB-T:ITIC的质量比为1:1，二者的浓度均为10 mg/ml,旋涂工艺为2000rpm，50s，在110℃温度下进行退火10min；
（4）、将制备了活性层的基板置于真空蒸镀舱中，依次蒸镀MoO3界面层2和Ag 电极，厚度分别控制在8 nm和100 nm左右。
实施例3
一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，按如下步骤进行：
（1）、将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子等污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、异丙醇溶剂中超声清洗15min，在90℃下干燥20min；
（2）、具体是以金属Zn粉末为原料，溶解于含有双氧水和氨水的去离子水中，在20℃下以300rpm充分搅拌溶解12h，陈化2h制得前驱液，其中金属粉末与去混合液的质量体积比为20mg/ml，混合液中氨水、双氧水和去离子水按体积比为1.5:0.95:0.5；溶解方法为：将称量好的锌粉少量地、多次地加入溶剂中逐步反应溶解。；将制备好的前驱液通过旋涂方式于基板表面制备湿膜，然后在240℃下退火，时间为30 min；其中旋涂是1500rpm转速下旋涂60s，薄膜厚度为35nm；
（3）、在ZnO薄膜表面旋涂制备P3HT:PC61BM活性层，P3HT:PC61BM的质量比为1:1，二者的浓度均为20 mg/ml,旋涂工艺为1100rpm，30s，在140℃下退火10min；
（4）、将制备了活性层的基板置于真空蒸镀舱中，依次蒸镀MoO3界面层2和Al电极，厚度分别控制在8 nm和100nm左右。

Claims (6)

1.一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，所述有机光伏器件为有机太阳能电池，制备依次包括ITO导电基板预处理、界面层1制备、活性层制备、界面层2制备、顶电极层制备，其特征在于：所述界面层1为电子传输层，界面层1制备具体是称取金属Zn粉末溶解于混合液中，经充分搅拌、陈化制得前驱液，将前驱液旋涂于ITO导电基板上制得湿膜，然后进行退火处理；所述混合液是由质量浓度为25~28%氨水、30%的双氧水与去离子水按照体积比为1~1.5:0.05~0.95:0.1~ 0.5配制而成；所述Zn粉与混合液的质量体积比为12~20mg/ml。
2.如权利要求1所述的一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于：所述搅拌具体是在17~25℃温度下搅拌12h，搅拌速率为300~600 rpm。
3.如权利要求1所述的一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于：所述旋涂是在1500~3500rpm转速下旋涂30~60s，制得湿膜，退火是在150~240℃下进行，时间为10min~60min。
4.如权利要求1所述的一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于：所述ITO导电基板预处理具体是将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、无水乙醇和异丙醇溶剂中超声清洗10-15min，在80-90℃下干燥20-30min。
5.如权利要求1所述的一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于：所述活性层为由有机给体材料和有机受体材料组成的有机聚合物，所述有机给体材料为共轭聚合物包括但不限于PBDB-T、PBDB-T-2Cl、P3HT、PCPDTBT、PTB7或PTB7-Th，有机受体材料为富勒烯衍生物包括但不限于：PC61BM、PC71BM、ICBA、N2200、ITIC或IT4F，有机给体材料与有机受体材料混合质量比按1:1或1:1.5方式进行配制。
6.一种ZnO薄膜为界面层的有机光伏器件的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
（1）、将ITO导电基板浸入含有洗涤剂的去离子水中，超声清洗15min，用酒精湿润的无尘布轻轻搓揉基板，除去表面灰尘、油脂和离子等污物杂质，然后分别在去离子水、丙酮、异丙醇溶剂中超声清洗10-15min，在80-90℃下干燥20-30min；
（2）、称取金属Zn粉末溶解于由质量浓度为28%的氨水、质量浓度为30%的双氧水和去离子水组成的混合溶液中，在17~25℃下以300~600rpm速率充分搅拌溶解10-12h，再进行陈化2h得前驱液，其中金属粉末与水的质量体积比在12~20 mg/ml，混合液中氨水、双氧水和去离子水按体积比为1~1.5:0.05~1.5:0.1~ 0.5配制；将制备好的前驱液通过旋涂方式于ITO基板表面制备湿膜，然后在150~240℃下退火，时间为20~60min；其中旋涂是1500~3500rpm转速下旋涂30~60s，薄膜厚度为30-40nm；
（3）、在ZnO薄膜表面旋涂制备活性层，活性层由为有机给体材料和有机受体材料组成的有机聚合物，上述有机给体材料为共轭聚合物包括但不限于PBDB-T、PBDB-T-2Cl、P3HT、PCPDTBT、PTB7或PTB7-Th，有机受体材料为富勒烯衍生物包括但不限于：PC61BM、PC71BM、ICBA、N2200、ITIC或IT4F，给体材料与受体材料混合质量比为1:1或1:1.5；
（4）、将制备了活性层的基板置于真空蒸镀舱中，依次蒸镀MoO3界面层2和Ag电极层，厚度分别控制在8 nm和100 nm。
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