CN111628085B - 一种基于双电子传输层的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，属于光伏器件技术领域。包括从下至上依次层叠设置的导电衬底、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属电极层；所述电子传输层为双电子传输层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层上的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；所述双电子传输层的总厚度为6nm。本发明还提供一种基于双电子传输层的有机太阳能电池的制备方法。本发明通过在阴极上覆盖一层纳米AuCl材料，再在纳米AuCl材料上覆盖一层电子传输材料PEIE而形成双电子传输层，有效提升电子的传输效率。
Description
技术领域
本发明属于光伏器件技术领域，具体涉及一种基于双电子传输层的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近几十年来，随着工业发展和人口增长，全球能源需求不断增加，特别是对传统能源，如石油、煤炭和天然气的依赖仍在继续。到目前为止，超过80％的能源消耗来自化石燃料，这导致了环境污染和气候变暖等问题。更重要的是，化石燃料是不可再生能源，未来终将耗尽，而现代社会的发展需要更多低污染、可持续的能源。因为太阳能电池具有良好的吸光性和电荷传输速率、循环使用寿命长以及巨大的开发潜力，所以引起研究者的注意；其光电转化率很低、成本高等一些问题，研究者对太阳能电池进行深入研究，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，即ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/LiF/Al，一般的阳极为镀了一层氧化物的透明导电玻璃，作为有机太阳能电池的阳极，而阳极缓冲层为常用的空穴材料聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)，但由于PEDOT：PSS具有一定酸性，对氧化铟锡(ITO)有腐蚀作用，导致器件不稳定，从而利用倒置结构(阴极、阴极缓冲层、活性层、阳极缓冲层和阳极)的有机太阳能电池来提高器件的稳定性。本发明基于倒置结构的有机太阳能电池，开发了一种纳米材料与电子传输材料组成的双电子传输层的制备在太阳能电池中的应用。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供的一种基于双电子传输层的有机太阳能电池及其制备方法，基于倒置结构为ITO/AuCl/聚乙氧基乙烯亚胺/聚-3己基噻吩：[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯/MoO3/Ag，其电子传输层所用材料包括纳米AuCl材料和电子材料聚乙氧基乙烯亚胺的双电子传输层，增强了电子的传输效率，基于倒置结构在导电衬底上先制备一层纳米AuCl材料，避免了现有技术中基于正置结构作为空穴传输层的PEDOT:PSS的酸性对活性层的影响，从而增强器件的稳定性及器件的光伏性能。
本发明的第一个目的是提供的一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，包括从下至上依次层叠设置的导电衬底、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属电极层；
所述电子传输层为双电子传输层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层上的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；
所述双电子传输层的总厚度为6nm。
优选的，所述纳米AuCl材料层是将浓度为0.005～0.1mg/ml的HAuCl4溶液旋涂至导电衬底上，并在160～200℃退火10～30min后制得。
优选的，所述导电衬底为氧化铟锡的导电玻璃，所述导电衬底上的氧化铟锡厚度为180nm。
优选的，所述光吸收层材料包括电子给体材料聚-3己基噻吩与电子受体材料[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯，其厚度为100-300nm。
更优选的，所述聚-3己基噻吩与所述[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯的质量比为1:0.9-1。
优选的，所述空穴传输层材料为金属氧化物MoO3，其厚度为6nm。
优选的，所述金属电极层为金属Ag电极，其厚度为60nm。
本发明第二个目的提供一种基于双电子传输层的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
在导电衬底上先旋涂一定浓度的HAuCl4溶液，经热处理后形成一层纳米AuCl材料，再旋涂一层电子材料聚乙氧基乙烯亚胺而形成双电子传输层，随后旋涂光吸收层，最后使用真空镀膜法制备空穴传输层和金属电极层。
优选的，所述旋涂HAuCl4溶液浓度为0.005～0.1mg/ml。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
本发明通过在导电衬底上覆盖一层纳米AuCl材料，再在纳米AuCl材料上覆盖一层电子传输材料聚乙氧基乙烯亚胺而形成双电子传输层，使其电荷支持电子转移的能力发生了变化，AuCl/聚乙氧基乙烯亚胺的双电子传输层相对于聚乙氧基乙烯亚胺作为单一电子传输层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。其空穴传输层为透明金属氧化物MoO3，可增强光吸收层到金属电极层的空穴传输。
本发明提供的基于双电子传输层的有机太阳能电池，基于倒置结构从下至上为ITO/AuCl/聚乙氧基乙烯亚胺/聚-3己基噻吩：[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯/MoO3/Ag，其电子传输层为纳米AuCl材料和电子材料聚乙氧基乙烯亚胺的双电子传输层，增强了电子的传输效率，基于倒置结构在导电衬底上先制备一层纳米AuCl材料，避免了现有技术中基于正置结构作为空穴传输层的PEDOT:PSS的酸性对活性层的影响，从而增强器件的稳定性及器件的光伏性能。
附图说明
图1为实施例中提供的基于双电子传输层的有机太阳能电池结构示意图。
图2为实施例1～4中提供的基于双电子传输层的有机太阳能电池的I-V曲线图。
图3为对比例1中提供的有机太阳能电池的I-V曲线图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
图1为本发明实施例1的结构图，导电衬底1在透明导电玻璃上涂覆氧化物的氧化铟锡(ITO)；电子传输层2材料包括单层纳米AuCl材料和单层聚乙氧基乙烯亚胺(PEIE)材料组成的双电子层；光吸收层3材料包括电子给体材料聚-3己基噻吩(P3HT)和电子受体材料[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯(PCBM)；空穴传输层4为真空蒸镀的空穴材料MoO3；金属电极层5为真空蒸镀的金属材料Ag电极。
实施例1
一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，参见图1所示，包括从下至上依次叠层设置的导电衬底1、电子传输层2、光吸收层3、空穴传输层4和金属电极层5；
所述电子传输层2为双电子层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；其中，所述双电子传输层的总厚度为6nm，光吸收层厚度为200nm。
上述的基于双电子传输层的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1.称取2mg的HAuCl4溶于1ml的去离子水中形成溶液A，并将A溶液稀释成0.005mg/ml的HAuCl4溶液，备用；
2.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与20ul PEIE进行振荡使其充分混合，形成PEIE溶液，在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌；
3.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液，备用；
4.在玻璃基板上涂布厚度为180nm透明导电氧化物ITO，并对ITO清洗:清洗液超声30min，功率80W，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，最后用无水乙醇和异丙醇超声15min，备用；使用前再超声5-10min，ITO清洗超声完后进行氮气吹干，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，即得导电衬底；
5.在导电衬底上进行HAuCl4的旋涂，取25ul HAuCl4溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行180度退火15min后，而获得纳米AuCl材料层，再在纳米AuCl材料层上进行旋涂PEIE溶液，取25ul PEIE溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行120度退火15min，即获得基于在纳米AuCl材料层上形成的聚乙氧基乙烯亚胺材料层的双电子传输层；
6.在双电子传输层中的聚乙氧基乙烯亚胺材料层上，滴加25ul P3HT:PCBM溶液进行870r/min旋涂45s，静置45min后，即得光吸收层；
7.在光吸收层上用真空镀膜机进行蒸镀6nm金属氧化物MoO3，作为空穴传输层；
8.在空穴传输层上用真空镀膜机进行蒸镀60nm金属Ag电极，作为金属电极层。
实施例2
一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，参见图1所示，包括从下至上依次叠层设置的导电衬底1、电子传输层2、光吸收层3、空穴传输层4和金属电极层5；
所述电子传输层2为双电子层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；其中，所述双电子传输层的总厚度为6nm，光吸收层厚度为200nm。
上述的基于双电子传输层的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1.称取2mg的HAuCl4溶于1ml的去离子水中形成溶液A，并将A溶液稀释成0.01mg/ml的HAuCl4溶液，备用；
2.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与20ul PEIE进行振荡使其充分混合，形成PEIE溶液，在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌；
3.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液，备用；
4.在玻璃基板上涂布厚度为180nm透明导电氧化物ITO，并对ITO清洗:清洗液超声30min，功率80W，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，最后用无水乙醇和异丙醇超声15min，备用；使用前再超声5-10min，ITO清洗超声完后进行氮气吹干，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，即得导电衬底；
5.在导电衬底上进行HAuCl4的旋涂，取25ul HAuCl4溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行180度退火15min后，而获得纳米AuCl材料层，再在纳米AuCl材料层上进行旋涂PEIE溶液，取25ul PEIE溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行120度退火15min，即获得基于在纳米AuCl材料层上形成的聚乙氧基乙烯亚胺材料层的双电子传输层；
6.在双电子传输层中的聚乙氧基乙烯亚胺材料层上，滴加25ul P3HT:PCBM溶液进行870r/min旋涂45s，静置45min后，即得光吸收层；
7.在光吸收层上用真空镀膜机进行蒸镀6nm金属氧化物MoO3，作为空穴传输层；
8.在空穴传输层上用真空镀膜机进行蒸镀60nm金属Ag电极，作为金属电极层。
实施例3
一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，参见图1所示，包括从下至上依次叠层设置的导电衬底1、电子传输层2、光吸收层3、空穴传输层4和金属电极层5；
所述电子传输层2为双电子层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；其中，所述双电子传输层的总厚度为6nm，光吸收层厚度为200nm。
上述的基于双电子传输层的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1.称取2mg的HAuCl4溶于1ml的去离子水中形成溶液A，并将A溶液稀释成0.05mg/ml的HAuCl4溶液，备用；
2.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与20ul PEIE进行振荡使其充分混合，形成PEIE溶液，在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌；
3.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液，备用；
4.在玻璃基板上涂布厚度为180nm透明导电氧化物ITO，并对ITO清洗:清洗液超声30min，功率80W，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，最后用无水乙醇和异丙醇超声15min，备用；使用前再超声5-10min，ITO清洗超声完后进行氮气吹干，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，即得导电衬底；
5.在导电衬底上进行HAuCl4的旋涂，取25ul HAuCl4溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行180度退火15min后，而获得纳米AuCl材料层，再在纳米AuCl材料层上进行旋涂PEIE溶液，取25ul PEIE溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行120度退火15min，即获得基于在纳米AuCl材料层上形成的聚乙氧基乙烯亚胺材料层的双电子传输层；
6.在双电子传输层中的聚乙氧基乙烯亚胺材料层上，滴加25ul P3HT:PCBM溶液进行870r/min旋涂45s，静置45min后，即得光吸收层；
7.在光吸收层上用真空镀膜机进行蒸镀6nm金属氧化物MoO3，作为空穴传输层；
8.在空穴传输层上用真空镀膜机进行蒸镀60nm金属Ag电极，作为金属电极层。
实施例4
一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，参见图1所示，包括从下至上依次叠层设置的导电衬底1、电子传输层2、光吸收层3、空穴传输层4和金属电极层5；
所述电子传输层2为双电子层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；其中，所述双电子传输层的总厚度为6nm，光吸收层厚度为200nm。
上述的基于双电子传输层的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1.称取2mg的HAuCl4溶于1ml的去离子水中形成溶液A，并将A溶液稀释成0.1mg/ml的HAuCl4溶液，备用；
2.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与20ul PEIE进行振荡使其充分混合，形成PEIE溶液，在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌；
3.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液，备用；
4.在玻璃基板上涂布厚度为180nm透明导电氧化物ITO，并对ITO清洗:清洗液超声30min，功率80W，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，最后用无水乙醇和异丙醇超声15min，备用；使用前再超声5-10min，ITO清洗超声完后进行氮气吹干，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，即得导电衬底；
5.在导电衬底上进行HAuCl4的旋涂，取25ul HAuCl4溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行180度退火15min后，而获得纳米AuCl材料层，再在纳米AuCl材料层上进行旋涂PEIE溶液，取25ul PEIE溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行120度退火15min，即获得基于在纳米AuCl材料层上形成的聚乙氧基乙烯亚胺材料层的双电子传输层；
6.在双电子传输层中的聚乙氧基乙烯亚胺材料层上，滴加25ul P3HT:PCBM溶液进行870r/min旋涂45s，静置45min后，即得光吸收层；
7.在光吸收层上用真空镀膜机进行蒸镀6nm金属氧化物MoO3，作为空穴传输层；
8.在空穴传输层上用真空镀膜机进行蒸镀60nm金属Ag电极，作为金属电极层。
对比例1
一种有机太阳能电池，包括从下至上依次设有的导电衬底1、电子传输层2、光吸收层3、空穴传输层4、金属电极层5；
所述电子传输层2为单层半导体PEIE构成的电子传输层，其厚度6nm，光吸收层厚度为200nm。
上述的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1.取5.732ml 2-甲氧基乙醇与20ul PEIE溶液进行振荡使其充分混合，形成PEIE溶液，在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌；
2.称取质量比为18：17的P3HT和PCBM溶于1ml邻二氯苯在40℃的加热台上进行8小时以上的搅拌，形成P3HT：PCBM溶液，备用；
3.在玻璃基板上涂布厚度为180nm透明导电氧化物ITO，并对ITO清洗:清洗液超声30min，功率80W，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，最后用无水乙醇和异丙醇超声15min，备用；使用前再超声5-10min，ITO清洗超声完后进行氮气吹干，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，即得导电衬底；
4.在导电衬底上进行旋涂PEIE溶液，取25ul PEIE溶液进行转速为4000r/min旋涂1min，涂完进行120度退火15min，即得电子传输层；
5.在电子传输层上滴加25ul P3HT:PCBM溶液进行870r/min旋涂40s，静置45min后，即得光吸收层；
6.在光吸收层上用真空镀膜机进行蒸镀6nm金属氧化物MoO3，作为空穴传输层；
7.在空穴传输层上用真空镀膜机进行蒸镀60nm金属Ag电极，作为金属电极层。
为了说明本发明技术效果，对实施例1～4提供了基于双电子传输层的有机太阳能电池进行相关性能的测试，并以对比例1提供的有机太阳能电池为对照，如图2～3所示，图2为实施例1～4中提供的是基于不同浓度的HAuCl4溶液制备得出基于双电子传输层的有机太阳能电池的I-V曲线图；图3为对比例1中提供的有机太阳能电池的I-V曲线图。
从图2～3中可以看出，当HAuCl4的浓度为0.005mg/ml～0.01mg/ml均表现出了优良的性能，其中，当HAuCl4的浓度为0.005mg/ml时，可获得10.40的短路电流(Jsc)、0.58的开路电压(Voc)和62.14％的填充因子(FF)，从而导致有机太阳能电池的功率转换效率(PCE)为3.75％。结果表明，AuCl/PEIE电子传输层与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。其阳极缓冲层为透明金属氧化物MoO3，可增强光吸收层到阳极的空穴传输。进一步表明AuCl/PEIE作为双电子传输层对提高有机太阳能电池倒置结构功率转换效率具有重要的作用。然而，当HAuCl4浓度过高制备出的AuCl的含量也过高，器件的性能变差，主要原因可能是AuCl已形成了膜对激子有淬灭作用，导致电池的电流降低。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种基于双电子传输层的有机太阳能电池，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的导电衬底、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属电极层；
所述电子传输层为双电子传输层，包括形成于所述导电衬底上的纳米AuCl材料层，以及形成于所述纳米AuCl材料层上的聚乙氧基乙烯亚胺材料层；
所述双电子传输层的总厚度为6nm；
所述纳米AuCl材料层是将浓度为0.005～0.1mg/ml的HAuCl4溶液旋涂至导电衬底上，并在160～200℃退火10～30min后制得。
2.根据权利要求1所述的基于双电子传输层的有机太阳能电池，其特征在于，所述导电衬底为氧化铟锡导电玻璃，所述导电衬底上的氧化铟锡厚度为180nm。
3.根据权利要求1所述的基于双电子传输层的有机太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层材料包括电子给体材料聚-3己基噻吩与电子受体材料[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯，其厚度为100-300nm。
4.根据权利要求3所述的基于双电子传输层的有机太阳能电池，其特征在于，所述聚-3己基噻吩与所述[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯的质量比为1:0.9-1。
5.根据权利要求1所述的基于双电子传输层的有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层材料为金属氧化物MoO3，其厚度为6nm。
6.根据权利要求1所述的基于双电子传输层的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属电极层为金属Ag电极，其厚度为60nm。
7.一种权利要求1～6任一项所述的基于双电子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：
在导电衬底上先旋涂浓度为0.005～0.1mg/ml的HAuCl4溶液，经热处理后形成一层纳米AuCl材料，再旋涂一层电子材料聚乙氧基乙烯亚胺而形成双电子传输层，随后旋涂光吸收层，最后使用真空镀膜法制备空穴传输层和金属电极层。
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