CN111883662B - 一种基于旋转退火工艺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旋转退火工艺的有机太阳能电池及其制备方法，属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域。所述一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池包括基板，导电电极层，电子传输层，活性层，空穴传输层，金属电极层。使用旋转退火工艺，活性层因为表面应力的作用下实现了更好的结晶，减少电子和空穴因缺陷而造成的复合。活性层的材料因旋转的机械效应进一步分离，实现更高的相分离，同时给体和受体的域接触面积增加，增加激子的分离成自由的电子和空穴的效率，进而提升了器件的能量转换效率。本方案提出了一种新的活性层退火处理工艺，对制备高性能的有机太阳能电指明了方向，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
可再生能源太阳能一直受到广泛关注，因为太阳能本身具有无害，洁净，取之不尽、用之不竭等特点。研究太阳能光伏发电解决能源危机成为可再生能源领域研究的重点与热点。有机太阳能电池由于具有成本低，可弯曲等特点，在众多资源节约，环境保护，能源利用，家居日用等方面具有广泛的应用。为了满足实际应用的要求，有机太阳能电池应该具有较高的光电转换效率和长时间的使用寿命以实现较为较高效率的能源使用。但由于有机太阳能电池光活性在纳米尺度上难以实现了较好的结晶，呈现有序的微观结构，容易产生缺陷造成电子和空穴的复合。电子给体和受体的相分离较难实现，从而导致了光活性层的光吸收较弱，空穴在光活性层的载流子迁移率较低，域接触面积较小，从而限制了有机太阳电荷分离效率，降低了器件的能量转换效率。与大规模生产的无机太阳能电池的相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其商业化还尚需时日。如何提升有机太阳能电池的能量转换效率，成为了当前研究的热点。
因此寻找一种简单有效的改变有机太阳能电池薄膜形貌，提高薄膜的结晶度，增加给体和受体的有效相分离，增大接触域面积，减少薄膜的表面缺陷的工艺手段是重中之重。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池及其制备方法。与传统太阳有机太阳能电池相比，使用旋转退火工艺的器件的活性层通过旋转的表面应力可以改变器件的薄膜形貌，在纳米尺度上实现了更好的结晶，活性层更加平滑，并形成了更加有效的给体和受体之间的相分离，增大了给体和受体之间的域接触面积，增加了激子的分离成自由的电子和空穴效果，以及更好的载流子迁移率，从而提高了器件的能量转换效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，包括自下而上依次设置的基板、导电电极层、电子传输层、活性层、空穴传输层、金属电极层。
优选地，所述基板包括但不限于塑料基板、不锈钢基板、超薄玻璃基板、纸质基板、生物复合薄膜基板。
优选地，所述导电电极层的原料组成为氧化铟锡(ITO)、金、银、铝、铜、银纳米线、钙和导电高分子薄膜中电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，且其厚度为2～30nm。
优选地，所述电子传输层中掺杂P型半导体纳米粒子，所述电子传输层原料组成为PEIE，PC61BM、TiO2、ZnO、MoOx、NiOx、TiO2,SnOx,PEDOT:PSS,PFN,PEIE和PANIO中的任意一种。
优选地，所述活性层为有机给受体材料体异质结PBDB-T:ITIC、PM6:Y6、PBDB-T:IT4F、PBTTT:PCBM，P3HT:PCBM，C60:CuPc，所述活性层的厚度为100nm-200nm。
优选地，所述空穴传输层中掺杂N型半导体，掺杂包括但不局限于砷、磷、锑、Ta2O5、银、镁的纳米颗粒，所述空穴传输层原料组成为MnO3、PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiOm(m＝2或4)、TiO2、SnOx任意一种。
优选地，所述金属电极层的原料组成为氧化铟锡(ITO)、金、银、铜、铝、钙电极、银纳米线和导电高分子薄膜的任意一种，所述金属电极层的厚度为50～150nm。
一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗基板，烘干后紫外线氧化处理；
(2)在基板上旋涂电子传输层，退火备用；
(3)将有机给受体溶液旋涂于电子传输层上，形成活性层，设置好旋转退火的转速、时间和温度，退火备用；
(4)在活性层上蒸镀一层空穴传输层，退火备用；
(5)在空穴传输层上蒸镀银电极。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过改变传统的退火工艺，创新性的在热退火的同时旋转处理基板，通过旋转对产生的对薄膜的表面应力，改变薄膜的形貌，提高了薄膜有机层的结晶度，增加了给受体材料的相分离，增加了给受体域接触面积，增加了激子分离和载流子的传输速度。减少了薄膜表面的缺陷，减少了因为器件表面缺陷造成的电子空穴的复合。从而提高了有机太阳能电池的器件性能。并且从工艺上改进，原理简单，工艺步骤简洁，成本低廉，是一种有效的工艺改进方法。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的器件结构示意图；
图2是本发明的旋转退火工艺示意图；
图3是本发明所采用的电子给体材料PBDB-T、电子受体材料ITIC结构示意图；
图4是器件在AM 1.5(强度为100mW/cm2)照射下的电流密度-电压特性曲线图。
图1中的附图说明：
1-基板，2-导电电极层，3-电子传输层，4-活性层，5-空穴传输层，6-金属电极层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
对照组，本组将会采用传统的退火工艺制作有机太阳能电池。
具体制备方法如下：包括基板1，所述基板1有导电电极层2，电极层2上电子传输层3，所述电子传输层3自下而上依次旋涂有活性层4、空穴传输层5，所述空穴传输层5上镀有金属电极层6。
其中，所述基板1为玻璃基板。
导电电极层2采用玻璃基板上带有的ITO透明导电电极。
电子传输层3采用厚度为10nm的ZnO薄膜。
活性层4采用厚度为150nm的PBDB-T:ITIC体异质结。
空穴传输层5采用厚度为10nm的MnO3薄膜。
金属电极层6采用厚度为100nm的银电极。
包括以下制备步骤：
1.清洗基板1：将带有导电电极2的基板1依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，并且紫外线氧化15分钟。
2.旋涂电子传输层3：在大气条件下，基板1放置在旋涂仪上，滴50ulZnO溶液，控制转速为6000rpm、时间为60s，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15min。
3.旋涂活性层4：此时将器件转移至手套箱中，在氮气氛围下在掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层3上旋涂一层活性层4，控制转速为4000rpm、时间为20s，然后进行退火处理，退火温度控制在130℃，时间为15min。
4.蒸镀空穴传输层5：将已经旋涂了活性层4的器件转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3×10-3Pa的环境下蒸镀一层MnO3，然后在真空环境下冷却30min。
5.蒸镀金属电极6：再在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极。
在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.871483V，短路电流(JSC)＝14.7949mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58271，能量转换效率(PCE)＝7.57197％。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例与实施例1的不同之处在于，对活性层薄膜退火时采用新的旋转退火工艺，在退火的同时让器件旋转起来，与实例1构成对照组。
基板1用玻璃基板，导电电极层2用ITO电极，电子传输层3用ZnO，活性层4用PBDB-T:ITIC体异质结，空穴传输层5用MoO3,金属电极层6用银电极。
具体制备方如下：
1.清洗基板1：将带有导电电极2的基板1依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，并且紫外线氧化15分钟。
2.旋涂电子传输层3：在大气条件下，基板1放置在旋涂仪上，滴50ul ZnO溶液，控制转速为6000rpm、时间为60s，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15min。
3.旋涂活性层4：此时将实验器件转移至手套箱中，在氮气氛围下在电子传输层3上旋涂一层活性层4，控制转速为4000rpm、时间为20s，然后进行旋转退火处理，退火温度控制在130℃，控制转速为1000rpm，时间为15min。
4.蒸镀空穴传输层5：将已经旋涂了活性层4转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3×10-3Pa的环境下蒸镀一层MnO3，然后在真空环境下冷却30min。
5.蒸镀金属电极6：再在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.878655V，短路电流(JSC)＝15.1809mA/cm2，填充因子(FF)＝0.592354，能量转换效率(PCE)＝7.90129％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，包括最下方设置有基板(1)，其特征在于，所述基板(1)上设有导电电极层(2)，还包括自下而上依次设置有电子传输层(3)、活性层(4)、空穴传输层(5)、金属电极层(6)，所述基板(1)包括塑料基板、不锈钢基板、超薄玻璃基板、纸质基板、生物复合薄膜基板中的任意一种；
其制备方法，包括以下步骤：
a.清洗基板(1)，烘干后紫外线氧化处理；b.在基板(1)上旋涂电子传输层(3)，退火备用；c.将器件移到手套箱环境中，将有机给受体溶液旋涂于电子传输层(3)上，形成活性层(4)，退火之前设置好退火的转速、温度和时间，退火备用；d.在活性层(4)上旋涂一层空穴传输层(5)，退火备用；e.在空穴传输层(5)上蒸镀银电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，其特征在于，所述导电电极层(2)的原料为氧化铟锡(ITO)、金、银、铝、铜、银纳米线、钙和导电高分子薄膜，所述导电电极层(2)的厚度为2～30nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层(3)中掺杂P型半导体纳米粒子，所述电子传输层(3)原料组成为PC61BM、ZnO、TiO2、SnOx、PFN、PEIE和PANIO中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层(4)为有机给受体材料体异质结PBDB-T:ITIC、PM6:Y6、PBDB-T:IT4F、PBTTT:PCBM，P3HT:PCBM，C60:CuPc,所述活性层(4)的厚度为100nm-200nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层(5)中掺杂N型半导体，掺杂包括砷、磷和锑，所述空穴传输层(5)原料组成为PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiOm任意一种，m＝2或4。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋转退火工艺的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属电极层(6)的原料组成为氧化铟锡(ITO)、金、银、铜、铝、银纳米线任意一种，所述金属电极层(6)的厚度为50～150nm。
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