CN113328040B - 一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法 - Google Patents

一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法，采用倒置结构，从下到上依次为阴极基底、阴极界面层、光敏活性层、阳极界面层以及阳极，阴极界面层制备步骤如下：步骤1：配置氧化锌前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水和19.5mg锌粉混合搅拌溶解得到氧化锌前驱体溶液；步骤2：在阴极基底上旋涂氧化锌前驱体溶液得到阴极界面层；步骤3：将给体材料和受体材料按1:1的质量比溶解于氯苯中，步骤4：在步骤3中的光敏活性层上依次蒸镀MoO3和Ag电极。氨水水溶液法制备金属氧化物前驱液，掺入铁粉有效填补了氧化锌薄膜表面的氧空位与缺陷合。

Description

一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备 方法
技术领域
本发明属于有机薄膜光伏发电领域，具体涉及一种以水溶液法制备的Fe2O3-ZnO复合材料作为阴极界面层的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
传统化石能源的大量使用导致温室气体大量排放，产生了严重的环境污染，而且对化石能源的过度依赖也造成了能源枯竭危机。太阳能因其清洁且蕴藏量丰富而受到越来越多的关注，通过低污染的太阳能电池获取稳定的能量输出，是有效利用太阳能的一种途径。
而我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1700亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的前景非常广阔；太阳能电池是将光能转换为电能的光伏器件，目前应用最广泛的是硅基太阳能电池，但是其制作工艺复杂、成本较高限制了硅基太阳能电池的进一步发展；由于有机聚合物太阳能电池具有成本低、可柔性化制备、制作工艺简单、材料来源广泛等优势，使其受到越来越多的关注；目前影响有机聚合物太阳能电池大规模产业化的主要原因是其光电转换效率尚低，不足以满足产业化的需求，因此，研究有机聚合物太阳能电池工作机理、提高有机太阳能电池器件效率对解决能源危机、环境污染等问题具有重大意义。
ZnO作为太阳能电池最常用的阴极界面层具有很多的优点，其在可见光区具有很高的透光率，高的电子迁移率，低功函数等；然而传统溶胶法制备出的单一的ZnO透明导电薄膜表现出晶粒的随机取向，薄膜中容易形成多孔的结构，与活性层接触较差，导致较大的界面电阻，其次ZnO本身存在大量的氧空位和锌间隙等本征点缺陷，而正电态的氧空位，也会导致光生电子-空穴对复合率较高。
中国专利CN109980089A，公开了一种有机太阳能电池及其制备方法，本发明公开了一种有机太阳能电池及其制备方法，该有机太阳能电池为倒置结构，从下到上依次包括衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层和金属阳极；阴极缓冲层经液晶材料修饰，其制备方法的是采用溶胶凝胶法制备前驱体溶液，采用溶胶凝胶法制备前驱体溶液效果不佳，效率较低，步骤较为复杂，且过程中退火的时间较长，严重影响效率。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法，有机太阳能电池采用倒置结构，从下到上依次为阴极基底、阴极界面层、光敏活性层、阳极界面层以及阳极，制备步骤如下：
步骤1：配置ZnO前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水和19.5mg锌粉混合搅拌溶解得到ZnO前驱体溶液；
步骤2：在阴极基底上旋涂所述ZnO前驱体溶液得到阴极界面层；
步骤3：将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，并在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷，并将溶液降至室温得到混合液；然后在步骤2中的阴极界面层上旋涂混合液得到光敏活性层；
步骤4：在步骤3中的光敏活性层上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
进一步的，所述步骤1中的锌粉中掺杂铁粉，其中锌粉中的铁粉掺杂质量比为1～7％。
进一步的，所述铁粉为Fe2O3。
进一步的，所述步骤1中搅拌的转速为500rpm，搅拌时间为10h。
进一步的，所述步骤2中旋涂的转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层旋涂完成后以200℃退火处理40min。
进一步的，所述步骤3中旋涂的转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中，通过使用氨水水溶液法制备金属氧化物前驱液，提高了前驱体溶液的溶胶稳定性，简化了制备工艺，降低了制备成本，减少了毒性更强的有机溶剂的使用，更有利于大规模商业化生产。
(2)通过掺入金属氧化物Fe2O3，有效填补了ZnO薄膜表面的氧空位与缺陷，减少了载流子的复合。
(3)利用Fe2O3比表面积大的特性，有效增加了复合型阴极界面层与活性层之间的接触的接触面积，降低了界面间的接触电阻，提高了光生载流子的传输能力，提高了短路电流，最终提高了整个有机太阳能电池的性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中附图标记为：1-阴极基底，2-阴极界面层，3-光敏活性层，4-阳极界面层，5-金属阳极。
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。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的实施例仅用于解释本发明，并不限定于本发明。
本发明提供了一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池，采用倒置结构，从下到上依次为阴极基底1、阴极界面层2、光敏活性层3、阳极界面层4以及阳极5，所述的阴极界面层2制备步骤如下：
步骤1：配置ZnO前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水和19.5mg锌粉混合搅拌溶解得到ZnO前驱体溶液，转速为500rpm，搅拌时间为10h；
步骤2：在阴极基底1上旋涂所述ZnO前驱体溶液得到阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层2旋涂完成后以200℃退火处理40min；
步骤3：将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷并将溶液降至室温；然后在步骤2中的阴极界面层2上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
步骤4：在步骤3中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池进行详细描述，以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
对透明衬底及透明导电电极所组成的阴极基底1进行清洗，清洗后用氮气吹干；传统溶胶凝胶制备基于ZnO阴极界面层有机太阳能电池的步骤包括：
(1)配置前驱体溶液，在1ml乙二醇甲醚中加入100mg乙酸锌二水和28μl乙醇胺500rpm搅拌溶解得到ZnO前驱体溶液，搅拌时间为10h；
(2)在阴极基底1上旋涂所述ZnO前驱体溶液得到阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层2旋涂完成后以200℃退火处理40min；
(3)将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯(CB)中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷(DIO)并将溶液降至室温。然后在步骤(2)中的阴极界面层2上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
(4)在步骤(3)中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
上述步骤完成后得到基于溶胶法制备的ZnO阴极界面层2的有机太阳能电池。
实施例2
对透明衬底及透明导电电极所组成的阴极基底1进行清洗,清洗后用氮气吹干；氨水水溶液制备基于ZnO阴极界面层有机太阳能电池的步骤包括：
(1)配置前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水和19.5mg锌粉混合搅拌溶解得到ZnO前驱体溶液，转速为500rpm，搅拌时间为10h；
(2)在阴极基底1上旋涂所述ZnO前驱体溶液得到阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层2旋涂完成后以200℃退火处理40min；
(3)将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷并将溶液降至室温；然后在步骤(2)中的阴极界面层2上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
(4)在步骤(3)中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
上述步骤完成后得到基于氨水水溶液法制备的ZnO阴极界面层2的有机太阳能电池。
实施例3
对透明衬底及透明导电电极所组成的阴极基底1进行清洗,清洗后用氮气吹干，氨水水溶液制备基于ZnO掺杂Fe2O3的阴极界面层的有机太阳能电池的步骤包括：
(1)配置前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水、19.5mg锌粉和0.2mg铁粉混合搅拌溶解得到共混的前驱体溶液，转速为500rpm，搅拌时间为10h；
(2)在阴极基底1上旋涂所述共混的前驱液得到阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层2旋涂完成后以200℃退火处理40min；
(3)将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷并将溶液降至室温。然后在步骤(2)中的阴极界面层2上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
(4)在步骤(3)中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
上述步骤完成后得到基于氨水水溶液法制备的Fe2O3掺杂ZnO的阴极界面层2的有机太阳能电池。
实施例4
对透明衬底及透明导电电极所组成的阴极基底1进行清洗，清洗后用氮气吹干；氨水水溶液制备基于ZnO掺杂Fe2O3的阴极界面层有机太阳能电池的步骤包括：
(1)配置前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水、19.5mg锌粉和0.59mg铁粉混合搅拌溶解得到共混的前驱体溶液，转速为500rpm，搅拌时间为10h；
(2)在阴极基底1上旋涂所述共混的前驱液得到阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层2旋涂完成后以200℃退火处理40min；
(3)将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷并将溶液降至室温；然后在步骤(2)中的阴极界面层上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
(4)在步骤(3)中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
上述步骤完成后得到基于氨水水溶液法制备的Fe2O3掺杂ZnO的阴极界面层3的有机太阳能电池。
实施例5
对透明衬底及透明导电电极所组成的阴极基底1进行清洗，清洗后用氮气吹干；氨水水溶液制备基于ZnO掺杂Fe2O3的阴极界面层2有机太阳能电池的步骤包括：
(1)配置前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水、19.5mg锌粉和0.98mg铁粉混合搅拌溶解得到共混的前驱体溶液，转速为500rpm，搅拌时间为10h；
(2)在阴极基底1上旋涂所述共混的前驱液得到的阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层2旋涂完成后以200℃退火处理40min；
(3)将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷并将溶液降至室温；然后在步骤(2)中的阴极界面层2上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
(4)在步骤(3)中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
上述步骤完成后得到基于氨水水溶液法制备的Fe2O3掺杂ZnO的阴极界面层2的有机太阳能电池。
实施例6
对透明衬底及透明导电电极所组成的阴极基底1进行清洗,清洗后用氮气吹干；氨水水溶液制备基于ZnO掺杂Fe2O3的阴极界面层有机太阳能电池的步骤包括：
(1)配置前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水、19.5mg锌粉和1.37mg铁粉混合搅拌溶解得到共混的前驱体溶液，转速为500rpm，搅拌时间为10h；
(2)在阴极基底1上旋涂所述共混的前驱液得到的阴极界面层2，转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层旋涂完成后以200℃退火处理40min；
(3)将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，有机聚合物浓度均为10mg/mL；在50℃的温度下搅拌8h后在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷并将溶液降至室温。然后在步骤(2)中的阴极界面层2上旋涂光敏活性层3，旋涂转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min；
(4)在步骤(3)中的光敏活性层3上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
上述步骤完成后得到基于氨水水溶液法制备的ZnO掺杂Fe2O3阴极界面层的有机太阳能电池。
在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2实施例1-6各项光伏特性参数如表1所示，对比可以看出，相比于传统溶胶法，水溶液法制备的阴极界面层拥有更高的短路电流Jsc，转换效率也有所提升；而相对于单一的ZnO界面层,随着掺入Fe的量的增加，转换效率逐渐提升；而后在掺入比大于5％后逐渐降低，综上，Fe掺杂质量百分比为5％时，器件性能最优。
表1各实施例光伏特性参数
Figure BDA0003088979420000081
可以看出：通过一种基于水溶法制备的Fe2O3掺杂ZnO阴极界面层的有机太阳能电池，即实例3～6制备而成的有机太阳能电池，相比于基于溶胶法制备的界面层太阳能电池，即实例1制备而成的有机太阳能电池和基于水溶法制备的单一ZnO阴极界面层的有机太阳能电池，即实例2制备而成的有机太阳能电池，电池的开路电压和填充因子略有降低的同时短路电流密度提升显著，器件的综合效率得到提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法，有机太阳能电池采用倒置结构，从下到上依次为阴极基底(1)、阴极界面层(2)、光敏活性层(3)、阳极界面层(4)以及阳极(5)，其特征在于：
制备步骤如下：
步骤1：配置ZnO前驱体溶液，将1ml氨水、100μl双氧水、200μl去离子水和19.5mg锌粉混合搅拌溶解得到ZnO前驱体溶液；
所述步骤1中的锌粉中掺杂铁粉，其中锌粉中的铁粉掺杂质量比为1～7％；
步骤2：在阴极基底(1)上旋涂所述ZnO前驱体溶液得到阴极界面层(2)；
步骤3：将给体材料PBDBT-2F和受体材料IT-4F按1:1的质量比溶解于氯苯中，并在旋涂前半小时加入0.5％的液体添加剂1,8-二碘辛烷，并将溶液降至室温得到混合液；然后在步骤2中的阴极界面层(2)上旋涂混合液得到光敏活性层(3)；
步骤4：在步骤3中的光敏活性层(3)上依次蒸镀MoO3和Ag电极。
2.根据权利要求1所述的一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤1中搅拌的转速为500rpm，搅拌时间为10h。
3.根据权利要求1所述的一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤2中旋涂的转速为3000rpm，旋涂时间为30s；所述阴极界面层(2)旋涂完成后以200℃退火处理40min。
4.根据权利要求1所述的一种ZnO掺杂Fe2O3为阴极界面层材料的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤3中旋涂的转速为1600rpm，旋涂时间为60s，形成的薄膜于120℃加热台上退火处理10min。
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