有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池及制备方法技术

本发明专利技术涉及以一种有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池及制备方法，通过优化阴极缓冲层的厚度可以达到提高器件稳定性能的效果。该有机太阳能电池的结构自下至上顺序设置为：透明衬底、透明阳极、空穴传输层、吸光层、阴极缓冲层、金属阴极。有机小分子材料TmPyPb具有很强的光稳定特性、高三线态能级、高电导率，低HOMO能级等优势。在有机太阳能电池器件中以有机小分子材料TmPyPb作为阴极缓冲层可以有效的阻止由水分、氧气和光等原因所造成器件性能的下降，从而达到提高有机太阳能电池稳定性的目的。我们制备的该有机太阳能电池器件在300小时后仍能保持80％以上的效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种有机太阳能电池，具体涉及一种以有机小分子材料TmPyPb做阴极缓冲层的高稳定性有机太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池

技术介绍
随着社会的发展，当今的人们面临着环境污染，资源短缺等问题，寻找和发展清洁可再生能源已经成为人们的当务之急。研究人员在不断的探索寻求新的无污染的能源来代替不可再生能源。太阳能因为其无污染，可再生，数量大，使用地域不受限制等优势成为研究者们的重点研究对象。目前硅电池的市场占有率值很高，但是，硅电池的制造过程及其高昂的造价，使得研究人员去探寻一种新的太阳能电池结构。有机太阳能电池(OPV)，以其质量轻，成本低，制备工艺简单，能够制备柔性器件等独特的优势，近年来在太阳能电池领域异军突起，受到各界的广泛关注。随着全球各地的研究人员的努力，各种结构的有机太阳能电池效率相继突破10％，具有广阔乐观的发展前景。(NaturePhoton,9(2015)174.)通常，有机太阳能电池包括阴极、阳极和夹在两个电极之间的有源层。一般分为正置和倒置两种结构。正置结构以透明电极(如ITO，FTO，AZO，IO等)为阳极，不透明金属(Al，Ag，Au等)为阴极；倒置结构以透明电极为阴极，不透明金属为阳极。自二十世纪九十年代起，随着有机电子学的飞速发展，新的方法，材料，技术等应用，有机太阳能电池的效率得到了快速的提高。有机太阳能电池主要存在效率不高、稳定性差这两个问题，为实现有机太阳能电池的实际应用，必须综合考虑器件能量转换效率和使用寿命。众所周知，太阳能电池的稳定性由外部稳定性和固有稳定性共同决定。通过器件封装，阻止水氧的渗入，可以有效地提高外部稳定性。对于固有稳定性，界面是最为重要的环节。有机太阳能电池经过一段时间的使用，界面处容易产生表面缺陷和表面态，破坏原有的界面结构。很多界面层，其材料会发生化学反应，材料本身的性质发生改变。另外，因为光照等因素，界面层本身的结构也可能发生变化。这些因素，都影响了有机太阳能电池的稳定性。
技术实现思路
技术问题：本专利技术就是针对上述问题提出来的，本专利技术设计了一种有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做阴极缓冲层的有机太阳能电池及制备方法。技术方案：利用有机小分子材料TmPyPb的高光稳定特性、高三线态能级、高电导率等特性，将其引用作为有机太阳能电池的阴极缓冲层，有机太阳能电池的稳定性得到大幅度提高，同时也提高了电池效率。有机小分子材料TmPyPb的HOMO能级为-6.7eV，这表示它不仅可以传输电子，而且可以很好的阻挡空穴，有效的提高有机太阳能电池的性能。有机小分子材料TmPyPb具体很高的三线态能级(2.78eV)，降低了激子到阴极缓冲层的转移，从而使非辐射衰变最小化。实现器件性能的正增益。此外有机小分子材料TmPyPb具有很强的光稳定性，通过扫描电子显微镜图(SEM图)和X射线衍射图(XRD图)可以观察到，经1h光照处理后，有机小分子材料TmPyPb的颗粒大小及晶体结构都未发生明显变化，这个特性为高稳定性有机太阳能电池的实现提供了可能。另外，在有机太阳能电池中，阴极功能层是相对脆弱的环节，极易受到光化学反应的侵蚀，产生表面态，破坏原有的界面结构，从而降低了电荷的传输与收集，造成载流子复合，对电池的短路电流与填充因子产生不利的影响。本专利技术利用有机小分子材料TmPyPb的光稳定性质，使用其做有机太阳能电池的阴极缓冲层，提高了整个器件的抗光反应的能力，进而提高整个器件的性能。有机小分子材料TmPyPb可以直接通过真空热蒸渡的方法沉积在吸光层上，形成均匀光滑的缓冲层薄膜，制备工艺简单，操作便捷，可重复性高。本专利技术的一种有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做阴极缓冲层的有机太阳能电池的结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阳极、空穴传输层、吸光层、阴极缓冲层、金属阴极，其中，所述的阴极缓冲层采用有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯简称TmPyPb。其中：所述吸光层中，电子给体材料为聚3-已基噻吩P3HT。所述吸光层中，电子受体材料为[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯PC61BM。所述空穴传输层材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)PEDOT：PSS。所述金属阴极的材料为Al、Ag、Au中的一种。所述透明阳极材料为氧化铟锡ITO。所述衬底材料为透明玻璃。本专利技术的有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做阴极缓冲层的有机太阳能电池的制备方法包括以下步骤：1)透明阳极及透明衬底使用ITO导电玻璃，将刻蚀好并清洗干净的ITO导电玻璃用氮气吹干并进行15min的紫外线臭氧UV-ozone处理；2)空穴传输层的制备：在经UV-ozone处理后的干净ITO导电玻璃上以3500rpm的转速旋涂PEDOT:PSS，再进行在空气中120℃退火1小时的处理形成空穴传输层，旋涂时间为60s；3)吸光层的制备：在充满N2的高质量手操箱中，以800rpm的转速将P3HT：PC61BM溶液旋涂到PEDOT：PSS层上，室温条件下自然晾干1小时后进行120℃退火20分钟处理，形成吸光层，旋涂时间为60s；4)阴极缓冲层的制备：利用真空蒸渡设备在吸光层上蒸渡有机小分子材料TmPyPb，形成阴极缓冲层；阴极缓冲层的厚度为1nm～50nm，蒸渡的速率为0.01nm/s～0.1nm/s，其蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa；5)金属阴极的制备：利用真空蒸渡设备在阴极缓冲层上蒸渡金属，形成金属阴极，金属阴极的厚度为80nm～120nm，蒸渡速率为0.1nm/s～1.3nm/s，其蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa。其中：吸光层溶液通过如下方法进行制备：将聚3-已基噻吩P3HT和[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯PC61BM按质量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml浓度的溶液，混合后的溶液在60℃温度下均匀搅拌12小时即可。本专利技术的有机太阳能电池器件制备方案中引入有机小分子材料TmPyPb作为阴极缓冲层材料，在蒸渡的气压环境小于3×10-4Pa的时候以0.8nm/s的速率进行沉积，形成阴极缓冲层。工艺简单，制备方便快捷。有机小分子材料TmPyPb具有高三线态能级、高电导率，低HOMO能级等特性，协调金属阴极的功函数，提高了电子迁移率和阴极的电子收集效率。同时有机小分子材料TmPyPb具有光稳定性能，提升了电池的抗老化能力。有益效果：本专利技术的上述技术方案相比于现有技术具有以下优点：(1)、本专利技术使用的有机小分子材料TmPyPb材料，具有极好的光稳定性能，提高了有机太阳能电池的稳定性和电池的抗老化能力。(2)、本专利技术使用有机小分子材料TmPyPb作为阴极缓冲层材料，由于材料本身具有很高的三线态能级，充分的保证了有效的能量传递。(3)、本专利技术使用的TmPyPb材料，其能级协调了金属阴极的功函数，有利于电子的传输与收集，提高了有机太阳能电池的性能。(4)、本专利技术使用的有机小分子材料TmPyPb十分容易通过真空蒸渡设备沉积出光滑均匀的阴极缓冲层，减少电子捕获，提高了有机太阳能电池的性能。(5)、本专利技术使用Al作为金属阴极，成本低廉。(6)、本专利技术使用的封装方式采用先涂抹环氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，该有机太阳能电池的结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阳极、空穴传输层、吸光层、阴极缓冲层、金属阴极，其中，所述的阴极缓冲层采用有机小分子材料1,3,5‑三[(3‑吡啶基)‑3‑苯基]苯简称TmPyPb。

【技术特征摘要】
1.一种有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，该有机太阳能电池的结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阳极、空穴传输层、吸光层、阴极缓冲层、金属阴极，其中，所述的阴极缓冲层采用有机小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯简称TmPyPb。2.根据权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，所述吸光层中，电子给体材料为聚3-已基噻吩P3HT。3.根据权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，所述吸光层中，电子受体材料为[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯PC61BM。4.根据权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)PEDOT：PSS。5.根据权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，所述金属阴极的材料为Al、Ag、Au中的一种。6.根据权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，所述透明阳极材料为氧化铟锡ITO。7.根据权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池，其特征在于，所述衬底材料为透明玻璃。8.一种如权利要求1所述的有机小分子材料做阴极缓冲层的太阳能电池的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：1)透明阳极及透明衬底使用ITO导电玻璃，将刻蚀好...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏梅，刘缓，郑爽，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32