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一种基于二维黑磷的有机太阳能电池及其制备方法技术

技术编号:15332593 阅读:254 留言:0更新日期:2017-05-16 20:26
本发明专利技术提供了一种基于二维黑磷的有机太阳能电池,包括第一电极,第二电极,以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层,所述光活性层的材料包括黑磷纳米片、给体材料和受体材料,所述光活性层中,所述黑磷纳米片的质量占比为0.1‑50%。本发明专利技术通过将黑磷纳米片作为光敏剂引入光活性层,构成三元有机太阳能电池,改善了传统有机太阳能电池吸收光谱范围窄,界面能级不匹配的问题,提高了电池的载流子收集效率和光电转化效率。本发明专利技术还提供了上述基于二维黑磷的有机太阳能电池的制备方法。

Organic solar cell based on two-dimensional black phosphorus and preparation method thereof

The invention provides an organic solar cell based on two-dimensional black phosphorus, which comprises a first electrode, a second electrode, and a photoactive layer disposed between the first electrode and the second electrode, the photoactive layer materials include black phosphorus nanosheets, donor materials and receptor material, the optical activity layer, the black phosphorus nano sheet quality accounted for 0.1 50%. The black phosphorus nanosheets as photosensitizer into photoactive layer, three element organic solar cell structure, improved the traditional organic solar cell absorption spectrum range is narrow, the interface level does not match the problem, improve the cell carrier collection efficiency and photoelectric conversion efficiency. The invention also provides a preparation method of the organic phosphorus solar cell based on two-dimensional black phosphorus.

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维黑磷的有机太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及光电材料与应用
,特别是涉及一种基于二维黑磷的有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
目前,以有机半导体材料为活性层的有机太阳能电池由于具有生产成本低、重量轻、可加工成柔性器件等优点,更具有与现有的印刷或打印等工业化生产方式相兼容的优势,受到广泛关注。然而,现有有机太阳能电池,由于有机聚合物相对于无机半导体较窄的吸收光谱,与太阳光谱不匹配,降低了其对太阳光的利用率,因而能量转化效率较低,产业化发展受限。为了解决这一问题,目前,业界通常采用向活性层中加入窄带隙聚合物、有机小分子、染料分子以及纳米粒子等光敏剂的策略以克服有机半导体的吸收限制,提高有机太阳能电池的能量转换效率,但是提高程度有限。
技术实现思路
鉴于此,本专利技术第一方面提供了一种基于二维黑磷的有机太阳能电池,通过将黑磷纳米片引入光活性层,构成三元有机太阳能电池,改善了传统有机太阳能电池吸收光谱范围窄,界面能级不匹配的问题,提高了电池的载流子收集效率和光电转化效率。具体地,第一方面,本专利技术提供了一种基于二维黑磷的有机太阳能电池,包括第一电极,第二电极,以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层,所述光活性层的材料包括黑磷纳米片、给体材料和受体材料,所述光活性层中,所述黑磷纳米片的质量占比为0.1-50%。其中,黑磷纳米片具有极高的比表面积、宽光谱响应、可调节直接带隙,因此可以有效地吸收太阳光,拓宽光活性层的光谱吸收范围,提高太阳光利用率,而可调的能带结构可以与其它材料很好的匹配并形成欧姆接触,实现高效的激子分离,并有效抑制载流子复合,提高载流子迁移率,从而最终提高太阳能电池器件的能量转换效率。可选地,所述光活性层中,所述黑磷纳米片的质量占比为0.1-30%、5%-25%、10%-20%、1%-10%。适合的黑磷纳米片加入量可以与光活性层中原有给体材料形成对太阳光的互补吸收,拓宽吸收光谱,并且不破坏原有光活性层相分离的形貌,同时可以提高给受体材料以及光活性层材料与载流子传输层材料之间的电荷转移,从而提高电池器件的外量子效率。可选地,所述黑磷纳米片的长宽尺寸为1nm-100nm,所述黑磷纳米片的厚度为0.5nm-10nm。进一步可选地,所述黑磷纳米片的长宽尺寸为10nm-80nm、20nm-60nm,30nm-50nm;所述黑磷纳米片的厚度为2nm-8nm、3nm-6nm。所述黑磷纳米片的层数可为1-10层。本专利技术中,所述光活性层的厚度为50nm-500nm。进一步可选地,所述光活性层的厚度为100nm-300nm。所述黑磷纳米片的表面通过物理吸附或化学键合设置有亲油修饰层,所述亲油修饰层含有亲油基团。本专利技术通过将黑磷纳米片进一步进行表面修饰得到稳定化和功能化的黑磷纳米片,从而使得黑磷纳米片可在环境中稳定存在并可良好的分散于多种有机溶剂中。所述亲油修饰层通过将所述黑磷纳米片采用含有亲油基团的有机小分子、聚合物或离子液体修饰得到;具体地,所述亲油修饰层通过将所述黑磷纳米片采用长链烷基苯磺酸盐(如十二烷基苯磺酸盐)、长链烷基苯重氮四氟硼酸盐(如十二烷基苯重氮四氟硼酸盐)、聚乙烯吡咯烷酮或长链烷基取代的离子液体(如[HOEMIM][TfO])修饰得到,所述长链烷基苯磺酸盐可以是十二烷基苯磺酸钙、十二烷基苯磺酸钛。所述长链烷基苯磺酸盐通过配位作用与所述黑磷纳米片结合,所述长链烷基苯重氮四氟硼酸盐通过共价键与所述黑磷纳米片结合,而聚乙烯吡咯烷酮或长链烷基取代的离子液体通过范德华力和静电相互作用与所述黑磷纳米片结合。可选地,所述给体材料选自有机小分子、共轭聚合物中的一种;所述受体材料选自C60、C70或C60、C70的衍生物中的一种。可选地,所述第一电极为透明导电玻璃或透明导电聚合物薄膜,例如可以是ITO玻璃,所述第二电极为金属,例如可以是Al、Ag。本专利技术有机太阳能电池可以是正型或反型结构,当为正型结构时,所述第一电极为阳极,所述第二电极为阴极,当为反型结构时,所述第一电极为阴极,所述第二电极为阳极。可选地,所述阳极与所述光活性层之间设置有阳极修饰层,所述阴极与所述光活性层之间设置有阴极修饰层,所述阳极修饰层的材质为P型半导体材料,所述阴极修饰层的材质为N型半导体材料。所述P型半导体材料包括过渡金属氧化物,所述过渡金属氧化物包括MoO3、V2O5、NiO、ReO3和WO3中的至少一种;所述N型半导体材料包括Ca、ZnO和TiO2中的至少一种。本专利技术中,所述阳极、阴极、阳极修饰层以及阴极修饰层的厚度可根据实际情况设定。本专利技术第一方面提供的基于二维黑磷的有机太阳能电池,通过将二维黑磷纳米片作为光敏剂引入到有机太阳能电池的光活性层,由于黑磷纳米片具有宽波段光学吸收、可调节直接带隙、高载流子迁移率等优异特性,因而可提高光活性层的光学吸收,并有效抑制载流子复合,提高了载流子的收集效率,进而提高有机太阳能电池的器件性能。第二方面,本专利技术提供了一种基于二维黑磷的有机太阳能电池的制备方法,包括以下步骤:提供第一电极;采用涂覆或印刷的方式在所述第一电极上制备光活性层,所述光活性层的材料包括黑磷纳米片、给体材料和受体材料;在所述光活性层上制备第二电极,即得到基于二维黑磷的有机太阳能电池。可选地,所述第一电极为透明导电玻璃或透明导电聚合物薄膜,例如可以是ITO玻璃,所述第二电极为金属,例如可以是Al、Ag。所述采用涂覆或印刷的方式在所述第一电极上制备光活性层的步骤包括:将所述黑磷纳米片进行亲油性预处理后得到表面具有亲油修饰层的黑磷纳米片,然后将所述表面具有亲油修饰层的黑磷纳米片与给体材料和受体材料一同分散于有机溶剂中,搅拌混合均匀,得到浆料,将所述浆料涂覆或印刷在所述第一电极上,烘干后,即得到所述光活性层。所述亲油性预处理是将所述黑磷纳米片采用长链烷基苯磺酸盐、长链烷基苯重氮四氟硼酸盐、聚乙烯吡咯烷酮或长链烷基取代的离子液体进行表面修饰。具体操作可为:将黑磷纳米片分散到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,加入适量上述修饰材料,经超声,搅拌,离心分离得到表面具有亲油修饰层的黑磷纳米片。其中黑磷纳米片与修饰材料的质量比为1:0.8-5,超声功率可为300-500w,超声时间为1-3h,搅拌时间为3-6h。经亲油性预处理后,使得黑磷纳米片能够很好地分散于多种有机溶剂中。可选地,所述黑磷纳米片的长宽尺寸为1nm-100nm,所述黑磷纳米片的厚度为0.5nm-10nm。进一步可选地,所述黑磷纳米片的长宽尺寸为10nm-80nm、20nm-60nm,30nm-50nm;所述黑磷纳米片的厚度为2nm-8nm、3nm-6nm。所述黑磷纳米片的层数可为1-10层。可选地,所述有机溶剂包括二氯苯、氯苯、氯仿中的至少一种,所述浆料中,所述黑磷纳米片占所述黑磷纳米片、给体材料和受体材料三者总质量的0.1-50%。进一步地,所述黑磷纳米片的质量占比为0.1-30%、5%-25%、10%-20%、1%-10%。可选地,所述给体材料选自有机小分子、共轭聚合物中的一种;所述受体材料选自C60、C70或C60、C70的衍生物中的一种。本专利技术有机太阳能电池可以是正型或反型结构,当为正型结构时,所述第一电极为阳极,所述第二电极为阴极,当为反型本文档来自技高网...
一种基于二维黑磷的有机太阳能电池及其制备方法

【技术保护点】
一种基于二维黑磷的有机太阳能电池,其特征在于,包括第一电极,第二电极,以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层,所述光活性层的材料包括黑磷纳米片、给体材料和受体材料,所述光活性层中,所述黑磷纳米片的质量占比为0.1‑50%。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维黑磷的有机太阳能电池,其特征在于,包括第一电极,第二电极,以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层,所述光活性层的材料包括黑磷纳米片、给体材料和受体材料,所述光活性层中,所述黑磷纳米片的质量占比为0.1-50%。2.如权利要求1所述的有机太阳能电池,其特征在于,所述黑磷纳米片的长宽尺寸为1nm-100nm,所述黑磷纳米片的厚度为0.5nm-10nm。3.如权利要求1所述的有机太阳能电池,其特征在于,所述黑磷纳米片的表面通过物理吸附或化学键合设置有亲油修饰层,所述亲油修饰层含有亲油基团。4.如权利要求3所述的有机太阳能电池,其特征在于,所述亲油修饰层通过将所述黑磷纳米片采用长链烷基苯磺酸盐、长链烷基苯重氮四氟硼酸盐、聚乙烯吡咯烷酮或长链烷基取代的离子液体修饰得到。5.如权利要求1所述的有机太阳能电池,其特征在于,所述给体材料选自有机小分子或共轭聚合物中的一种;所述受体材料选自C60、C70或C60、C70的衍生物中的一种。6.如权利要求1所述的有机太阳能电池,其特征在于,所述第一电极为阳极,所述第二电极为阴极,或所述第一电极为阴极,所述第二电极为阳极,所述阳极与所述光活性层之间设置有阳极修饰层,所述阴极与所述光活性层之间设置有阴极修饰层,所述阳极修饰...

【专利技术属性】
技术研发人员:张晗仇萌张家宜
申请(专利权)人:深圳大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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