一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法。所述有机太阳能电池器件包括阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层。本发明专利技术采用高电导率、高透光性以及与ITO相匹配功函数的MXene为阳极修饰层材料来制备有机太阳能电池器件；首先，MXene具有较高的电导率，可以有效的提升有机太阳能电池的电荷传输效率；其次MXene可有效调控功函数，降低阳极与活性层之间的界面能力，最终表现出比相应PEDOT：PSS器件更高的光电转换效率。

An Organic Solar Cell with MXene as Anode Modification Layer and Its Preparation Method

The invention discloses an organic solar cell with MXene as an anode modifying layer material and a preparation method thereof. The organic solar cell device comprises an anode base, an anode modification layer, an active layer, a cathode modification layer and a cathode layer. The invention adopts MXene with high conductivity, high transparency and matching work function with ITO as anode modification layer material to prepare organic solar cell devices; firstly, MXene has high conductivity, which can effectively improve the charge transfer efficiency of organic solar cells; secondly, MXene can effectively regulate work function, reduce the interface ability between anode and active layer, and finally performance. The photoelectric conversion efficiency is higher than that of corresponding PEDOT: PSS devices.

【技术实现步骤摘要】
一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于有机太阳能电池
，特别涉及一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
有机太阳能电池具有无毒、柔性、低成本、易加工等优势而受到广泛关注。有机太阳能电池由阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层组成。其中，阳极修饰层可有效调控阳极功函数，降低阳极与活性层之间的界面能力，最终提高有机太阳能电池的光电转换效率。有机太阳能电池工作原理为：首先光透过ITO进入光敏活性层，光敏活性层吸收光子而产生激子；激子在给体与受体内部传输，并在两者界面处分离，空穴转移到给体的HOMO能级上，电子转移到受体上的LUMO能级，电子和空穴分别被阴极与阳极收集，形成光生电流和光生电压。聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)是目前常用的阳极修饰层材料，但是PEDOT：PSS具有强酸性(pH＝1)和吸湿性而造成器件性能极不稳定，没有封装时放在空气中其能量转换效率在7天内会迅速衰减为零。目前，许多研究报道新的阳极修饰层材料以取代PEDOT：PSS，如V2O5，MoO3等金属氧化物(J.APPl.Phys.2011,110,033710；Adv.Funct.Mater.2012,22,2594-2605)，然而金属氧化物大部分需要在高真空下热沉积，这极大增加了电池的制作难度和生产成本。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种能显著提升光电转换效率的有机太阳能电池。一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池，包括依次叠层设置的阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层；所述阳极修饰层为二维MXene。阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)。所述活性层为P3HT：PCBM，且活性层厚度为150-250nm。所述阴极修饰层材料为Ca或PFNBr，所述阴极层材料为Al或Ag，所述阴极修饰层厚度为5-15nm；所述阴极层厚度为80-120nm。所述MXene的片大小为50-150nm，所述阳极修饰层的厚度为5-20nm。MXene为风琴状二维材料，器件对传输层结构敏感，如缺陷、粗糙度过大均会严重降低性能，此处MXene片太大，在阳极基底铺展不均匀会造成缺陷。优选的，阳极修饰层的厚度为5nm，活性层的厚度为200nm，阴极修饰层的厚度为10nm，阴极层厚度为100nm。本专利技术的另一个目的在于提供一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：步骤一、清洗阳极基底，并对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理；步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阳极层表面依次旋涂阳极修饰层、活性层；所述阳极修饰层为二维MXene；步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀阴极修饰层以及阴极层。经过上述工艺步骤，制得所述MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。上述步骤一中，所述阳极基底处理包括：首先依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15-25分钟；随后在60-100℃真空干燥箱中烘干；最后对所述清洗烘干的阳极基底表面进行8分钟的等离子表面处理。等离子表面处理的原理是利用微波产生的臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留的有机物等，同时使ITO表面氧空位提高，增加ITO表面的功函数。上述步骤二中，所述阳极修饰层制备工艺为：首先将MXene水溶液超声分散，用0.22μm的有机滤芯过滤；其次将上述MXene滤液配制成浓度0.1～0.25mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为1000-3000rpm，时间为30-50s，阳极修饰层厚度为5-20nm；所述阳极修饰层旋涂完成后以130-170℃退火处理20-40分钟。上述步骤二中，所述活性层制备工艺为：将P3HT和PCBM分散在邻二氯苯中，搅拌8-24小时，其中P3HT:PCBM质量比为0.8-1.2:1，P3HT浓度为15-25mg/ml；最后在已旋涂阳极修饰层表面上旋涂活性层溶液，转速为800-1500rpm，时间为30-50s，活性层厚度为150-250nm；所述活性层旋涂完成后放置2～3小时自然晾干，随后以130-170℃退火处理3-8分钟。上述步骤三中，所述阴极修饰层为Ca，其厚度为10nm。上述步骤三中，所述阴极层为铝，其厚度为100nm。本专利技术的MXene阳极修饰层有机太阳能电池，采用高电导率、高透光性以及与ITO相匹配功函数的MXene为阳极修饰层材料。首先，MXene具有较高的电导率，可以有效提升有机太阳能电池的电荷传输效率；其次MXene可有效调控功函数，ITO阳极基底功函数为4.7eV，MXene功函数为5.0eV，通过将MXene旋涂在阳极基底表面而使其相比ITO阳极基底，与活性层能级更加匹配，从而降低阳极与活性层之间的界面能力，最终提高有机太阳能电池的光电转换效率。附图说明图1为本专利技术的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池结构示意图；图2为MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池器件的制备流程图；图3为实施例1的太阳能器件阳极修饰层材料的透光率与波长关系图；图4为实施例1的太阳能器件在光照条件下的电流密度与电压关系图；图5为实施例1的太阳能器件在黑暗条件下的电流密度与电压关系图；其中阳极基底01、阳极修饰层02、活性层03、阴极修饰层04以及阴极层05。具体实施方案本专利技术提供一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池，如图1所示其包括阳极基底01、阳极修饰层02、活性层03、阴极修饰层04以及阴极层05。上述MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池的制备工艺如图2所示，包括如下步骤：步骤1、清洗ITO阳极基底；对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行等离子表面处理；步骤2、在经过步骤1处理过的ITO表面旋涂阳极修饰层，且阳极修饰层材料为MXene，在上述阳极修饰层表面旋涂活性层溶液；步骤3、在上述活性层表面蒸镀阴极修饰层；在上述阴极修饰层表面蒸镀阴极层；上述步骤完成后得到MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。本专利技术实施例中所用二维材料MXene均是根据参考文献(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,1825-1829)，且通过控制超声时间，制备得到尺寸大小为50-150nm的MXene；实施例中所用PEDOT:PSS溶液是购买自H.C.Starck公司，具体型号为CleviosPVPAl4083。下面结合附图，对本专利技术性能较优实施例进一步详细说明。实施例1本实施例1中的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池器件结构为：ITO/MXene/P3HT:PCBM/Ca/Al。上述有机太阳能电池的制备工艺流程如下：步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；随后在80℃真空干燥箱中烘干。步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行5分钟的等离子表面处理。步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂阳极修饰层；所述阳极修饰层制备工艺为：首先将MXene水溶液超声分散，用0.22μm的有机滤芯过滤；其次将上述MXene滤液配制成浓度为0.2mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠设置的阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层；所述阳极修饰层材料为MXene。

【技术特征摘要】
1.一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠设置的阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层；所述阳极修饰层材料为MXene。2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃，所述活性层材料为P3HT：PCBM，且活性层厚度为150-250nm。3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极修饰层材料为Ca或PFNBr，所述阴极层材料为Al或Ag，所述阴极修饰层厚度为5-15nm；所述阴极层厚度为80-120nm。4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极修饰层中MXene为二维材料，且片大小为50-150nm，所述阳极修饰层的厚度为5-20nm。5.权利要求1-4任一项所述MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、清洗阳极基底，并对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理；步骤二、在经过步骤一表面处理过的所述阳极层表面依次旋涂阳极修饰层、活性层；所述阳极修饰层材料为MXene；步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀阴极修饰层以及阴极层，制得所述有机太阳能电池。6.根据权利要求5所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：於黄忠，侯春利，黄承稳，巫祖萍，陈金雲，王键鸣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44