一种MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法技术

技术编号:21403207 阅读:59 留言:0更新日期:2019-06-19 08:12
本发明专利技术公开了一种MXene掺杂PEDOT:PSS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由MXene与PEDOT:PSS掺杂而成,且MXene掺杂质量百分比为2~6.5%。本发明专利技术采用在PEDOT:PSS中掺杂高电导率、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,最终提高有机太阳能电池的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种MXene掺杂PEDOT:PSS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掺杂PEDOT:PSS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。目前有机太阳能电池面临的主要问题是器件效率偏低,因此,提高能量转换效率是其能否商业化和与传统无机光伏电池竞争的关键。PEDOT:PSS薄膜具有很多的优点,其在可见光区具有很高的透光率,好的机械延展性,热稳定性及良好的成膜性。然而PEDOT:PSS具有强酸性(pH=1)和吸湿性而造成器件性能极不稳定。围绕PEDOT:PSS薄膜的掺杂改性,充分利用其它材料的优势来弥补PEDOT:PSS薄膜的缺陷来提升器件性能成为目前研究热点。Kim将极性甲醇、丙酮和DMF掺入PEDOT:PSS溶液中提高薄膜的导电性,获得了优异的能量转换效率(SyntheticMet2005,149,169-174);ZhiqiangZhao将CuBr2掺杂到PEDOT:PSS溶液中提高薄膜的导电性及薄膜功函数,并将其作为阳极修饰层应用于聚合物太阳能电池,显著提高了能量转换效率(ACSAppl.Mater.Inter.2015,7,1439-1448)。
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种MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法。一种MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层材料的有机太阳能电池,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;所述阳极修饰层由MXene与PEDOT:PSS掺杂而成。且所述阳极修饰层中MXene掺杂质量百分比为2~6.5%。阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO);所述活性层材料为P3HT:PCBM,且活性层厚度为35-45nm。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。优选的,阳极修饰层的厚度为40nm,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。所述MXene的片大小为50-150nm,所述阳极修饰层的厚度为35-45nm。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MXene的片大小为50-150nm。本专利技术的另一个目的在于提供一种MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层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;所述阳极修饰层由MXene与PEDOT:PSS掺杂而成。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掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池。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5-10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滤液滴加到PEDOT:PSS溶液中,搅拌25-35min得到混合均匀的混合液,所述混合液中掺杂MXene质量百分比为2~6.5%。最后在等离子表面处理的阳极基底上旋涂所述混合液得到阳极修饰层,转速为3000-4000rpm,旋涂时间为30-50s;所述阳极修饰层旋涂完成后以130-170℃退火处理5-15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。本专利技术的MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池,通过在阳极修饰层PEDOT:PSS中掺杂高电导率、高透光性以及与ITO相匹配功函数的MXene来提升光电转换效率;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,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掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池结构示意图;图2为MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层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掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池,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掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层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掺杂PEDOT:PSS;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掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池。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;本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种MXene掺杂PEDOT:PSS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、阴极修饰层和阴极层;所述阳极修饰层材料由MXene与PEDOT:PSS掺杂而成,且所述阳极修饰层中MXene掺杂质量百分比为2~6.5%。

【技术特征摘要】
1.一种MXene掺杂PEDOT:PSS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、阴极修饰层和阴极层;所述阳极修饰层材料由MXene与PEDOT:PSS掺杂而成,且所述阳极修饰层中MXene掺杂质量百分比为2~6.5%。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35-45nm。5.权利要求1-4任一项所述MXene掺杂PEDOT:PSS为阳极修饰层材料的有机太阳能电池的制备方法,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和活性层;步骤三、在步骤二所述的活性层表面依次蒸镀阴极修饰层和阴极层,制得所述有机太阳能电池。6.根据权利要求5所述的制备...

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

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