基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池，该电池采用反型结构，自下而上依次为：透明衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、有机活性层、阳极缓冲层、金属阳极；所述阴极缓冲层为SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层；SnO2薄膜和ZnO薄膜通过旋涂方法制备，制备SnO2薄膜匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；制备ZnO薄膜匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s。本发明专利技术极大的降低了电子与空穴的复合几率，增加了载流子的寿命，从而提高了太阳能电池的能量转换效率。

Organic solar cell based on Heterojunction cathode buffer layer and preparation method thereof

The invention relates to a heterojunction organic solar cell cathode buffer layer based on the battery using reverse type structure, followed by bottom-up: a transparent substrate, a transparent conductive cathode, cathode buffer layer, organic active layer, anode buffer layer and a metal anode; the cathode buffer layer for heterogeneous SnO2 films and ZnO films composed of nodes the cathode buffer layer; SnO2 films and ZnO films by spin coating preparation method, preparation of SnO2 thin film coating machine speed is 4000 ~ 8000rpm/s, spin coating time is 15 ~ 60s; preparation of ZnO film coating machine speed is 4000 ~ 8000rpm/s, spin coating time is 15 ~ 60s. The invention greatly reduces the recombination probability of the electron and the hole, increases the service life of the carrier, and improves the energy conversion efficiency of the solar cell.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机光伏器件
，具体涉及一种基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着全球气候变暖和环境恶化的日益严重，人类面临着能源危机与环境污染的双重考验，因此，开发并有效利用清洁、可再生能源迫在眉睫。太阳能作为一种清洁绿色能源，取之不尽用之不竭，引起了人们的广泛关注。太阳能电池是一种直接将光能转换成电能的装置，是利用太阳能的最有效的方式之一。传统太阳能电池主要研究以硅、砷化镓和碲化镉为活性材料的无机太阳能电池，但其加工工艺复杂、制造能耗大、材料要求苛刻、价格较高和不易进行大面积柔性加工，因此，抑制了它的发展和普及。有机薄膜太阳能电池具有成本低、光吸收系数高、质地轻、制造工艺简单、可制成大面积柔性器件等优点，因此，成为了太阳能电池领域最有前景的技术之一，也是世界太阳能研究领域的热点。尽管近年来有机薄膜太阳能电池发展迅速，光电转换效率已达到10％以上，然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，其光电转换效率还相对较低，这也是防止其商业化的一大阻碍。研究表明，添加适当的阳极或阴极缓冲层可以显著提高电荷传输和收集效率，从而提高太阳能电池的能量转换效率。在有机太阳能电池中，金属氧化物ZnO是最常用的阴极缓冲层材料，其具有高的电子迁移率和透光率，易于加工，环境友好，稳定性高；但是ZnO胶体薄膜具有较高的粗糙度，表面缺陷密度大，电荷重组增加，使得器件性能降低。另外，SnO2由于具有较高的透光率，电子迁移率和极好的空气稳定性，因此，也被用作阴极缓冲层。然而，由于SnO2整流特性较差，导致基于SnO2的有机太阳能具有严重的电荷重组现象，使得器件的填充因子和光电转换效率较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池降低了载流子复合的几率，能够有效的提高太阳能电池的能量转换效率。为了解决上述技术问题，本专利技术的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，自下而上依次为：透明衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、有机活性层、阳极缓冲层、金属阳极；其特征在于所述阴极缓冲层为SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层；所述异质结阴极缓冲层通过下述方法制备：配制锡离子浓度为0.1～0.3mol/L的氧化锡前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于透明导电阴极上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锡前驱体薄膜；配制锌离子浓度分别为0.1～0.3mol/L的氧化锌前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于SnO2阴极缓冲层上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锌前驱体薄膜；在300～600℃高温下煅烧得到SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层，高温烧结时间为30-120min。进一步，作为优选，所述氧化锡前驱体溶胶中锡离子浓度为0.2mol/L，匀胶机转速为6000rpm/s，旋涂时间为30s；氧化锌前驱体溶胶中锌离子浓度为0.2mol/L，匀胶机转速为7000rpm/s，旋涂时间为30s，高温烧结时间为60min。所述透明衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明玻璃为石英玻璃、硅酸盐玻璃或钠钙玻璃，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯或聚丙烯酸的一种或多种的混合物。所述透明导电阴极材料为掺氟氧化锡，沉积于透明衬底上。所述有机活性层是由电子给体材料P3HT和电子受体材料PC61BM按1:1的质量比制备的混合物或由电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按1:4的质量比制备的混合物。所述阳极缓冲层为金属氧化物薄膜或有机导电聚合物薄膜，其中金属氧化物薄膜为氧化钼、氧化钒、氧化钨或氧化镍薄膜，有机导电聚合物薄膜为PEDOT：PSS或PANI(聚苯胺)类有机导电聚合物薄膜。所述阳极缓冲层优选为MoO3，其厚度为3～7nm。所述阳极缓冲层厚度优选为5nm。所述金属阳极为Ag、Al或Au，其厚度为100nm～200nm。上述基于异质结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将带有透明导电阴极的透明衬底进行清洗、干燥和等离子体处理；②配制金属离子浓度为0.1～0.3mol/L的氧化锡前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于透明导电阴极上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锡前驱体薄膜；③配制金属离子浓度分别为0.1～0.3mol/L的氧化锌前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于SnO2阴极缓冲层上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锌前驱体薄膜；经300～600℃高温煅烧30-120min后得到SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层；④在ZnO薄膜上制备有机活性层；然后将制备了有机活性层的基片置于110～140℃的加热台上退火处理10min；⑤在真空镀膜机里，依次在有机活性层上蒸镀阳极缓冲层，在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、本专利技术提供的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池，以SnO2和ZnO构成异质结阴极缓冲层，由于异质结中内建电场的存在，使光生电子和空穴有效的分离，极大的降低了电子与空穴的复合几率，增加了载流子的寿命，从而提高了太阳能电池的能量转换效率。二、本专利技术提供的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池，以SnO2和ZnO构成异质结阴极缓冲层，极好的修饰了阴极FTO与活性层之间的界面能级差，降低了能级势垒，保证了良好的界面性能。三、本专利技术提供的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池，以SnO2和ZnO构成异质结阴极缓冲层，材料来源广泛，成本低，稳定性好，制备工艺简单。附图说明下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池的结构示意图；图2是本专利技术的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池的实施例2与对比器件1、2、3在光照强度为AM1.5G下测得的J-V曲线；图3是本专利技术的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池的性能与SnO2的旋涂速度的关系示意图。图4是本专利技术的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池的性能与ZnO的旋涂速度的关系示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，自下而上依次为：透明衬底、透明导电阴极、异质结阴极缓冲层、有机活性层、阳极缓冲层、金属阳极。其中阴极缓冲层为SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层；SnO2薄膜制备于透明导电阴极上；ZnO薄膜制备于SnO2薄膜与有机活性层之间；有机活性层由电子给体材料和电子受体材料混合而成，制备于异质结阴极缓冲层上。SnO2薄膜和ZnO薄膜通过旋涂方法制备，制备SnO2薄膜匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；制备ZnO薄膜匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s。本专利技术中的透明衬底支撑整个器件，要求至少在可见光频率范围内具有较高的透过率，而且需要具有较高的平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，自下而上依次为：透明衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、有机活性层、阳极缓冲层、金属阳极；其特征在于所述阴极缓冲层为SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层；所述异质结阴极缓冲层通过下述方法制备：配制锡离子浓度为0.1～0.3mol/L的氧化锡前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于透明导电阴极上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锡前驱体薄膜；配制锌离子浓度分别为0.1～0.3mol/L的氧化锌前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于SnO2阴极缓冲层上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锌前驱体薄膜；在300～600℃高温下煅烧得到SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层，高温煅烧时间为30‑120min。

【技术特征摘要】
1.一种基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，自下而上依次为：透明衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、有机活性层、阳极缓冲层、金属阳极；其特征在于所述阴极缓冲层为SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层；所述异质结阴极缓冲层通过下述方法制备：配制锡离子浓度为0.1～0.3mol/L的氧化锡前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于透明导电阴极上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锡前驱体薄膜；配制锌离子浓度分别为0.1～0.3mol/L的氧化锌前驱体溶胶，经磁力搅拌、静置后，用匀胶机旋涂于SnO2阴极缓冲层上，匀胶机转速为4000～8000rpm/s，旋涂时间为15～60s；然后进行干燥处理得到氧化锌前驱体薄膜；在300～600℃高温下煅烧得到SnO2薄膜和ZnO薄膜构成的异质结阴极缓冲层，高温煅烧时间为30-120min。2.根据权利要求1所述的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，其特征在于所述氧化锡前驱体溶胶中锡离子浓度为0.2mol/L，匀胶机转速为6000rpm/s，旋涂时间为30s；氧化锌前驱体溶胶中锌离子浓度为0.2mol/L，匀胶机转速为7000rpm/s，旋涂时间为30s，高温烧结时间60min。3.根据权利要求1所述的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，其特征在于所述透明衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明玻璃为石英玻璃、硅酸盐玻璃或钠钙玻璃，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯或聚丙烯酸的一种或多种的混合物。4.根据权利要求1所述的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，其特征在于所述透明导电阴极材料为掺氟氧化锡，沉积于透明衬底上。5.根据权利要求1所述的基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池采用反型结构，其特征在于所述有机活性层是由电子给体材料P3HT和电子受体材料PC61B...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄帅，瞿祥炜，申思，康博南，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22