一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术首次提出一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池及其制备方法。与以往研究相比本发明专利技术结构新颖，制备工艺简单，价格低廉，适合大面生产。Al和NaCl复合修饰ITO可以降低ITO表面的功函数，提高电极表面接触特性，提高缓冲层表面的疏水性，使有源层表面粗糙度降低，得到更好的表面形态。倒置结构器件中不包含酸性空穴传输材料PEDOT:PSS以及低功函数金属电极，从而可以有效提高有机太阳能电池的稳定性。其制备的器件在700小时后仍能保持84%以上的效率，是传统器件的1.7倍以上。同时铝和氯化钠这两种无机材料清洁无污染，在自然界储量丰富，价格低廉，是有机太阳能电池阴极缓冲层的理想候选材料。

【技术实现步骤摘要】
一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及一种倒置结构有机太阳能电池，具体涉及一种无机材料铝和氯化钠复合作为阴极缓冲层的高稳定性倒置有机太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池

技术介绍
在世界经济大发展的前提下，能源短缺与环境污染问题已经成为了世界经济可持续发展的瓶颈问题。随着传统能源（煤、石油、天然气）的日益枯竭，清洁可再生能源的发展和利用迫在眉睫。在这样的背景下，太阳能由于其无污染、储量大、可再生、分布广、便于采集等优势得到了人们的广泛关注，是人们解决能源危机与环境污染的理想候选人，在全球能源战略中具有举足轻重的地位。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。由半导体聚合物和富勒烯衍生物组成活性层的聚合物太阳能电池（PSC）由于制造成本低，重量轻，高机械柔性而引起了相当大的关注。然而，有机太阳能电池比无机太阳能电池更低的功率转换效率（PCE）和更差的稳定性限制了它们的广泛应用和商业化。因此，许多团队试图努力改善他们的性能。与此同时，良好的稳定性也是决定商业化的一个重要因素，稳定性受到两个电极以及有源层中的施主和受主材料的影响，在倒置有机太阳能电池中用低功函数的无机或有机材料修饰均可以提高器件性能和稳定性。（EnergyEnviron.Sci.8(2015)3442-3476）。用稳定的低功函数透明底电极制作倒置有机太阳能电池仍然是一个挑战。ITO的功函数为4.4-4.7eV，不能直接用作收集电子的阴极。一方面，考虑到有源层和ITO阴极之间存在能量势垒，缓冲层通常用于减少电荷提取势垒以形成欧姆接触，从而增强从有源层到ITO的电子提取。另一方面，缓冲层可以通过抑制窄带隙状态提高电荷的提取能力。在倒置PSCs中，一些低功函数缓冲层修饰ITO表面作为透明阴极，例如，ZnO（Appl.Phys.Lett.106(2015)083302），PbO（OrganicElectronics12(2011)1864–1871），TiO2(ACSAppl.Mater.Interfaces6(2014)739−744),Cs2CO3(OrganicElectronics15(2014)858–863)等。然而，所制造的器件一方面稳定性仍需要进一步提高，另一方面材料的价格较为昂贵，对环境有很大污染，这与当前我国的国策背道而驰。因此急需找到一种价格低廉，自然界储量丰富，对环境没有污染的材料应用在太阳能电池中，大大降低有机太阳能电池的造价和对环境的污染问题，这也是电池领域的未来发展的趋势。
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，本专利技术首次提出一种以价格低廉、储量丰富、无污染的无机材料铝和氯化钠复合做阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池及其制备方法。技术方案：一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，所述倒置有机太阳能电池结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阴极、阴极缓冲层、吸光层、空穴传输层、金属阳极。所述阴极缓冲层为双层复合结构，上层材料为氯化钠，下层材料为铝。所述吸光层中，电子给体材料为聚3-已基噻吩P3HT，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氧化钼MoO3。所述金属阳极的材料为Al、Ag、Au中的一种。所述透明阴极材料为氧化铟锡ITO。所述透明衬底材料为透明玻璃。一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池的制备方法，其制备方法包括以下步骤：1）透明阴极及透明衬底选用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）阴极缓冲层的制备：先利用真空蒸镀设备在阴极ITO上蒸镀出厚度为1.8-2.2nm的Al层，其蒸镀的速率为0.5-1.0Å/s，蒸镀的气压环境小于3×10-4Pa，然后在Al层上蒸镀出厚度为0.7-0.9nm的NaCl层，其蒸镀的速率0.05-0.08Å/s，蒸镀的气压环境小于3×10-4Pa，形成阴极缓冲层；3）吸光层的制备：在充满N2的手操箱中，以800rpm的转速将P3HT：PC61BM溶液旋涂到阴极缓冲层上，旋涂时间为60s，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；4）空穴传输层的制备：利用真空蒸镀设备在吸光层上蒸镀空穴传输材料氧化钼；蒸镀的速率为0.1Å/s~0.5Å/s，其蒸镀的气压环境小于3×10-4Pa；5）金属阳极的制备：利用真空蒸镀设备在空穴传输层上蒸镀金属，形成金属阳极，金属阳极的厚度为80nm~120nm，蒸镀速率为5Å/s~8Å/s，其蒸镀的气压环境小于3×10-4Pa。所述P3HT：PC61BM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。有益效果：(1)、本专利技术使用的铝和氯化钠复合的结构较为新颖，制备工艺简单，适合大面积生产，是被我们首次提出。（2）、本专利技术使用的铝和氯化钠两种无机材料，在自然界储量丰富，价格低廉，对环境没有任何污染，大大降低了有机太阳能电池造价昂贵和材料对环境的污染问题。（3）、本专利技术使用的铝和氯化钠复合修饰ITO，有效将ITO表面功函数降低到4.0eV,，减小了ITO表面与有源层之间的能级势垒，提高了从有源层到ITO表面的电子提取能力。（4）、本专利技术使用铝和氯化钠复合做阴极缓冲层，有效提高了缓冲层界面的疏水性，接触角为60.7°，更易于与具有疏水特性的有源层接触。（5）、本专利技术使用铝和氯化钠复合做阴极缓冲层，降低了有源层表面的粗糙度，能达到1.02nm,，并产生一定程度的相分离，高度有序的链状P3HT降低了激子的复合，更易于溶于二氯苯溶液，得到更好的表面形态，进而提高整个器件的性能。（6）、本专利技术使用铝和氯化钠复合做阴极缓冲层修饰倒置有机太阳能电池，倒置结构器件中不包含易腐蚀和易吸水的空穴传输材料PEDOT:PSS以及低功函数金属电极，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。（7）、本专利技术使用Al作为金属阳极，成本低廉，对环境无污染。（8）、本专利技术使用的封装方式采用先涂抹环氧树脂，再用紫外灯光照15分钟。这种封装方式不仅操作过程简单，而且能达到很好的封装效果。附图说明图1是实施例3制得的倒置有机太阳能电池的器件结构图；图2是实施例1-3制得的倒置有机太阳能电池器件的J-V曲线图；图3是实施例1-3中ITO玻璃上蒸镀缓冲层之后的表面和裸露ITO玻璃表面的UPS能谱图；图4a为裸露ITO玻璃和实施例3制得NaCl/Al/ITO中的In3d5/2和In3d3/2的XPS能谱图；图4b为裸露ITO玻璃和实施例3制得NaCl/Al/ITO中的Sn3d5/2和Sn3d3/2的XPS能谱图；图4c为裸露ITO玻璃和实施例3制得NaCl/Al/ITO中的O1s的XPS能谱图；图4d为Na本身和实施例3制得NaCl/Al/ITO中的Na1s的XPS能谱图；图5是实施案例1-3中被不同阴极缓冲层修饰的ITO表面接触角和沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述倒置有机太阳能电池结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阴极、阴极缓冲层、吸光层、空穴传输层、金属阳极。

【技术特征摘要】
1.一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述倒置有机太阳能电池结构自下至上的顺序设置为：透明衬底、透明阴极、阴极缓冲层、吸光层、空穴传输层、金属阳极。2.根据权利要求1所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层为双层复合结构，上层材料为氯化钠，下层材料为铝。3.根据权利要求1所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，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，受体材料为[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯PC61BM。4.根据权利要求1所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层材料为氧化钼MoO3。5.根据权利要求1所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述金属阳极的材料为Al、Ag、Au中的一种。6.根据权利要求1所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述透明阴极材料为氧化铟锡ITO。7.根据权利要求1所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池，其特征在于：所述透明衬底材料为透明玻璃。8.根据权利要求1-7所述的一种以铝和氯化钠作为阴极缓冲层的倒置有机太阳能电池的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：1）透明阴极及透明衬底选用ITO导电玻璃，将刻蚀好并清洗干净的ITO导电玻璃用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏梅，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