一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法，该有机光伏电池从下至上依次包括透明衬底层、金属阴极层、梯度扩散复合界面层、有机活性层、空穴传输层及金属阳极层，其中，梯度扩散复合界面层中的材料包括无机金属氧化物及有机半导体分子；制备时依次在各层上制备相应的层即可。本发明专利技术有机光伏电池的光电转化效率相比于传统金属氧化物以及有机/无机双层界面层电池显著提高，其一方面能够钝化无机界面材料的表面缺陷，降低物理缺陷导致的电荷复合几率，另一方面通过构筑具有梯度扩散结构的有机无机复合界面层，能够降低活性层与界面层能级差过大带来的电荷界面传输问题。

An Organic Photovoltaic Cell Based on Organic/Inorganic Gradient Diffusion Interface Layer and Its Preparation Method

The invention discloses an organic photovoltaic cell based on an organic/inorganic gradient diffusion interface layer and a preparation method thereof. The organic photovoltaic cell comprises a transparent substrate layer, a metal cathode layer, a gradient diffusion composite interface layer, an organic active layer, a hole transport layer and a metal anode layer from bottom to top. The materials in the gradient diffusion composite interface layer include inorganic metal oxides and a metal anode layer. Organic semiconductor molecules; the corresponding layers can be prepared on each layer in turn. Compared with traditional metal oxides and organic/inorganic double-layer interfacial layer cells, the photovoltaic conversion efficiency of the organic photovoltaic cell of the present invention is significantly improved. On the one hand, it can passivate the surface defects of inorganic interfacial materials, reduce the charge recombination probability caused by physical defects, on the other hand, it can reduce the active layer and boundary by constructing an organic-inorganic composite interfacial layer with gradient diffusion structure. The problem of charge interface transmission caused by the large difference of energy levels in the surface layer.

【技术实现步骤摘要】
一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法
本专利技术属于有机光伏电池领域，尤其涉及一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法。
技术介绍
随着人类对能源需求的不断增大，传统的不可再生化石能源已经不能完全满足人们对可持续发展的需求。为了解决日益严峻的能源问题以及环境问题，以太阳能为代表的清洁可再生能源越来越受到人们的广泛关注。尽管基于硅基的无机太阳能电池目前已经实现产业化，但同时制造过程中所产生的污染与能耗问题则与人类的可持续发展的目标相悖。因此，研究和发展高效、稳定且低成本的新型太阳能电池对于推动人类和社会的发展具有重要意义。有机光伏电池(OSCs)由于具有可印刷、价格低廉、质轻以及易弯曲等优势，常常被看作下一代光伏器件。近些年来，得益于新型有机半导体材料(包括给体材料与受体材料)的设计、器件物理结构的优化以及活性层形态的合理调控，OSCs的光电转化效率(PCEs)取得了大幅提高。目前PSCs的单节器件的最高PCE已达到15％，而叠层器件的最高PCE值则达到了17％以上。尽管新型活性层材料的出现不断刷新着OSCs的最高器件效率，但最佳的光伏器件效率几乎都离不开器件界面结构的优化。有机光伏电池的光电转化过程一般包含以下几个步骤：光吸收产生激子、激子扩散至给体/受体界面、激子分离形成自由电荷、自由电荷的传输以及收集过程。在有机光伏电池中，有机光活性层与无机金属电极之间的界面接触情况会直接影响活性层中产生的自由电荷向相应电极的传输与收集过程。因此，人们通过设计各类界面层材料来改善二者的界面性质，提高载流子的传输与收集效率，从而实现PSCs器件性能的进一步提高。综合以上研究现状，为了优化传统无机金属氧化物界面层的传输性质，同时改善活性层与界面层的物理接触，构筑具有新型结构的复合界面层对于进一步提升有机光伏电池的器件效率具有重要的意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的时提供一种能够显著提高光电转化效率、基于有机/无机梯度扩散界面层的高性能的有机光伏电池；本专利技术的第二目的是提供该有机光伏电池的制备方法。技术方案：本专利技术基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，从下至上依次包括透明衬底层、金属阴极层、梯度扩散复合界面层、有机活性层、空穴传输层及金属阳极层；其中，所述梯度扩散复合界面层中的材料包括无机金属氧化物与有机半导体分子。本专利技术采用无机金属氧化物与有机半导体分子构筑具有梯度扩散界面结构的复合界面层，两种材料形成的复合薄膜没有清晰的两相界面，在两种材料的接触区形成扩散区域，不仅改善了无机金属电极与有机活性层之间的界面接触，同时也避免了在界面层中引入新的有机/无机界面，从而减少了界面势垒和缺陷，能够有效调控载流子的传输通道，降低载流子陷阱捕获几率等；同时所形成的两组分的浓度扩散结构有助于构筑瀑布式能级梯度，从而进一步促进载流子的传输能力的提高，最终提高有机光伏器件的光电转化效率。优选的，本专利技术采用的无机金属氧化物包括氧化锌或氧化钛，有机半导体分子包括富勒烯衍生物小分子、非富勒烯小分子或有机双极性分子；其中，无机金属氧化物靠近金属阴极层，有机半导体分子靠近有机活性层。本专利技术所采用的金属氧化物与有机半导体分子的能级结构相匹配，金属氧化物比有机半导体分子需具有更高的电子亲和势。优选的，本专利技术有机活性层的材料由p型有机半导体材料及n型有机半导体材料共混组成。进一步说，本专利技术透明衬底层的厚度为1～1.5cm，金属阴极层的厚度为80～110nm，梯度扩散复合界面层的厚度为30～50nm，有机活性层的厚度为80～120nm，空穴传输层的厚度为5～10nm，金属阳极层的厚度为80～120nm。本专利技术制备上述基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池的方法，包括如下步骤：(1)在透明衬底层上制备金属阴极层；(2)在金属阴极层上旋涂无机金属氧化物溶液，旋涂的时间为40～60s，在旋涂20～30s时，滴加有机半导体分子溶液，随后在空气中、150～200℃条件下退火0.5～1h，制得梯度扩散复合界面层；(3)在梯度扩散复合界面层上旋涂有机活性材料溶液，随后在室温条件下晾干，制得有机活性层；(4)在有机活性层上蒸镀空穴传输层材料，制得空穴传输层；(5)在空穴传输层上蒸镀金属阳极材料，制得金属阳极层。再进一步说，步骤(2)中，所述无机金属氧化物溶液由如下步骤制得：将醋酸盐和乙醇胺按质量比1:0.28～0.40溶于乙二醇单甲醚溶剂中，常温均匀搅拌12-14h，制得浓度为70～100g/L的溶胶。有机半导体分子溶液由如下步骤制得：将有机半导体分子溶于弱极性溶剂中，制得浓度0.5～2mg/ml的有机半导体分子溶液。步骤(3)中，有机活性材料溶液由如下步骤制得：将富勒烯衍生物或非富勒烯的小分子与有机聚合物分散在溶剂中，搅拌过夜即可。更进一步说，步骤(2)中，旋涂的速率为2000～2500rpm。步骤(4)中，蒸镀速率为0.5～1.0A/Hz，蒸镀的气压环境小于5×10-4Pa。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：该有机光伏电池的光电转化效率相比于传统的金属氧化物以及有机/无机双层界面层的器件，光电转化效率显著提高，其通过构筑具有有机/无机梯度扩散界面结构的复合界面层，调节有机功能分子与无机金属氧化物的溶剂基质环境，控制两组分的扩散程度，进而能够消除有机/无机双层界面层本身可能存在的界面壁垒，形成梯度扩散的复合膜层形态，构筑有利于载流子传输的瀑布式能级结构，改善有机太阳能电池界面载流子传输性能；同时，还能够改善活性层与界面层的物理接触，降低载流子从活性层向界面层传输过程中的电荷捕获几率，同时对活性层中给体/受体材料的垂直分布起到调节作用；此外，在制备时采用一步溶液旋涂方法制备有机/无机梯度扩散界面结构的复合界面层，方法简便，可操作性强，且只需通过更换能级匹配的有机半导体分子即可实现无机金属氧化物表面性质的调控。附图说明图1为本专利技术有机光伏电池的结构示意图；图2为本专利技术梯度扩散复合界面层的原子力显微镜(AFM)高度图及薄膜表面的亲疏水性能；图3为旋涂法制备的金属氧化物薄膜的原子力显微镜(AFM)高度图及薄膜表面的亲疏水性能；图4为本专利技术有机光伏电池与金属氧化物光伏电池及有机/无机双层界面层光伏电池的J-V对比曲线图；图5是本专利技术有机光伏电池的暗态的J-V曲线图(低电压到高电压，-2V到2V)；图6为本专利技术有机光伏电池的短路电流密度(Jsc)的光强的依赖性。图7为本专利技术为具有不同有机半导体分子与金属氧化物ZnO梯度扩散界面的有机光伏电池的J-V对比曲线图；图8为有机半导体分子ITIC/ZnO梯度扩散界面中ITIC的不同掺杂浓度的有机光伏电池的J-V对比曲线图；图9为金属氧化物ZnO、有机半导体分子ITIC/ZnO梯度扩散界面及其刻蚀10s界面的O1s的XPS测试数据。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术的技术方案做进一步详细说明。如图1所示，本专利技术基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，其从下至上依次包括透明衬底层1、金属阴极层2、梯度扩散复合界面层3、有机活性层4、空穴传输层5及金属阳极层6。本专利技术的有机/无机梯度扩散界面层结构，该结构一方面可以钝化无机界面材料的表面缺陷，降低物理缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，其特征在于：其从下至上依次包括透明衬底层(1)、金属阴极层(2)、梯度扩散复合界面层(3)、有机活性层(4)、空穴传输层(5)及金属阳极层(6)；其中，所述梯度扩散复合界面层(3)中的材料包括无机金属氧化物及有机半导体分子。

【技术特征摘要】
1.一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，其特征在于：其从下至上依次包括透明衬底层(1)、金属阴极层(2)、梯度扩散复合界面层(3)、有机活性层(4)、空穴传输层(5)及金属阳极层(6)；其中，所述梯度扩散复合界面层(3)中的材料包括无机金属氧化物及有机半导体分子。2.根据权利要求1所述基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，其特征在于：所述无机金属氧化物包括氧化锌或氧化钛，有机半导体分子包括富勒烯衍生物、非富勒烯衍生物或有机双极性分子；其中，无机金属氧化物靠近金属阴极层(2)，有机半导体分子靠近有机活性层(4)。3.根据权利要求1所述基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，其特征在于：所述有机活性层(4)的材料为p型有机半导体材料及n型有机半导体材料。4.根据权利要求1所述基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，其特征在于：所述透明衬底层(1)的厚度为1～1.5cm，金属阴极层(2)的厚度为80～110nm，梯度扩散复合界面层(3)的厚度为30～50nm，有机活性层(4)的厚度为80～120nm，空穴传输层(5)的厚度为5～10nm，金属阳极层(6)的厚度为80～120nm。5.一种制备权利要求1所述基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在透明衬底层(1)上制备金属阴极层(2)；(2)在金属阴极层(2)上旋涂无机金属氧化物溶液，旋涂的时间为40～60s，在旋涂20～30s时，滴加有机半导体分子溶液，随后在空气氛围、150～200℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明光，陈润锋，李静，黄维，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32