基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池及制备方法技术

本发明专利技术属于有机半导体薄膜太阳能电池领域，公开了一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池及制备方法，该有机太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；所述阴极缓冲层为不同直径大小的ZnO纳米颗粒分散液。利用不同直径大小的ZnO纳米颗粒制备的有机太阳能电池表现出了不同的光衰减特性，ZnO纳米颗粒尺寸越大的器件性能衰减的越低，在x射线，γ射线中效果尤为明显，为有机光电子器件进入太空奠定了基础。光衰减的原因在于在器件面积相同的情况下，ZnO纳米颗粒尺寸越大，不同颗粒间的空隙范围越小，减少了阴极缓冲层中的缺陷，提升了阴极缓冲层的电子传输能力。

Organic solar cells based on different ZnO nanoparticles with low attenuation characteristics and their preparation methods

The invention belongs to the field of organic semiconductor thin film solar cell, and discloses an organic solar cell and a preparation method based on the low attenuation characteristics of different ZnO nanoparticles. The organic solar cell adopts a reverse structure, from the bottom to the top, the substrate, transparent conductive cathode ITO, cathode buffer layer, photo active layer, anode buffer layer and metal anode are successively arranged; the cathode buffer layer is ZnO nanoparticle dispersion with different diameters and sizes. The organic solar cells with different diameter and size of ZnO nanoparticles show different light attenuation characteristics. The larger the size of ZnO nanoparticles, the lower the performance attenuation of the devices. The effect is particularly obvious in X-ray and \u03b3 ray, which lays a foundation for the organic optoelectronic devices to enter space. The reason of light attenuation is that the larger the size of ZnO nanoparticles is, the smaller the gap between different particles is, which reduces the defects in the cathode buffer layer and improves the electronic transmission capacity of the cathode buffer layer.

【技术实现步骤摘要】
基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池及制备方法
本专利技术涉及有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种高响应度及高稳定性的基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着世界经济的发展，能源消耗、环境污染等问题日益成为世界各国关注的首要问题，传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘。太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，若把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率5％，每年发电量就可达5.6×1012千瓦/小时。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。根据太阳能电池光活性层材料的性质的不同，可以将光活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。无机半导体材料由于发展起步早，研究比较广泛，基于无机半导体材料的无机太阳能电池在太阳能电池应用中占据了主导地位。但是无机半导体材料本身有其不足之处，比如加工工艺非常复杂、材料要求苛刻、不易进行大面积柔性加工、某些材料具有毒性等，这些缺点制约了无机太阳电池的进一步发展。与无机半导体材料相比，基于有机半导体材料的有机太阳能电池，不仅具有与无机太阳能电池相同的最高理论光电转换效率,而且还具有质量轻、可湿法成膜、能加工成特种形状、易制成柔性器件、甚至可以实现全塑料化等显著优势，目前己经成为国内外研究的热点之一，也是解决能源危机的希望所在。然而，与无机太阳能电池已经大规模生产相比，有机太阳能电池由于其目前的光电转换效率还相对较低，其商用化还尚需时日。在各种提高有机太阳能电池光电转换效率的措施中，制备合适的阴极缓冲层是一种十分有效方法。当前，普遍应用的阴极缓冲层材料为可溶性的n型无机金属化合物，如ZnO、TiOx和Cs2CO3，其中以ZnO应用最为广泛。但是，采用旋涂ZnO纳米颗粒分散液作为阴极缓冲层时，由于不同尺寸ZnO颗粒之间的间隙不同，形成缺陷的程度不同，从而导致载流子的传输与分离情况不同，这就导致不同尺寸ZnO纳米颗粒制备的器件光衰减程度大相径庭。因此，研究如何优化和选择无机金属化合物阴极缓冲层，是提高有机太阳能电池光电转换效率的有效途径，也是目前有机太阳能电池领域研究的重点及难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池及制备方法，解决由于小尺寸ZnO颗粒之间的间隙较大，分散性差，容易形成缺陷，从而导致载流子的传输与分离受阻且光衰减大，同时大尺寸ZnO纳米颗粒薄膜的界面较为粗糙，使得器件拥有较大的界面接触电阻与较高的载流子复合几率，这都将严重制约器件的性能的问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，所述有机太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极，所述阴极缓冲层为不同直径大小的ZnO纳米颗粒分散液，所述ZnO纳米颗粒的直径范围是10～120nm，所述阴极缓冲层厚度范围为30～60nm。进一步地，所述光活性层由电子给体材料PBDB-T与电子受体材料ITIC的混合溶液制备而成，其厚度范围为50～300nm；所述混合溶液中电子给体材料PBDB-T和电子受体材料ITIC的质量百分比为1:1，所述混合溶液的浓度为10～30mg/ml，所述电子给体材料PBDB-T与电子受体材料ITIC均属于非富勒烯体系的常用材料，在此不做赘述。进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，其厚度范围为5～20nm。进一步地，所述金属阳极材料为Ag、Al和Au中的一种或多种，其厚度范围为100～200nm。进一步地，所述衬底材料为透明聚合物，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、聚酰亚胺、氯醋树脂和聚丙烯酸的一种或多种。一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池的制备方法，制备过程包括以下步骤：1)对由衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；2)把不同直径大小的ZnO纳米颗粒分散液用无水乙醇稀释10～100倍，然后置于搅拌台上搅拌，制备得到ZnO纳米颗粒分散液；3)在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂不同直径大小的ZnO纳米颗粒分散液，并将所形成的薄膜进行低温烘烤，制备得到阴极缓冲层；4)在阴极缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备PBDB-T:ITIC光活性层；5)在光活性层表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PEDOT:PSS溶液，并进行热退火；6)在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。进一步地，步骤(3)所述薄膜低温烘烤的温度范围在30～40℃，时间范围为10～30min。进一步地，步骤(5)所述阳极缓冲层热退火温度范围在120～140℃，时间范围为25～35min。进一步地，所述热退火和低温烘烤方式采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热的一种或多种。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术通过选用合适尺寸的ZnO纳米颗粒(直径约100nm)，减少了阴极缓冲层里的缺陷，增加了阴极缓冲层的导电性进而提升其电子传输能力。2.本专利技术通过选用合适尺寸的ZnO纳米颗粒(直径约100nm)，提高了阴极缓冲层的电子迁移率，减少了载流子的再复合几率。3.本专利技术通过选用合适尺寸的ZnO纳米颗粒(直径约100nm)，降低了器件的光衰减特性特别是在x射线，γ射线中的效果尤为明显，为有机光电子器件进入太空奠定基础。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图中标记为：1-衬底、2-透明导电阴极ITO、3-阴极缓冲层、4-光活性层、5-阳极缓冲层、6-金属阳极。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图1，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及透明导电阴极ITO2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO2表面旋转涂覆直径约为10nm的ZnO纳米颗粒(5000rpm,40s,50nm)制备阴极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行低温烘烤(30℃,20min)；在阴极缓冲层3上采用旋涂制备PBDB-T:ITIC(1:1,20mg/ml)光活性层4(2000rpm,50s,200nm)，在光活性层4表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000rpm,60s,30nm)制备阳极缓冲层5，并将所形成的薄膜进行热退火(130℃,30min)，在阴极缓冲层3上蒸镀金属阴极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底(1)，透明导电阴极ITO(2)，阴极缓冲层(3)，光活性层(4)，阳极缓冲层(5)，金属阳极(6)，所述阴极缓冲层(3)为不同直径大小的ZnO纳米颗粒分散液，所述ZnO纳米颗粒的直径范围是10～120nm，所述阴极缓冲层(3)厚度范围为30～60nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底(1)，透明导电阴极ITO(2)，阴极缓冲层(3)，光活性层(4)，阳极缓冲层(5)，金属阳极(6)，所述阴极缓冲层(3)为不同直径大小的ZnO纳米颗粒分散液，所述ZnO纳米颗粒的直径范围是10～120nm，所述阴极缓冲层(3)厚度范围为30～60nm。


2.根据权利要求1所述的一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，其特征在于，所述光活性层(4)由电子给体材料PBDB-T与电子受体材料ITIC的混合溶液制备而成，其厚度范围为50～300nm；所述混合溶液中电子给体材料PBDB-T和电子受体材料ITIC的质量百分比为1:1，所述混合溶液的浓度为10～30mg/ml。


3.根据权利要求1所述的一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层(5)材料为PEDOT:PSS，其厚度范围为5～20nm。


4.根据权利要求1所述的一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极(6)材料为Ag、Al和Au中的一种或多种，其厚度范围为100～200nm。


5.根据权利要求1所述的一种基于不同ZnO纳米颗粒低衰减特性的有机太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)材料为透明聚合物，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、聚酰亚胺、氯醋树脂和聚丙烯酸的一种或多种。

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【专利技术属性】
技术研发人员：于军胜，张晓华，赵聃，侯思辉，韩于，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51