CN109830600A - 一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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黄承稳
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Abstract

本发明公开了一种MXene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阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层。本发明采用高电导率、高透光性以及与ITO相匹配功函数的MXene为阳极修饰层材料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，最终表现出比相应PEDOT：PSS器件更高的光电转换效率。

Description

一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备 方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，特别涉及一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
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。
聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)是目前常用的阳极修饰层材料，但是PEDOT：PSS具有强酸性(pH＝1)和吸湿性而造成器件性能极不稳定，没有封装时放在空气中其能量转换效率在7天内会迅速衰减为零。目前，许多研究报道新的阳极修饰层材料以取代PEDOT：PSS，如V2O5，MoO3等金属氧化物(J.APPl.Phys.2011,110,033710；Adv.Funct.Mater.2012,22,2594-2605)，然而金属氧化物大部分需要在高真空下热沉积，这极大增加了电池的制作难度和生产成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种能显著提升光电转换效率的有机太阳能电池。
一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池，包括依次叠层设置的阳极基底、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层以及阴极层；所述阳极修饰层为二维MXene。
阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)。所述活性层为P3HT：PCBM，且活性层厚度为150-250nm。
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。
所述MXene的片大小为50-150nm，所述阳极修饰层的厚度为5-20nm。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。
优选的，阳极修饰层的厚度为5nm，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。
本发明的另一个目的在于提供一种MXene为阳极修饰层材料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；所述阳极修饰层为二维MXene；
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为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。
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8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滤液配制成浓度0.1～0.25mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为1000-3000rpm，时间为30-50s，阳极修饰层厚度为5-20nm；所述阳极修饰层旋涂完成后以130-170℃退火处理20-40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。
上述步骤三中，所述阴极修饰层为Ca，其厚度为10nm。
上述步骤三中，所述阴极层为铝，其厚度为100nm。
本发明的MXene阳极修饰层有机太阳能电池，采用高电导率、高透光性以及与ITO相匹配功函数的MXene为阳极修饰层材料。首先，MXene具有较高的电导率，可以有效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为本发明的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池结构示意图；
图2为MXene为阳极修饰层材料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
本发明提供一种MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池，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为阳极修饰层材料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，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为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。
本发明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；实施例中所用PEDOT:PSS溶液是购买自H.C.Starck公司，具体型号为Clevios PVPAl 4083。
下面结合附图，对本发明性能较优实施例进一步详细说明。
实施例1
本实施例1中的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池器件结构为：ITO/MXene/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；随后在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行5分钟的等离子表面处理。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂阳极修饰层；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滤液配制成浓度为0.2mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为2000rpm，时间为40s，阳极修饰层厚度为5nm；所述阳极修饰层旋涂完成后以150℃退火处理30分钟。
步骤4、在上述阳极修饰层表面旋涂活性层溶液；所述活性层制备工艺为：将P3HT和PCBM分散在邻二氯苯中，搅拌12小时，其中P3HT:PCBM质量比为1:1，P3HT浓度为20mg/ml；然后在已旋涂阳极修饰层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm；所述活性层旋涂完成后放置3小时自然晾干，随后以150℃退火处理5分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀阴极修饰层Ca，其厚度为10nm。
步骤6、在上述阴极修饰层表面蒸镀阴极层Al，其厚度为100nm。
上述步骤完成后得到MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。
对比例
对比例与实施例1制备条件基本相同，不同之处在于阳极修饰层为PEDOT:PSS。
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，其中曲线1为ITO阳极基底，曲线2为对比例中的阳极修饰层PEDOT:PSS，曲线3为实施例1中的阳极修饰层MXene；其中，对比例中太阳能电池的制备参见下述对比例的内容。从附图3可以看出与对比例相比，二者略有差异，在300～800nm范围内，透光率明显高于对比例。
图4和图5分别为实施例1的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池与对比例中PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池在光照和黑暗条件下的电流密度与电压关系曲线图；其中曲线1为对比例中PEDOT:PSS为阳极修饰层的有机太阳能电池(结构为：ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al)的电流密度与电压曲线，曲线2为实施例1的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池(结构为：ITO/MXene/P3HT:PCBM/Ca/Al)的电流密度与电压曲线；从附图4可以看出对比例中的有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.62V，短路电流密度(Jsc)为9.76mA/cm2；实施例1的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池其开路电压(Voc)为0.60V，短路电流密度(Jsc)为11.47mA/cm2。这说明高导电率的MXene能有效提高电荷传输效率，从而提高短路电流密度。黑暗条件下的电流密度与电压关系曲线进一步佐证实施例和对比例性能差异原因，数据均已在表中列出并附在相应分析中。
表1实施例1与对比例的各参数对比
实施例1与对比例的各参数对比见表1。从表1可以发现，实施例1的短路电流密度(Jsc)从9.76mA/cm2提升到11.47mA/cm2，这说明了MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池其载流子迁移率得到有效提升，从而使太阳能电池光电转换效率从3.48％提高到3.92％，转换效率提高了12.64％，同时，使Rsh变大和Rs变小。
实施例2
本实施例2中的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池器件结构为：ITO/MXene/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；随后在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行8分钟的等离子表面处理。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂阳极修饰层；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滤液配制成浓度0.1mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为1000rpm，时间为40s，阳极修饰层厚度为5nm；所述阳极修饰层旋涂完成后以150℃退火处理30分钟。
步骤4、在上述阳极修饰层表面旋涂活性层溶液；所述活性层制备工艺为：将P3HT和PCBM分散在邻二氯苯中，搅拌12小时，其中P3HT:PCBM质量比为1:1，P3HT浓度为20mg/ml；然后在已旋涂阳极修饰层表面上旋涂活性层溶液，转速为1000rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm；所述活性层旋涂完成后放置2.5小时自然晾干，随后以150℃退火处理5分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀阴极修饰层Ca，其厚度为10nm。
步骤6、在上述阴极修饰层表面蒸镀阴极层Al，其厚度为100nm。
上述步骤完成后得到MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。
实施例3
本实施例3中的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池器件结构为：ITO/MXene/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；随后在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行10分钟的等离子表面处理。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂阳极修饰层；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滤液配制成浓度0.15mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为3000rpm，时间为40s，阳极修饰层厚度为5nm；所述阳极修饰层旋涂完成后以130℃退火处理30分钟。
步骤4、在上述阳极修饰层表面旋涂活性层溶液；所述活性层制备工艺为：将P3HT和PCBM分散在邻二氯苯中，搅拌12小时，其中P3HT:PCBM质量比为1:1，P3HT浓度为20mg/ml；然后在已旋涂阳极修饰层表面上旋涂活性层溶液，转速为800rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm；所述活性层旋涂完成后放置3小时自然晾干，随后以150℃退火处理3分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀阴极修饰层Ca，其厚度为10nm。
步骤6、在上述阴极修饰层表面蒸镀阴极层Al，其厚度为100nm。
上述步骤完成后得到MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。
实施例4
本实施例4中的MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池器件结构为：ITO/MXene/P3HT:PCBM/Ca/Al。
上述有机太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；随后在80℃真空干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阳极基底(ITO)表面进行5分钟的等离子表面处理。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂阳极修饰层；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滤液配制成浓度0.25mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为2000rpm，时间为40s，阳极修饰层厚度为5nm；所述阳极修饰层旋涂完成后以170℃退火处理30分钟。
步骤4、在上述阳极修饰层表面旋涂活性层溶液；所述活性层制备工艺为：将P3HT和PCBM分散在邻二氯苯中，搅拌12小时，其中P3HT:PCBM质量比为1:1，P3HT浓度为20mg/ml；然后在已旋涂阳极修饰层表面上旋涂活性层溶液，转速为1500rpm，时间为40s，活性层厚度为200nm；所述活性层旋涂完成后放置2小时自然晾干，随后以150℃退火处理8分钟。
步骤5、在上述活性层表面蒸镀阴极修饰层Ca，其厚度为10nm。
步骤6、在上述阴极修饰层表面蒸镀阴极层Al，其厚度为100nm。
上述步骤完成后得到MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池。
实施例2-4与对比例的各参数对比见表2。参见表2，通过对比实施例2、实施例3和实施例4有机太阳能电池各参数可以看出：对比例的转换效率为3.48％(Jsc为9.76mA/cm2，Voc为0.62V，FF为57.43％)。相比之下，以MXene为阳极修饰层材料的器件性能得到极大改善，MXene浓度为0.2mg/ml时，提升最为显著，相应Rsh最大，Rs最小，随着浓度的继续增加，转换效率呈降低趋势，这是由于MXene浓度过大，膜太厚，导致膜具有更大的串联电阻。综上，MXene浓度为0.2mg/ml时，器件性能最优。
表2实施例2-4与对比例的各参数对比
上述实施例仅代表了本发明的几种实施方式，其描述较为具体详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应指出的是，对于从事本领域的技术人员来说，在没有脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种MXene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、阴极修饰层以及阴极层；所述阳极修饰层材料为MXene。
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5-20nm。
5.权利要求1-4任一项所述MXene为阳极修饰层材料的有机太阳能电池制备方法，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、活性层；所述阳极修饰层材料为MXene；
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，制得所述有机太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，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12-24h；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。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述阳极修饰层制备工艺为：首先将MXene水溶液超声分散均匀，用0.22μm的有机滤芯过滤，其次将上述MXene滤液配制成浓度0.1~0.25mg/ml的溶液；最后在已等离子表面处理的阳极基底上旋涂阳极修饰层，转速为1000-3000rpm，时间为30-50s；所述阳极修饰层旋涂完成后以130-170℃退火处理20-40分钟。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述活性层制备工艺为：将P3HT和PCBM分散在邻二氯苯中，搅拌8-24h小时得到活性层溶液，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；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。
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