CN111883665A - 一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池及其制备方法，属于光电器件领域，自下而上依次包括基板、电极层、电子传输层、有机功能层、空穴传输层及金属电极层，所述电子传输层掺杂有质量分数为0.5‑3.5％的P型半导体纳米颗粒，所述空穴传输层掺杂有质量分数为0.5‑3.5％的N型半导体纳米颗粒。本发明通过在电荷传输层内部掺杂纳米粒子构建内部电场，提高载流子的传输和收集效率，具有提高光电转换效率的良好性能，且制备方法简单高效，适用于规模化生产。

Description

一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太 阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，尤其涉及一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机太阳能电池由于具有成本低，可弯曲等特点，在众多资源节约，环境保护，能源利用，家居日用等方面具有广泛的应用。为了满足实际应用的要求，有机太阳能电池应该具有较高的光电转换效率和长时间的使用寿命以实现较高效率的能源使用。但由于有机太阳能电池机理复杂，且产生的激子较难分离，因此有机太阳能电池的在产生光生激子之后往往比较难以分离成自由的电子和空穴，进而导致光电转换效率也较低。因此，如何在保证产生较多的光生激子的同时，提高光生激子分离成自由电子和空穴减少激子复合产生的能量损失成为了有机太阳能电池研究的重点和难点。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述液有机太阳能电池产生的光生激子不易产生自由电子和空穴易复合产生的能量损失，载流子传输效率低导致器件性能较低的问题，本发明提供一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，自下而上依次包括基板、电极层、电子传输层、有机功能层、空穴传输层及金属电极层，所述电子传输层掺杂有质量分数为0.5-3.5％的P型半导体纳米颗粒，所述空穴传输层掺杂有质量分数为0.5-3.5％的N型半导体纳米颗粒。
本发明通过在电荷传输层内部掺杂纳米粒子构建内部电场，提高载流子的传输和收集效率，具有提高光电转换效率的良好性能，且制备方法简单高效，适用于规模化生产。
优选的，所述电子传输层的原料为PC61BM、ZnO、MoOx、NiOx、TiO2、SnOx，PFN，PEIE和PANIO中的任意一种或几种，其中x的取值为2或3，所述电子传输层掺杂的P型半导体纳米颗粒的材料为Cu1.8S、Cu2O、TiO2、铟、铝、硼、锰中的任意一种或几种。
优选的，所述空穴传输层的原料为MnO3、PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiOm、TiO2、SnOx中的任意一种或几种，其中x的取值为2或3，其中m的取值为2或4；所述空穴传输层掺杂的N型半导体纳米颗粒的材料为砷、磷、锑、Ta2O5、银中的任意一种或几种。
优选的，所述电极层的原料为氧化铟锡(ITO)、金、银、铝、铜、银纳米线、钙和导电高分子薄膜中电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，厚度为2～30nm。
优选的，所述有机功能层为有机给受体材料体异质结PBDB-T:ITIC、PM6:Y6、PBDB-T:IT4F、PBTTT:PCBM、P3HT:PCBM、C60:CuPc中的任意一种，厚度为100nm-200nm。
优选的，所述金属电极层的原料为氧化铟锡(ITO)、金、银、铜、铝、钙电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，厚度为50～150nm。
一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗带有ITO电极的玻璃基片，烘干后紫外线氧化处理；
(2)在玻璃基片上旋涂掺杂了P型半导体纳米粒子的电子传输层，退火备用；
(3)将有机给受体溶液旋涂于电子传输层上，形成有机功能层，退火备用；
(4)在有机功能层上旋涂一层掺杂N型半导体的空穴传输层，退火备用；
(5)在空穴传输层上蒸镀银电极。
优选的，步骤(2)的具体的步骤为:大气条件下，将玻璃基片放置在旋涂仪上，滴40-60ul添加掺杂有质量分数为0.5-3.5％的P型半导体纳米颗粒的电子传输层原料的溶液，控制转速为4500-5500rpm，时间为50-70s，然后进行退火处理，退火温度控制在140-160℃，时间为10-20min。
优选的，步骤(3)的具体步骤为:将实验器件转移至手套箱中，在惰性氛围下在掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层上旋涂一层有机功能层，控制转速为3500-4500rpm、时间为15-25s，然后进行退火处理，退火温度控制在120-140℃，时间为10-20min。
优选的，步骤(4)的具体步骤为:将已经旋涂了有机功能层转移至真空蒸镀设备，在真空度小于(2-5)×10-3Pa的环境下蒸镀一层掺杂有质量分数为0.5-3.5％的N型半导体纳米颗粒空穴传输层的原料溶液，然后在真空环境下冷却20-30min。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明在电子传输层中掺杂P型半导体纳米颗粒，在空穴传输层掺杂N型半导体纳米颗粒，可以在形成通路之后构建内部电场，使激子分离成自由电子空穴的能力增加，并且提升了电子和空穴的载流子迁移率，使得器件可以提高性能；
(2)本发明通过对电子传输层和空穴传输层的掺杂，改变了传输层的费米能级，可以通过控制掺杂浓度进而实现传输层与有机功能层之间的能级匹配，有利于载流子的收集；
(3)本发明中，利用传统的有机太阳能电池结构，通过结合简单高效的旋涂工艺，只是在电荷的传输层有少量的掺杂即可以得到更高的光电转换能力，性价比极高；对于有机太阳能电池以及其他领域的探测器的大规模工业制备具有指导意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为在电荷传输层掺杂半导体纳米颗粒前后载流子传输和能级变化图；
图3为本发明所采用的电子给体材料PBDB-T、电子受体材料ITIC结构示意图；
图4为实例一与实例二的JV曲线比较。
图中标记为：1-基板，2-电极层，3-电子传输层，4-有机功能层，5-空穴传输层，6-金属电极层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明为了解决有机太阳能电池产生的光生激子不易产生自由电子和空穴易复合产生的能量损失，载流子传输效率低导致器件性能较低的问题。在电子传输层中掺杂低浓度的P型半导体纳米粒子，容易失去电子带正电，在空穴传输层中掺杂低浓度的N型半导体纳米粒子容易得到电子带负电，从而在活性层内部形成电场，对活性层产生的自由电子和空穴的有电场力的作用，有利于自由电子和空穴的传输和收集，降低活性层给受体界面的载流子浓度，促进激子分离。并且改变电子传输层和空穴传输层的能级，电荷传输层和活性层之间的能级结构更加匹配。(如图2所示)。
实施例1
一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，如图1所示，包括基板，所述基板有电极层，电极层上镀有掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层，所述掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层自下而上依次旋涂有有机功能层、掺杂N型半导体纳米粒子的空穴传输层，所述掺杂N型半导体纳米粒子的空穴传输层上镀有金属电极层。
其中，所述基板为玻璃基板。
电极层采用玻璃基板上带有的ITO透明导电电极。
掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层采用厚度为10nm的掺杂2wt％Cu2O纳米颗粒的ZnO薄膜。
有机功能层5采用厚度为150nm的PBDB-T:ITIC(结构式见图3)体异质结。
空穴传输层6采用厚度为10nm的掺杂2wt％砷纳米颗粒的MnO3薄膜。
金属电极层7采用厚度为100nm的银电极。
一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池的制备方法，包括以下制备步骤：
1.清洗基片：将带有导电电极2的玻璃基板依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，并且紫外线氧化15分钟。
2.旋涂掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层：在大气条件下，玻璃基板放置在旋涂仪上，滴50ul添加有2wt％Cu2O纳米颗粒的ZnO溶液，控制转速为5000rpm、时间为60s，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15min。
3.旋涂有机功能层：此时将实验器件转移至手套箱中，在氮气氛围下在掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层上旋涂一层有机功能层，控制转速为4000rpm、时间为20s，然后进行退火处理，退火温度控制在130℃，时间为15min。
4.蒸镀掺杂N型半导体纳米颗粒空穴传输层：将已经旋涂了有机功能层转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3×10-3Pa的环境下蒸镀一层掺杂有N型半导体纳米颗粒MnO3，然后在真空环境下冷却30min。
5.蒸镀金属电极6：再在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极。
在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.884577V，短路电流(JSC)＝14.5886mA/cm2，填充因子(FF)＝0.619375，能量转换效率(PCE)＝7.99286％。
实施例2：对照例
在实施例1的基础上，本实施例与实施例1的不同之处在于，将电子传输层和空穴传输层不做任何掺杂，不够建器件的内部电场，用传统的工艺来制作有机太阳能电池，与实例1构成对照组。
基板用玻璃基板，电极层用ITO电极，电子传输层用ZnO，有机功能层用PBDB-T:ITIC体异质结，空穴传输层用MoO3，电极层6用银电极。
具体制备方如下：
1.清洗基片：将带有导电电极2的玻璃基板依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，并且紫外线氧化15分钟。
2.旋涂电子传输层：在大气条件下，玻璃基板放置在旋涂仪上，滴50ul ZnO溶液，控制转速为5000rpm、时间为60s，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15min。
3.旋涂有机功能层：此时将实验器件转移至手套箱中，在氮气氛围下在电子传输层上旋涂一层有机功能层，控制转速为4000rpm、时间为20s，然后进行退火处理，退火温度控制在130℃，时间为15min。
4.蒸镀空穴传输层：将已经旋涂了有机功能层转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3×10-3Pa的环境下蒸镀一层MnO3，然后在真空环境下冷却30min。
5.蒸镀金属电极6：再在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极。
在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.868293V，短路电流(JSC)＝13.9225mA/cm2，填充因子(FF)＝0.582131，能量转换效率(PCE)＝7.03727％。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，自下而上依次包括基板、电极层、电子传输层、有机功能层、空穴传输层及金属电极层，其特征在于，所述电子传输层掺杂有质量分数为0.5-3.5％的P型半导体纳米颗粒，所述空穴传输层掺杂有质量分数为0.5-3.5％的N型半导体纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的原料为PC61BM、ZnO、MoOx、NiOx、TiO2、SnOx，PFN，PEIE和PANIO中的任意一种或几种，其中x的取值为2或3，所述电子传输层掺杂的P型半导体纳米颗粒的材料为Cu1.8S、Cu2O、TiO2、铟、铝、硼、锰中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层的原料为MnO3、PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiOm、TiO2、SnOx中的任意一种或几种，其中x的取值为2或3，其中m的取值为2或4；所述空穴传输层掺杂的N型半导体纳米颗粒的材料为砷、磷、锑、Ta2O5、银中的任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，其特征在于，所述电极层的原料为氧化铟锡、金、银、铝、铜、银纳米线、钙和导电高分子薄膜中电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，厚度为2～30nm。
5.根据权利要求1所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机功能层为有机给受体材料体异质结PBDB-T:ITIC、PM6:Y6、PBDB-T:IT4F、PBTTT:PCBM、P3HT:PCBM、C60:CuPc中的任意一种，厚度为100nm-200nm。
6.根据权利要求1所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属电极层的原料为氧化铟锡、金、银、铜、铝、钙电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，厚度为50～150nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗带有ITO电极的玻璃基片，烘干后紫外线氧化处理；
(2)在玻璃基片上旋涂掺杂了P型半导体纳米粒子的电子传输层，退火备用；
(3)将有机给受体溶液旋涂于电子传输层上，形成有机功能层，退火备用；
(4)在有机功能层上旋涂一层掺杂N型半导体的空穴传输层，退火备用；
(5)在空穴传输层上蒸镀银电极。
8.根据权利要求7所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)的具体的步骤为:大气条件下，将玻璃基片放置在旋涂仪上，滴40-60ul添加掺杂有质量分数为0.5-3.5％的P型半导体纳米颗粒的电子传输层原料的溶液，控制转速为4500-5500rpm，时间为50-70s，然后进行退火处理，退火温度控制在140-160℃，时间为10-20min。
9.根据权利要求8所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)的具体步骤为:将实验器件转移至手套箱中，在惰性氛围下在掺杂P型半导体纳米粒子的电子传输层上旋涂一层有机功能层，控制转速为3500-4500rpm、时间为15-25s，然后进行退火处理，退火温度控制在120-140℃，时间为10-20min。
10.根据权利要求9所述的一种通过在电荷传输层掺杂纳米粒子构建内部电场的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)的具体步骤为:将已经旋涂了有机功能层转移至真空蒸镀设备，在真空度小于(2-5)×10-3Pa的环境下蒸镀一层掺杂有质量分数为0.5-3.5％的N型半导体纳米颗粒空穴传输层的原料溶液，然后在真空环境下冷却20-30min。
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