為電子傳輸層的有機(jī)光伏電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池薄膜材料與器件領(lǐng)域，具體涉及一種以La-T12S電子傳輸層的有機(jī)光伏電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，能源與環(huán)境已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。世界各國(guó)都在開發(fā)綠色環(huán)保的新能源，相比于石油、煤炭等其他有限的資源，太陽(yáng)能的開發(fā)和利用是人類解決能源危機(jī)的有效途徑之一，并且受到了全世界研宄學(xué)者的大力關(guān)注和研宄。太陽(yáng)能在航空、國(guó)防軍事、普通照明等很多領(lǐng)域都有著非常重大的應(yīng)用。并且在新時(shí)代能源消耗如此巨大的前提下，太陽(yáng)能因其環(huán)?？沙掷m(xù)等優(yōu)點(diǎn)成為焦點(diǎn)。根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為:娃太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池。其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。但硅的提純對(duì)環(huán)境是一個(gè)重污染過程。并且因?yàn)槌杀靖?，產(chǎn)品價(jià)格一直居高不下，很難大量推廣使用。
[0003]多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵II1-V族化合物、硫化鎘及銅錮砸薄膜電池等。但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代產(chǎn)品。
[0004]以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是近幾年開始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制造的新的研宄方向。由于有機(jī)材料具有輕便、易加工、保護(hù)環(huán)境、材料來源廣泛、成本底等優(yōu)點(diǎn)已成為全世界學(xué)者研宄的對(duì)象而得以快速的發(fā)展，對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義，成為當(dāng)今可再生能源中最有前景的一種。
[0005]傳統(tǒng)的正置結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為世界研宄學(xué)者一時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)，但是由于其在空氣中的穩(wěn)定性差，易被空氣氧化等不足，因此研宄學(xué)者開發(fā)了倒置結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池，對(duì)于提高電池穩(wěn)定性以及電池效率都取得了很大的突破。
[0006]目前，國(guó)內(nèi)外研宄學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)聚合物應(yīng)用于太陽(yáng)能電池中較為理想的倒置結(jié)構(gòu)是:導(dǎo)電玻璃/T12/ P3HT:PCBM/Mo03/A1 ;ΙΤ0 ;其中:ΙΤ0是摻錫的氧化銦，作為電池的陽(yáng)極；Ti02作為電子傳輸層，1100 3作為空穴傳輸層；由P3HT (聚3-已基噻吩)組成的網(wǎng)構(gòu)成電子施主，由PCBM (C60衍生物)組成的網(wǎng)構(gòu)成了電子受體和電子傳輸層，P3HT和PCBM組成的混合溶液作為光敏層，Al是陰極。
[0007]由于單純的T12電子傳輸層對(duì)于電池效率的提高有限。因此研宄人員想到了用金屬離子摻雜T12來提高T12薄膜的性能，從而進(jìn)一步提高電池的效率。目前，用金屬離子摻雜T12作為電子傳輸層有機(jī)太陽(yáng)能電池曾經(jīng)有過報(bào)道。其中Superlatticesand Microstructures 干Ij 上報(bào)道(Ranjitha A, Muthukumarasamy N, Thambidurai M,Velauthapillai D, Madhan Kumar A, Gasem ZM.1nverted organic solar cellsbased on Cd—doped T12 as an electron extract1n layer.Superlattices andMicrostructures.2014;74:114-22.):用Cd摻雜TiCV薄膜取代T12作為電池的電子傳輸層，效率從2.6%提高到了 3.06%。其制備方法為溶膠凝膠法，但是由于Cd離子是具有很強(qiáng)的毒性，對(duì)于環(huán)境會(huì)造成污染，不適合大量使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)上述T12對(duì)于電池效率提高的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種以La-T12S電子傳輸層的有機(jī)光伏電池及其制備方法。該光伏電池成本低廉、穩(wěn)定、耐腐蝕性較好，對(duì)環(huán)境友好，易于大范圍生產(chǎn)。
[0009]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種以La_Ti02_透明薄膜為電子傳輸層的有機(jī)光伏電池，包括氧化物透明導(dǎo)電襯底、電子傳輸層、有機(jī)活性層，空穴傳輸層和金屬電極，所述的電子傳輸層是將La-T12溶液經(jīng)溶膠凝膠法漩涂在氧化物透明導(dǎo)電襯底上而形成的La-T12透明薄膜。
[0010]所述的La-T12透明薄膜中La的摻雜比例為0.25_2wt%。
[0011]所述氧化物透明導(dǎo)電襯底為ITO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、FTO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、AZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、或ITAZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料。
[0012]所述有機(jī)活性層為P3HT: PCBM(由聚3_已基噻吩和C60衍生物組成的混合溶液作為光敏層)。
[0013]所述空穴傳輸層是MoO3薄膜。
[0014]上述金屬電極為Al電極或Ag電極。
[0015]本發(fā)明還提供了上述以La-T12為電子傳輸層的有機(jī)光伏電池的制備方法，包括:
(1)清洗氧化物透明導(dǎo)電襯底并烘干；
(2)用溶膠凝膠方法在透明導(dǎo)電襯底上漩涂La-T12前軀體溶液；漩涂好的La-T12透明薄膜在馬弗爐中高溫煅燒；在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在La-TiCV薄膜上甩上有機(jī)活性層；
(3)在活性層上熱蒸發(fā)沉積MoO3空穴傳輸層；
(4)電極的制備:在有機(jī)活性層表面蒸發(fā)金屬電極，通過惰性氣體保護(hù)下后退火(150°C下烘烤 15 min)o
[0016]上述用溶膠凝膠法制備La-TiCV薄膜的條件為:
(1)配置適當(dāng)摻雜比例的La-T12前軀體溶液；
(2)漩涂轉(zhuǎn)速是4000轉(zhuǎn)/分鐘；
(3)游涂時(shí)間是30s；
(4)煅燒溫度是550°C；
(5)煅燒時(shí)間是60min。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
(1)本發(fā)明用溶膠凝膠方法制備透明La-TiCV薄膜，成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、易于大面積生產(chǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的電子傳輸層(如T12),能夠進(jìn)一步提高電池的效率；本發(fā)明的薄膜太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率高；
(2)在以鑭摻雜二氧化鈦后，并將其作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的電子傳輸層，電池的短路電流、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率都有顯著的提高。
【附圖說明】
[0018]圖1為以1^_1102薄膜作為空穴傳輸層的有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；1-透明玻璃或柔性襯底，2-陽(yáng)極導(dǎo)電膜，3-La-Ti(V薄膜，4-P3HT: PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層，5^003薄膜，6-鋁電極(或銀電極)；
圖2為以T12為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為IT0/Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖3為以0.25% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為4000 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖4為以0.5% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為3500 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖5為以0.5% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為4000 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖6為以0.5% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為4500 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖7為以1% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為4000 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖8為以1.5% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為4000 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ MoO3Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線；
圖9為以2% La摻雜T12，轉(zhuǎn)速為4000 rpm制備的薄膜為電子傳輸層，結(jié)構(gòu)為ITO/La-Ti02/P3HT:PCBM/ Μο03/Α1的有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明以La-T12S電子傳輸層的有機(jī)光伏電池可采用下述步驟制備:
I前軀體溶液的制備
(1)取70mL無水乙醇，然后加入1.9mL的二乙醇胺；
(2)對(duì)步驟(I)中的溶液加熱40°C并持續(xù)攪拌30分鐘；
(3)攪拌30分鐘以后向溶液中加入9mL的鈦酸丁酯，保持40°C并持續(xù)攪拌40分鐘；
(4)取適量硝酸鑭粉末溶于無水乙醇；
(5)取適量硝酸鑭溶液和20mL的無水乙醇加入步驟(3)溶液中，保持40V并持續(xù)攪拌40分鐘；
(6)對(duì)所得的溶液靜置24小時(shí)后就得到了無色透明澄清的T12致密層溶液。
[0020]2襯底處理
試驗(yàn)中采用的基片是導(dǎo)電玻璃(ΙΤ0導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、FTO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、AZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、或ITAZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料，為市售產(chǎn)品)(參考文獻(xiàn):1.Guojia Fang, Dejie Li, et al., Fabricat1n and characterizat1nof ZAO thin films prepared by DC magnetron sputtering with a highly conductiveceramic target? J.Crystal Growth, 2003，247 (3-4): 393-400 ；2.Nanhai Sun,Guojia Fang, Qiao Zheng, MingjunWangj Nishuang Liuj Wei Liu and Xingzhong Zhao,Transparent conducting ITAZO anode films grown by a composite target RFmagnetron sputtering at room temperature for organic solar cells, SemiconductorScience & Technology, 24 (2009) 085025)，在試驗(yàn)前應(yīng)首先對(duì)基片進(jìn)行清洗。首先將導(dǎo)電玻璃片切成合適的形狀大小，用清潔劑將其清洗干凈，然后自來水沖洗，去離子水沖洗，接著將其放在超聲波清洗器中依次用去離子水、一次乙醇、一次丙酮、丙酮和乙醇各超聲清洗15分鐘，最后烤箱烘干即可得到表面潔凈的襯底。
[0021]3薄膜漩涂工藝過程
(1)將導(dǎo)電玻璃襯底放置于勻膠臺(tái)上，用機(jī)械泵抽氣吸片；
(2)將勻膠臺(tái)參數(shù)設(shè)置為:前轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為12s，后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為30s ；
(3)取適量1^-1102前軀體溶液滴于基片上，打開漩涂按鈕；
(4)將漩涂好的La-TiCV薄膜放置馬弗爐中550°C煅燒60min；
(5)薄膜煅燒完成后，關(guān)機(jī)取出樣品。
[0022]4太陽(yáng)能電池制備
(I)有機(jī)光敏層配方:用電子天平稱P3HT (Rieke Metals) 50.0毫克，PCBM (Nano C)40.0-60.0毫克?；旌虾?，將其溶解在2.0毫升的氯苯中。然后放在