基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池及制備方法，屬于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。本發(fā)明提供的有機(jī)太陽(yáng)能電池采用正型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為襯底，透明導(dǎo)電陽(yáng)極ITO，陽(yáng)極緩沖層，光活性層，陰極緩沖層，金屬陰極；所述陰極緩沖層為在ZnO納米顆粒分散液中同時(shí)摻入有機(jī)小分子材料1,4,5,8?萘四甲酸酐(NTCDA)和蟲(chóng)膠。摻入的有機(jī)小分子材料1,4,5,8?萘四甲酸酐(NTCDA)填充了ZnO納米顆粒之間的空隙，改善了ZnO納米顆粒的分散性，減少了陰極緩沖層中的缺陷，提升了陰極緩沖層的電子傳輸能力。同時(shí)通過(guò)摻入蟲(chóng)膠，使得ZnO納米顆粒和有機(jī)小分子材料的結(jié)合更加致密，降低了陰極緩沖層的表面粗糙度，提升了陰極緩沖層的電子收集能力，進(jìn)而提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說(shuō)明】
基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于有機(jī)聚合物光伏器件或有機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體涉及一 種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗、環(huán)境污染等問(wèn)題日益成為世界各國(guó)關(guān)注的首要 問(wèn)題，傳統(tǒng)化石能源隨著人們的不斷開(kāi)發(fā)已經(jīng)趨于枯竭的邊緣。太陽(yáng)能作為一種可再生能 源正符合這一要求。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，若把地球表面0.1 %的太 陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量就可達(dá)5.6 X1012千瓦/小時(shí)。在太陽(yáng)能的有效利用 中，太陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之 一。根據(jù)太陽(yáng)能電池光活性層材料的性質(zhì)的不同，可以將光活性層材料分為無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材 料和有機(jī)半導(dǎo)體材料。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料由于發(fā)展起步早，研究比較廣泛，基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材 料的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。但是無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料本身有其 不足之處，比如加工工藝非常復(fù)雜、材料要求苛刻、不易進(jìn)行大面積柔性加工、某些材料具 有毒性等，這些缺點(diǎn)制約了無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池的進(jìn)一步發(fā)展。與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料相比，基于有機(jī) 半導(dǎo)體材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池，不僅具有與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相同的最高理論光電轉(zhuǎn)換效 率，而且還具有質(zhì)量輕、可濕法成膜、能加工成特種形狀、易制成柔性器件、甚至可以實(shí)現(xiàn)全 塑料化等顯著優(yōu)勢(shì)，目前己經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一，也是解決能源危機(jī)的希望所在。
[0003] 然而，與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池由于其目前的光 電轉(zhuǎn)換效率還相對(duì)較低，其商用化還尚需時(shí)日。在各種提高有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率 的措施中，制備合適的陰極緩沖層是一種十分有效方法。當(dāng)前，普遍應(yīng)用的陰極緩沖層材料 為可溶性的η型無(wú)機(jī)金屬化合物，如Zn0、Ti0 x和Cs2C03,其中以ZnO應(yīng)用最為廣泛。使用正型 結(jié)構(gòu)，并采用無(wú)機(jī)金屬化合物作為陰極緩沖層，能使得有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率及穩(wěn)定性獲 得明顯的提升。
[0004] 但是，采用旋涂ZnO納米顆粒分散液作為陰極緩沖層時(shí)，由于ZnO顆粒之間的間隙 較大，分散性差，容易形成缺陷，從而導(dǎo)致載流子的傳輸與分離受阻，同時(shí)ZnO納米顆粒薄膜 的界面較為粗糙，使得器件擁有較大的界面接觸電阻與較高的載流子復(fù)合幾率，這都將嚴(yán) 重制約器件的性能。因此，研究如何優(yōu)化和修飾無(wú)機(jī)金屬化合物陰極緩沖層，是提高有機(jī)太 陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑，也是目前有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)之 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是：如何提供一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太 陽(yáng)能電池及其制備方法，解決由于ZnO顆粒之間的間隙較大，分散性差，容易形成缺陷，從而 導(dǎo)致載流子的傳輸與分離受阻，同時(shí)ZnO納米顆粒薄膜的界面較為粗糙，使得器件擁有較大 的界面接觸電阻與較高的載流子復(fù)合幾率，這都將嚴(yán)重制約器件的性能的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] 一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，該太陽(yáng)能電池采用正型結(jié) 構(gòu)，從下到上依次為:襯底，透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0,陽(yáng)極緩沖層，光活性層，陰極緩沖層，金屬陰 極;所述陰極緩沖層為在ZnO納米顆粒分散液中摻入一定比例的有機(jī)小分子材料1，4,5,8_ 萘四甲酸酐(NTCDA)和蟲(chóng)膠，三種材料的質(zhì)量百分比組成為:ZnO 80 %~89 %，有機(jī)小分子 材料1，4,5,8_萘四甲酸酐(NTCDA)0.5%~10%，蟲(chóng)膠0.5%~10%，陰極緩沖層厚度范圍為 30~60nm〇
[0008] 進(jìn)一步地，所述光活性層由電子給體材料PTB7與電子受體材料PC7 IBM的混合溶液 制備而成，厚度范圍為50~300nm;所述混合溶液中PTB7和PC71BM的質(zhì)量百分比為1:20~5: 1，所述混合溶液的濃度為10~30mg/ml。
[0009] 進(jìn)一步地，所述陽(yáng)極緩沖層材料為PEDOT: PSS，厚度范圍為5~20nm。
[00?0]進(jìn)一步地，所述金屬陰極材料為Ag、Al或Au中的一種或多種，薄層厚度范圍為100 ~200nm。
[0011] 進(jìn)一步地，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基 甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹(shù)脂或聚丙烯酸的一種或多種。
[0012] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備方 法，制備過(guò)程包括以下步驟：
[0013] 1)對(duì)由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑?br>[0014] 2)在透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂陽(yáng)極緩沖層PEDOT: PSS溶液，并 進(jìn)行熱退火
[0015] 3)在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂或噴涂或自組裝或噴墨打印或絲網(wǎng)印刷的方式制備 PTB7:PC7iBM光活性層；
[0016] 4)把ZnO納米顆粒分散液用乙醇稀釋10~100倍，再將NT⑶A和蟲(chóng)膠溶解在稀釋過(guò) 后的ZnO納米顆粒分散液中，然后置于攪拌臺(tái)上攪拌，制備得到ZnO納米顆粒分散液與有機(jī) 小分子材料和蟲(chóng)膠的混合溶液；
[0017] 5)在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂ZnO納米顆粒分散液與有機(jī)小分 子材料和蟲(chóng)膠的混合溶液，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤，制備得到陰極緩沖層；
[0018] 6)在陽(yáng)極緩沖層上蒸鍍金屬陰極。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟(2)所述陽(yáng)極緩沖層熱退火溫度范圍在120~140°C，時(shí)間范圍為25 ~35min〇
[0020] 進(jìn)一步地，步驟（5)所述薄膜低溫烘烤的溫度范圍在30~40°C，時(shí)間范圍為10~ 30min〇
[0021] 進(jìn)一步地，所述熱退火和低溫烘烤方式采用恒溫?zé)崤_(tái)加熱、烘箱加熱、遠(yuǎn)紅外加 熱、熱風(fēng)加熱的一種或多種。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0023] 1、通過(guò)在陰極緩沖層ZnO納米顆粒中引入有機(jī)小分子材料NT⑶A，填充了ZnO納米 顆粒之間的空隙，改善了ZnO納米顆粒的分散性，減少了陰極緩沖層里的缺陷，增加了陰極 緩沖層的導(dǎo)電性。
[0024] 2、通過(guò)在陰極緩沖層ZnO納米顆粒中引入有機(jī)小分子材料NTCDA，提高了陰極緩沖 層的電子迀移率，減少了載流子的再?gòu)?fù)合幾率。
[0025] 3、通過(guò)在陰極緩沖層ZnO納米顆粒和有機(jī)小分子材料NT⑶A中引入蟲(chóng)膠，使得ZnO 納米顆粒和有機(jī)小分子材料的結(jié)合更加致密，降低陰極緩沖層的表面粗糙度。
[0026] 4、通過(guò)在陰極緩沖層ZnO納米顆粒中引入有機(jī)小分子材料NTCDA和蟲(chóng)膠，修飾了 ZnO納米顆粒薄膜的形貌，在陰極緩沖層與光活性層界面形成了更好的歐姆接觸，增大了器 件的光電流密度。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明所涉及的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0028] 圖中附圖標(biāo)記為：1、襯底，2、透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0，3、陽(yáng)極緩沖層，4、光活性層，5陰極 緩沖層，6、金屬陰極。
【具體實(shí)施方式】：
[0029] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030] 實(shí)施例1(對(duì)照組）：
[0031] 對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒(5000rpm，40 S，50nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30 °C，20min);在陰極緩沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5,100mW/ cm2，測(cè)得器件的開(kāi)路電壓（Voc) = 0.72V，短路電流(Jsc) = 12.9mA/cm2，填充因子(FF)= 0·62，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)=5·89%。
[0032] 實(shí)施例2:
[0033]對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為0.5wt %，蟲(chóng)膠 占比為10wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min);在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(V〇c) = 0.73V，短路電流(JSc) = 13·lmA/cm2，填充因子(FF)=0·64，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =5.98%〇 [0034] 實(shí)施例3:
[0035]對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000印111，4〇8,5〇11111，階0^占比為1的％，蟲(chóng)膠占 比為9.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(lOOnm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(Voc) = 0.72V，短路電流(JSc) = 13·7mA/cm2，填充因子(FF)=0·62，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =6.14% 〇 [0036] 實(shí)施例4:
[0037]對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為1.5wt %，蟲(chóng)膠 占比為9wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(lOOnm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(V〇c) = 0.73V，短路電流(JSc) = 13·6mA/cm2，填充因子(FF)=0·65，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = 6.41% 〇 [0038] 實(shí)施例5:
[0039]對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為2wt %，蟲(chóng)膠占 比為8.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(V〇c) = 0.72V，短路電流(JSc) = 14·0mA/cm2，填充因子(FF)=0·66，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = 6.68%。
[0040] 實(shí)施例6:
[0041] 對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為3wt %，蟲(chóng)膠占 比為7.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(V〇c) = 0.73V，短路電流(JSc) = 13·6mA/cm2，填充因子(FF)=0·68，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = 6.81% 〇
[0042] 實(shí)施例7:
[0043]對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為4wt %，蟲(chóng)膠占 比為6.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(lOOnm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(V〇c) = 0.73V，短路電流(JSc) = 13·lmA/cm2，填充因子(FF)=0·65，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = 6.45% 〇 [0044] 實(shí)施例8:
[0045]對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為6wt %，蟲(chóng)膠占 比為4.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(lOOnm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(Voc) = 0.72V，短路電流(JSc) = 12·9mA/cm2，填充因子(FF)=0·64，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =6.18% 〇 [0046] 實(shí)施例9:
[0047] 對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000rpm，40s，50nm，NTCDA占比為8wt %，蟲(chóng)膠占 比為2.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極緩 沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，100mW/cm2,測(cè)得器件的開(kāi)路 電壓(Voc) = 0.72V，短路電流(JSc) = 12·5mA/cm2，填充因子(FF)=0·64，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =5.83%〇
[0048] 實(shí)施例10:
[0049] 對(duì)表面粗糙度小于lnm的由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0所組成的基板進(jìn)行清洗， 清洗后用氮?dú)獯蹈?在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ΙΤ0表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液(3000rpm，60s，30nm) 制備陽(yáng)極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行熱退火（130°C，30min)，在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂 制備PTB7:PC7iBM(l: 1.7，20mg/ml)光活性層（1500rpm，50s，200nm)，在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂 覆ZnO納米顆粒與NTCDA和蟲(chóng)膠的混合溶液(5000印111，4〇8,5〇11111，犯'0^占比為1〇￥七％，蟲(chóng)膠 占比為0.5wt%)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤(30°C，20min)，在陰極 緩沖層上蒸鍍金屬陰極Ag(100nm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下:AM 1.5，lOOmW/cm2，測(cè)得器件的開(kāi) 路電壓(V〇c) = 0.73V，短路電流(七。）=11.711^/〇112，填充因子卬？）=0.62，光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE)=5.42%。
[0050] 表1有機(jī)太陽(yáng)能電池器件光伏性能參數(shù)
[0052]由上表可以看出：通過(guò)優(yōu)化在ZnO納米顆粒分散液中摻入有機(jī)小分子材料NT⑶A和 蟲(chóng)膠制備得到的太陽(yáng)能電池（即實(shí)施例6制備而成的太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為：IT0/PED0T:PSS/ PTB7: PCTiBM/ZnO: NTCDA:蟲(chóng)膠/Ag)相比于ZnO納米顆粒分散液中沒(méi)有摻入有機(jī)小分子材料 NTCDA和蟲(chóng)膠制備得到的太陽(yáng)能電池（即實(shí)施例1制備而成的太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為：IT0/ PEDOT: PSS/PTB7: PCTiBM/ZnO/Ag)，其短路電流密度變大，填充因子提高，這是由于ZnO納米 顆粒分散液中摻入有機(jī)小分子材料NTCDA和蟲(chóng)膠，有效地填充了 ZnO納米顆粒之間的空隙， 減少了陰極緩沖層里的缺陷，因而提升了陰極緩沖層的電子迀移率，通過(guò)摻入蟲(chóng)膠使得ZnO 納米顆粒和有機(jī)小分子材料的結(jié)合更加致密，提升陰極緩沖層的穩(wěn)定性，并且修飾了 ZnO納 米顆粒的薄膜形貌，在陰極緩沖層與光活性層界面形成了更好的歐姆接觸，增大了器件的 光電流密度和填充因子，最終使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率得到較大的提高。
[0053] 本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)上述實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于 舉例和說(shuō)明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的 變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由 附屬的權(quán)利要求書(shū)及其等效范圍所界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在于，該太陽(yáng)能電池采 用正型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為:襯底，透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0,陽(yáng)極緩沖層，光活性層，陰極緩沖 層，金屬陰極;所述陰極緩沖層為在ZnO納米顆粒分散液中摻入一定配比的有機(jī)小分子材料 1，4，5，8-萘四甲酸酐(NTCDA)和蟲(chóng)膠，三種材料的質(zhì)量百分比為:Zn080 %~89 %，有機(jī)小分 子材料1，4，5，8-萘四甲酸酐(NTCDA)0.5%~10%，蟲(chóng)膠0.5%~10%，陰極緩沖層厚度范圍 為30~60nm。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征 在于:所述光活性層由電子給體材料PTB7與電子受體材料PCnBM的混合溶液制備而成，厚度 范圍為50~300nm;所述混合溶液中PTB7和PC71BM的質(zhì)量百分比為1:20~5:1，所述混合溶液 的濃度為10~30mg/ml。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征 在于:所述陽(yáng)極緩沖層材料為PEDOT: PSS，厚度范圍為5~20nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征 在于:所述金屬陰極材料為Ag、Al或Au中的一種或多種，薄層厚度范圍為100~200nm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征 在于:所述襯底材料為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲 酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹(shù)脂或聚丙烯酸的一種或多種。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電 池的制備方法，其特征在于，制備過(guò)程包括以下步驟： 1) 對(duì)由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0所組成的基板進(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑? 2) 在透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂陽(yáng)極緩沖層PEDOT: PSS溶液，并進(jìn)行 熱退火； 3) 在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂或噴涂或自組裝或噴墨打印或絲網(wǎng)印刷的方式制備PTB7: PC71BM光活性層； 4) 把ZnO納米顆粒分散液用乙醇稀釋10~100倍，再將NTCDA和蟲(chóng)膠溶解在稀釋過(guò)后的 ZnO納米顆粒分散液中，然后置于攪拌臺(tái)上攪拌，制備得到ZnO納米顆粒分散液與有機(jī)小分 子材料和蟲(chóng)膠的混合溶液； 5) 在透明導(dǎo)電陽(yáng)極IT0表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂ZnO納米顆粒分散液與有機(jī)小分子材 料和蟲(chóng)膠的混合溶液，并將所形成的薄膜進(jìn)行低溫烘烤，制備得到陰極緩沖層； 6) 在陰極緩沖層上蒸鍍金屬陰極。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備 方法，其特征在于:步驟(2)所述陽(yáng)極緩沖層熱退火溫度范圍在120~140 °C，時(shí)間范圍為25 ~35min〇8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備 方法，其特征在于：步驟（5)所述薄膜低溫烘烤的溫度范圍在30~40°C，時(shí)間范圍為10~ 30min〇9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ZnO納米顆粒陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備 方法，其特征在于:所述熱退火和低溫烘烤方式采用恒溫?zé)崤_(tái)加熱、烘箱加熱、遠(yuǎn)紅外加熱、 熱風(fēng)加熱的一種或多種。
【文檔編號(hào)】H01L51/44GK106025084SQ201610547770
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】于軍勝, 范譜, 王瀚雨, 黃江
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)