[發(fā)明專利]一種基于混合ZnO陰極緩沖層的有機太陽能電池及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107565029A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設計）人: 于軍勝;范譜;鄭丁;楊根杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L51/44
• 分類號: H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產(chǎn)權代理有限公司51230
• 代理人: 廖祥文

技術領域

本發(fā)明涉及一種太陽能電池，屬于新能源太陽能電池領域；具體涉及一種基于混合ZnO陰極緩沖層的有機太陽能電池；本發(fā)明還公開了該有機太陽能電池的制備方法。

背景技術

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，能源消耗、環(huán)境污染等問題日益成為世界各國關注的首要問題，傳統(tǒng)化石能源隨著人們的不斷開發(fā)已經(jīng)趨于枯竭的邊緣。太陽能作為一種可再生能源正符合這一要求。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，若把地球表面0.1％的太陽能轉為電能，轉變率5％，每年發(fā)電量就可達5.6×1012千瓦/小時。在太陽能的有效利用中,太陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快,最具活力的研究領域,是其中最受矚目的項目之一。根據(jù)太陽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機半導體材料和有機半導體材料。無機半導體材料由于發(fā)展起步早，研究比較廣泛，基于無機半導體材料的無機太陽能電池在太陽能電池應用中占據(jù)了主導地位。但是無機半導體材料本身有其不足之處，比如加工工藝非常復雜、材料要求苛刻、不易進行大面積柔性加工、某些材料具有毒性等，這些缺點制約了無機太陽電池的進一步發(fā)展。與無機半導體材料相比，基于有機半導體材料的有機太陽能電池，不僅具有與無機太陽能電池相同的最高理論光電轉換效率,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、甚至可以實現(xiàn)全塑料化等顯著優(yōu)勢，目前己經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點之一，也是解決能源危機的希望所在。

然而，與無機太陽能電池已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)相比，有機太陽能電池由于其目前的光電轉換效率還相對較低，其商用化還尚需時日。在各種提高有機太陽能電池光電轉換效率的措施中，制備合適的陰極緩沖層是一種十分有效方法。當前，普遍應用的陰極緩沖層材料為可溶性的n型無機金屬化合物，如ZnO、TiOx和Cs2CO3，其中以ZnO應用最為廣泛。使用反型結構，并采用無機金屬化合物作為陰極緩沖層，能使得有機太陽能電池的效率及穩(wěn)定性獲得明顯的提升。

目前ZnO薄膜的制備工藝主要分為利用前驅(qū)體反應生成ZnO的溶膠凝膠法和將合成的ZnO納米顆粒分散到溶液中直接制備成薄膜的納米顆粒法。溶膠凝膠法ZnO粒徑小，薄膜較為致密，不易形成阻礙載流子傳輸?shù)娜毕荩悄ず褚话阒荒茏龅?0nm以內(nèi)，不利于實現(xiàn)大面積生產(chǎn)。大粒徑ZnO納米顆粒分散液制備的陰極緩沖層具有與光活性層接觸面積大，膜厚較厚，便于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，但是采用旋涂ZnO納米顆粒分散液作為陰極緩沖層時，由于ZnO納米顆粒粒徑為100nm左右，顆粒之間的間隙較大，容易形成缺陷，從而導致載流子的傳輸與分離受阻，同時ZnO納米顆粒薄膜的界面粗糙度相比溶膠凝膠法ZnO更為粗糙，使得器件擁有較大的界面接觸電阻與較高的載流子復合幾率，這都將嚴重制約器件的性能。因此，通過優(yōu)化優(yōu)化和修飾ZnO陰極緩沖層，減少緩沖層中的缺陷，將陰極緩沖層厚度提升至便于工業(yè)化生產(chǎn)的量級，以及進一步提升器件的光電轉換效率，是目前有機太陽能電池領域研究的重點及難點之一。

發(fā)明內(nèi)容

基于以上技術問題，本發(fā)明提供了一種基于混合ZnO陰極緩沖層的有機太陽能電池，從而解決了以往有機太陽能電池陰極層空隙大、表面粗糙及光電轉換效率低的技術問題；同時，本發(fā)明還公開了該有機太陽能電池的制備方法。

為解決以上技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種基于混合ZnO陰極緩沖層的有機太陽能電池，該有機太陽能電池采用反型結構，包括從下到上依次設置的襯底層、透明導電陰極層、陰極緩沖層、光活性層、陽極緩沖層及金屬陽極層；

其中，

所述陰極緩沖層為ZnO納米顆粒分散液和由溶膠凝膠法制備的ZnO前驅(qū)體溶液按一定比例混合，且經(jīng)由熱退火后形成的固體薄膜；

混合溶液中，ZnO納米顆粒分散液和ZnO前驅(qū)體溶液的質(zhì)量百分比比例分別為：

ZnO納米顆粒80％～98％；

ZnO前驅(qū)體2％～20％；

所述陰極緩沖層厚度范圍為220～380nm。

基于以上技術方案，所述光活性層厚度為50～300nm，主要由電子給體材料PTB7-TH與電子受體材料PC₇₁BM的混合溶液制備而成的固體薄膜；；

其中，

所述混合溶液中PTB7-TH和PC₇₁BM的質(zhì)量百分比為1:15～6:1；

所述混合溶液的濃度為10～30mg/ml。

基于以上技術方案，所述陽極緩沖層材料為MoO₃，MoO3的厚度為5～20nm。