一種有機太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及領(lǐng)域有機太陽能電池領(lǐng)域，特別是涉及一種有機太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，有機體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的單層器件效率已經(jīng)達到了接近10%的商用水平，而這一效率的得到，很大程度上也是源自于體異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)的引入。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是互穿網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于給受體材料之間的電子轉(zhuǎn)移。
[0003]現(xiàn)今，體異質(zhì)結(jié)太陽能電池采用的受體材料多為富勒烯衍生物材料，富勒烯衍生物材料有優(yōu)異的電荷傳輸性能，能級結(jié)構(gòu)上與大多數(shù)給體材料有良好的匹配性，而且富勒烯的球形結(jié)構(gòu)使得其在電荷傳輸上有各項同性的優(yōu)點，更加有利于電荷的傳輸，但是在活性層制備時富勒烯受體材料易于聚集，使其電荷傳輸?shù)挠行娣e減少，且材料制備提純困難，使其不易于商業(yè)應(yīng)用。
[0004]為了尋找代替富勒烯材料的其他受體材料，研究者也報道了大量的受體材料，但這些材料則因為電荷傳輸性，溶解性等問題，使其不能得到廣泛應(yīng)用。其中，石墨烯和碳納米管這類碳材料的電荷傳輸能力以及穩(wěn)定性等性質(zhì)都可與富勒烯相媲美，受到了業(yè)界的關(guān)注。但是由于石墨烯和碳納米管的相對較低的能級，與給體材料的能級不能匹配，因此使用它們制備的太陽能器件的開路電壓非常低，電池?zé)o實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明實施例第一方面提供了一種有機太陽能電池，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中由于石墨烯的能級與給體材料的能級不能匹配，從而導(dǎo)致使用其制備的太陽能電池器件開路電壓低，無實用性的問題，同時解決現(xiàn)行使用的有機太陽能電池受體材料單一的問題。
[0006]第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種有機太陽能電池，包括依次層疊設(shè)置的第一電極、光活性層、空穴傳輸層、第二電極，所述光活性層包括電子受體材料和電子給體材料，所述電子受體材料為氮化石墨烯，所述氮化石墨烯在所述第一電極上形成泡沫狀薄膜，所述氮化石墨烯具有三維網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，所述電子給體材料部分滲透于所述氮化石墨烯中，部分富集于所述空穴傳輸層一側(cè)形成電子給體富集層，所述氮化石墨烯與所述電子給體材料形成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述第一電極為導(dǎo)電玻璃，所述第二電極為金屬電極。
[0007]本發(fā)明實施方式中，所述氮化石墨烯形成的薄膜厚度為10-100nm。
[0008]本發(fā)明實施方式中，所述氮化石墨烯中氮元素的質(zhì)量含量為0.1% -14%。
[0009]本發(fā)明實施方式中，所述氮化石墨烯在靠近所述第一電極的一側(cè)形成電子受體富集層。
[0010]本發(fā)明實施方式中，所述電子給體材料為含噻吩單元的材料、含二噻吩并苯單元的材料和含二噻吩并噻咯單元的材料中的至少一種。
[0011]本發(fā)明實施方式中，所述電子給體材料為聚3-己基噻吩、聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2，7-二基]-2，5-噻吩二基-2，I, 3-苯并噻二唑-4，7-二基-2，5-噻吩二基]和 5 ;5’ - 二 [(4-(7-己基噻吩-2-基)噻吩-2-基)_[1，2，5]噻二唑[3，4_c]嘧啶]_3 ；3’ -二-2-乙基己基亞甲硅基-2 ;2’ 二噻吩(DTS (PTTh2) 2)中的至少一種。
[0012]本發(fā)明實施方式中，所述光活性層的厚度為30_250nm。
[0013]本發(fā)明實施方式中，所述導(dǎo)電玻璃為FTO或ITO導(dǎo)電玻璃。
[0014]本發(fā)明實施方式中，所述金屬電極的材質(zhì)為金屬鋁、銀或金。
[0015]本發(fā)明實施方式中，所述空穴傳輸層的材質(zhì)為三氧化鑰或聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT: PSS)。
[0016]本發(fā)明實施例第一方面提供的有機太陽能電池器件，以氮化石墨烯為受體材料，其能級可與給體材料的能級匹配，并通過構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，可與有機給體材料更好的形成互穿網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，有利于電荷的分離，從而在保證開路電壓的情況下，提高了短路電流，從而提高了太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0017]第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種有機太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟:
[0018]將氮化石墨烯超聲分散于水與聚乙二醇形成的混合溶劑中，得到氮化石墨烯分散液；將所述氮化石墨烯分散液涂覆在第一電極上，然后經(jīng)熱處理去除所述聚乙二醇，得到氮化石墨烯泡沫狀薄膜，所述氮化石墨烯泡沫狀薄膜具有三維網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)；
[0019]再在所述氮化石墨烯泡沫狀薄膜上涂覆電子給體材料，所述電子給體材料部分滲透到氮化石墨烯中，部分沉積在氮化石墨烯薄膜上形成電子給體富集層，所述電子受體材料與所述電子給體材料形成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，從而得到光活性層，再在所述光活性層上依次蒸鍍制備空穴傳輸層和第二電極，得到有機太陽能電池器件。
[0020]本發(fā)明實施方式中，所述氮化石墨烯泡沫狀薄膜的厚度為I O-1 OOnm。
[0021]本發(fā)明實施方式中，所述氮化石墨烯分散液的濃度為0.1?10mg/mL。
[0022]本發(fā)明實施方式中，所述涂覆的方式包括刮涂、旋涂；所述熱處理在200°C -500°C下進行。
[0023]本發(fā)明實施方式中，所述聚乙二醇的數(shù)均分子量為1000-5000，所述混合溶劑中聚乙二醇的質(zhì)量濃度為2-10%。
[0024]本發(fā)明實施方式中，所述氮化石墨烯采用如下方式制備得到:
[0025]取氧化石墨烯，置于氨氣和氮氣的混合氣氛中，在600-1000°C下加熱0.5-3小時，停止加熱后，保持混合氣流，待降至室溫，停止通入氨氣，得到氮化石墨烯。
[0026]本發(fā)明另一實施方式中，所述氮化石墨烯采用如下方式制備得到:
[0027]在氧化石墨烯水溶液中加入適量尿素，得到混合液，將所述混合液置于聚四氟乙烯高壓釜中，在100-250 V下反應(yīng)6-20小時，得到固體產(chǎn)物，待所述固體產(chǎn)物冷卻后，經(jīng)過濾、水洗、烘干，得到氮化石墨烯。
[0028]本發(fā)明實施方式中，所述電子給體材料為含噻吩單元的材料、含二噻吩并苯單元的材料、和含二噻吩并噻咯單元的材料中的至少一種。
[0029]本發(fā)明實施方式中，所述電子給體材料為聚3-己基噻吩、聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2，7- 二基]-2，5-噻吩二基-2，I, 3-苯并噻二唑-4，7- 二基-2，5-噻吩二基]和DTS (PTTh2) 2中的至少一種。
[0030]本發(fā)明實施方式中，所述光活性層的厚度為30_250nm。
[0031]本發(fā)明實施方式中，所述導(dǎo)電玻璃為FTO或ITO導(dǎo)電玻璃。
[0032]本發(fā)明實施方式中，所述金屬電極的材質(zhì)為金屬鋁、銀或金。
[0033]本發(fā)明實施方式中，所述空穴傳輸層的材質(zhì)為三氧化鑰或聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT: PSS)。
[0034]本發(fā)明實施例第二方面提供的有機太陽能電池器件的制備方法，工藝簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0035]綜上，本發(fā)明實施例第一方面提供的有機太陽能電池器件，以氮化石墨烯為受體材料，其能級可與給體材料的能級匹配，并通過構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，與有機給體材料更好的形成互穿網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，有利于電荷的分離，從而在保證開路電壓的情況下，提高了短路電流，從而提高了太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明實施例第二方面提供的有機太陽能電池器件的制備方法，工藝簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0036]本發(fā)明實施例的優(yōu)點將會在下面的說明書中部分闡明，一部分根據(jù)說明書是顯而易見的，或者可以通過本發(fā)明實施例的實施而獲知。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明實施例提供的有機太陽能電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0038]以下所述是本發(fā)明實施例的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明實施例原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明實施例的保護范圍。
[0039]本發(fā)明實施例第一方面提供了一種有機太陽能電池，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中由于石墨烯的能級與給體材料的能級不能匹配，從而導(dǎo)致使用其制備的太陽能電池器件開路電壓低，無實用性的問題，同時解決現(xiàn)行使用的有機太陽能電池受體材料單一的問題。
[0040]第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種有機太陽能電池，包括依次層疊設(shè)置的第一電極、光活性層、空穴傳輸層、第二電極，所述光活性層包括電子受體材料和電子給體材料，所述電子受體材料為氮化石墨烯，所述氮化石墨烯在所述第一電極上形成泡沫狀薄膜，所述氮化石墨烯具有三維網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，所述電子給體材料部分滲透于所述氮化石墨烯中，部分富集于所述空穴傳輸層一側(cè)形成電子給體富集層，所述氮化石墨烯與所述電子給體材料形成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述第一電極為導(dǎo)電玻璃，所述第二電極為金屬電極。
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