本发明专利技术公开了基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池及制备方法，属于有机半导体薄膜太阳能电池领域。本发明专利技术提供的有机太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述阴极缓冲层为在ZnO纳米颗粒分散液中同时掺入有机小分子材料1,4,5,8‑萘四甲酸酐(NTCDA)和虫胶。掺入的有机小分子材料1,4,5,8‑萘四甲酸酐(NTCDA)填充了ZnO纳米颗粒之间的空隙，改善了ZnO纳米颗粒的分散性，减少了阴极缓冲层中的缺陷，提升了阴极缓冲层的电子传输能力。同时通过掺入虫胶，使得ZnO纳米颗粒和有机小分子材料的结合更加致密，降低了阴极缓冲层的表面粗糙度，提升了阴极缓冲层的电子收集能力，进而提高了器件的光电转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池。
技术介绍
随着世界经济的发展，能源消耗、环境污染等问题日益成为世界各国关注的首要问题，传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘。太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，若把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率5％，每年发电量就可达5.6×1012千瓦/小时。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。根据太阳能电池光活性层材料的性质的不同，可以将光活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。无机半导体材料由于发展起步早，研究比较广泛，基于无机半导体材料的无机太阳能电池在太阳能电池应用中占据了主导地位。但是无机半导体材料本身有其不足之处，比如加工工艺非常复杂、材料要求苛刻、不易进行大面积柔性加工、某些材料具有毒性等，这些缺点制约了无机太阳电池的进一步发展。与无机半导体材料相比，基于有机半导体材料的有机太阳能电池，不仅具有与无机太阳能电池相同的最高理论光电转换效率,而且还具有质量轻、可湿法成膜、能加工成特种形状、易制成柔性器件、甚至可以实现全塑料化等显著优势，目前己经成为国内外研究的热点之一，也是解决能源危机的希望所在。然而，与无机太阳能电池已经大规模生产相比，有机太阳能电池由于其目前的光电转换效率还相对较低，其商用化还尚需时日。在各种提高有机太阳能电池光电转换效率的措施中，制备合适的阴极缓冲层是一种十分有效方法。当前，普遍应用的阴极缓冲层材料为可溶性的n型无机金属化合物，如ZnO、TiOx和Cs2CO3，其中以ZnO应用最为广泛。使用正型结构，并采用无机金属化合物作为阴极缓冲层，能使得有机太阳能电池的效率及稳定性获得明显的提升。但是，采用旋涂ZnO纳米颗粒分散液作为阴极缓冲层时，由于ZnO颗粒之间的间隙较大，分散性差，容易形成缺陷，从而导致载流子的传输与分离受阻，同时ZnO纳米颗粒薄膜的界面较为粗糙，使得器件拥有较大的界面接触电阻与较高的载流子复合几率，这都将严重制约器件的性能。因此，研究如何优化和修饰无机金属化合物阴极缓冲层，是提高有机太阳能电池光电转换效率的有效途径，也是目前有机太阳能电池领域研究的重点及难点之一。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是：如何提供一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池及其制备方法，解决由于ZnO颗粒之间的间隙较大，分散性差，容易形成缺陷，从而导致载流子的传输与分离受阻，同时ZnO纳米颗粒薄膜的界面较为粗糙，使得器件拥有较大的界面接触电阻与较高的载流子复合几率，这都将严重制约器件的性能的问题。本专利技术的技术方案为：一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述阴极缓冲层为在ZnO纳米颗粒分散液中掺入一定比例的有机小分子材料1,4,5,8-萘四甲酸酐(NTCDA)和虫胶，三种材料的质量百分比组成为：ZnO 80％～89％，有机小分子材料1,4,5,8-萘四甲酸酐(NTCDA)0.5％～10％，虫胶0.5％～10％，阴极缓冲层厚度范围为30～60nm。进一步地，所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM的混合溶液制备而成，厚度范围为50～300nm；所述混合溶液中PTB7和PC71BM的质量百分比为1:20～5:1，所述混合溶液的浓度为10～30mg/ml。进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，厚度范围为5～20nm。进一步地，所述金属阴极材料为Ag、Al或Au中的一种或多种，薄层厚度范围为100～200nm。进一步地，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。本专利技术还公开了一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池的制备方法，制备过程包括以下步骤：1)对由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；2)在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PEDOT:PSS溶液，并进行热退火3)在阳极缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备PTB7:PC71BM光活性层；4)把ZnO纳米颗粒分散液用乙醇稀释10～100倍，再将NTCDA和虫胶溶解在稀释过后的ZnO纳米颗粒分散液中，然后置于搅拌台上搅拌，制备得到ZnO纳米颗粒分散液与有机小分子材料和虫胶的混合溶液；5)在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂ZnO纳米颗粒分散液与有机小分子材料和虫胶的混合溶液，并将所形成的薄膜进行低温烘烤，制备得到阴极缓冲层；6)在阳极缓冲层上蒸镀金属阴极。进一步地，步骤(2)所述阳极缓冲层热退火温度范围在120～140℃，时间范围为25～35min。进一步地，步骤(5)所述薄膜低温烘烤的温度范围在30～40℃，时间范围为10～30min。进一步地，所述热退火和低温烘烤方式采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热的一种或多种。本专利技术的优点在于：1、通过在阴极缓冲层ZnO纳米颗粒中引入有机小分子材料NTCDA，填充了ZnO纳米颗粒之间的空隙，改善了ZnO纳米颗粒的分散性，减少了阴极缓冲层里的缺陷，增加了阴极缓冲层的导电性。2、通过在阴极缓冲层ZnO纳米颗粒中引入有机小分子材料NTCDA，提高了阴极缓冲层的电子迁移率，减少了载流子的再复合几率。3、通过在阴极缓冲层ZnO纳米颗粒和有机小分子材料NTCDA中引入虫胶，使得ZnO纳米颗粒和有机小分子材料的结合更加致密，降低阴极缓冲层的表面粗糙度。4、通过在阴极缓冲层ZnO纳米颗粒中引入有机小分子材料NTCDA和虫胶，修饰了ZnO纳米颗粒薄膜的形貌，在阴极缓冲层与光活性层界面形成了更好的欧姆接触，增大了器件的光电流密度。附图说明图1是本专利技术所涉及的一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池的结构示意图；图中附图标记为：1、衬底，2、透明导电阳极ITO，3、阳极缓冲层，4、光活性层，5阴极缓冲层，6、金属阴极。具体实施方式：下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1(对照组)：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000rpm,60s,30nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(130℃,30min)，在阳极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:1.7,20mg/ml)光活性层(1500rpm,50s,200nm)，在光活性层表面旋转涂覆ZnO纳米颗粒(5000rpm,40s,50nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行低温烘烤(30℃,20min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.72V，短路电流(JSC)＝12.9mA/cm2，填充因子(FF)＝0.62，光电转换效率本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述阴极缓冲层为在ZnO纳米颗粒分散液中掺入一定配比的有机小分子材料1,4,5,8‑萘四甲酸酐(NTCDA)和虫胶，三种材料的质量百分比为：ZnO80％～89％，有机小分子材料1,4,5,8‑萘四甲酸酐(NTCDA)0.5％～10％，虫胶0.5％～10％，阴极缓冲层厚度范围为30～60nm。
【技术特征摘要】
1.一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述阴极缓冲层为在ZnO纳米颗粒分散液中掺入一定配比的有机小分子材料1,4,5,8-萘四甲酸酐(NTCDA)和虫胶，三种材料的质量百分比为：ZnO80％～89％，有机小分子材料1,4,5,8-萘四甲酸酐(NTCDA)0.5％～10％，虫胶0.5％～10％，阴极缓冲层厚度范围为30～60nm。2.根据权利要求1所述的一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于：所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM的混合溶液制备而成，厚度范围为50～300nm；所述混合溶液中PTB7和PC71BM的质量百分比为1:20～5:1，所述混合溶液的浓度为10～30mg/ml。3.根据权利要求1所述的一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，厚度范围为5～20nm。4.根据权利要求1所述的一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于：所述金属阴极材料为Ag、Al或Au中的一种或多种，薄层厚度范围为100～200nm。5.根据权利要求1所述的一种基于ZnO纳米颗粒阴极缓冲层的有机太阳能电池，其特征在于：所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种...
【专利技术属性】
技术研发人员：于军胜，范谱，王瀚雨，黄江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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