一种倒置体异质结有机太阳能电池制造技术

本发明专利技术属有机太阳能电池器件设计与制备的技术领域，特别是涉及一种活性层表面具有用PDMS（聚二甲基硅氧烷）模板压印的三维结构的倒置有机太阳能电池及其制造方法。一种倒置体异质结有机太阳能电池，由阴极层、电子传输层、活性层、空穴传输层、阳极层组成，阴极层为铟锡氧化物ITO，电子传输层为厚度为10± 0.2纳米的ZnO，活性层为厚度为100± 0.2纳米的PTB7:PC70BM，空穴传输层为厚度为3± 0.2  纳米的MoO3，阳极层为厚度为100± 0.2纳米的银，活性层上有PDMS模板压印的三维图案。本发明专利技术还公开了具体的制作方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属有机太阳能电池器件设计与制备的
，特别是涉及一种活性层表面具有用PDMS（聚二甲基硅氧烷）模板压印的三维结构的倒置有机太阳能电池及其制造方法。
技术介绍
有机太阳能电池（OSCs），因其制备工艺简单、廉价、可在柔性衬底上制备、重量轻等优点而备受关注。目前研究的体异质结有机太阳能电池有两种结构，以ITO为阳极的正置结构和以ITO为阴极的倒置结构。倒置结构有机太阳能电池与正置结构有机太阳能电池相比有许多优点。首先，由于倒置结构中未使用缓冲层PEDOT:PSS,所以倒置结构有更长的寿命；其次，倒置结构中使用高功函数金属作阳极，提高了器件的稳定性；最重要的一点是，与于正置结构相比较，倒置结构具有更好的电荷产生率、电荷解离率以及更高的载流子迁移率。但是无论是正置结构还是倒置结构的有机太阳能电池其活性层材料对太阳光的吸收效率仍然不高，所以有机太阳能电池的功率转换效率较低。虽然增加活性层厚度能够有效提高光吸收，但是活性层太厚又不利于载流子的传输和收集，从而影响功率转换效率的提高。因此，在不增加活性层厚度的基础上提高其光吸收成为解决OSCs效率低的关键手段。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：如何在不增加活性层厚度的基础上提高其光吸收。本专利技术所采用的技术方案是：一种倒置体异质结有机太阳能电池，由阴极层、电子传输层、活性层、空穴传输层、阳极层组成，阴极层为铟锡氧化物ITO，电子传输层为厚度为10± 0.2纳米的ZnO，活性层为厚度为100± 0.2纳米的PTB7:PC70BM，空穴传输层为厚度为3± 0.2纳米的MoO3，阳极层为厚度为100± 0.2纳米的银，活性层上有PDMS模板压印的三维图案。制作一种倒置体异质结有机太阳能电池的方法，按照如下的步骤进行：步骤一、活性层溶液配制，将10单位毫克PTB7（[poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)-carbonyl]-thieno-[3,4-b]thiophenediyl]）、15单位毫克PC60BM（[6,6]-phenyl-C70-butyric-acid-methyl-ester]）、1260单位微升氯苯CB、40单位微升1,8-二碘辛烷DIO混合后在60℃温度下搅拌均匀，获得活性层溶液；步骤二、把氧化铟锡导电玻璃清洗干净后，用紫外光进行照射处理后作为阴极层；步骤三、在氧化铟锡导电玻璃上旋涂厚度为10±0.2纳米的ZnO层形成电子传输层，在ZnO层上旋涂活性层溶液，形成厚度为100± 0.2纳米的PTB7:PC70BM层即活性层；步骤四、用PDMS模板压印PTB7:PC70BM层使PTB7:PC70BM层表面形成三维图案；步骤五、在有三维图案的PTB7:PC70BM层上蒸镀厚度为3±0.2纳米的MoO3层即空穴传输层，在MoO3层上蒸镀厚度为100±0.2纳米的银即阳极层。作为一种优选方式：步骤三中，旋涂了ZnO层的氧化铟锡导电玻璃置于加热台上，150℃下退火5 min，之后常温静置至少5 min，然后再在ZnO层上旋涂活性层溶液。作为一种优选方式，其特征在于：步骤四中所用的PDMS模板的制作过程为：取一块表面具有多个倒锥形孔的阳极氧化铝AAO为母版，将母版用氧等离子体处理后，在100摄氏度温度下，用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷作为脱模剂进行脱模处理，然后分别用去离子水和异丙醇冲洗脱模处理后的母版，除去未反应的脱模剂，将质量比10:1混合AB组分的Sylgard184 PDMS硅胶搅拌均匀，除气泡后浇注在母版上，再次除去Sylgard184 PDMS硅胶中的气泡，将母版水平静置30 分钟，使硅胶自动达到平整状态即肉眼看没有明显的凸起或凹坑，然后使母版在60摄氏度温度下烘烤使硅胶固化，将硅胶取下，切割成合适大小，浸泡在无水乙醇中用超声波清洗后，用氮气吹干形成PDMS模板。作为一种优选方式：AB组分的Sylgard184 PDMS硅胶中，A组分是Silicone Elastomer，B组分是Silicone Elastomer Curring Agent 24001673921。本专利技术的有益效果是：本专利技术对活性层表面进行修饰，使其具有特殊的三维图案，这样在不增加活性层厚度的条件下，通过激发新颖的光学模式以提高光吸收，进而获得高效率的太阳能电池，并且采用的修饰手段为纳米压印，压印的模板为以AAO（阳极氧化铝）衬底为母版制备的PDMS模板。AAO衬底是一种成本十分低廉的三维纳米结构制备方法，与图案化硅衬底相比，以AAO衬底为母版制备的具有三维纳米结构的PDMS模板成本十分低廉，与OSC的廉价性能吻合，市场应用前景广阔。PDMS压印的活性层PTB7:PC70BM薄膜是一种具有三维图案结构的薄膜，相比于平整的PTB7:PC70BM薄膜，其表面是凹凸不平的，具有一定的深度，具体的图案由AAO衬底的图案决定，图案的深度受压印时所加砝码的重量不同会产生变化。相同的衬底，若使用不同的压力，制备出的活性层表面的图案深度会不相同，而一个适当的厚度将提供最优的电池效率。由于具有三维图案的PTB7:PC70BM薄膜的表面凹凸不平，当太阳光入射到薄膜表面后，会在其表面上发生散射、折射等作用，从而使得入射光在三维结构PTB7:PC70BM薄膜的光程会增加，所以活性层PTB7:PC70BM薄膜对太阳光的吸收会明显增加。因此，这种PDMS模板压印的表面具有三维图案的活性层应用在倒置有机太阳能电池中，相对于平整的活性层，可以明显地增加电池的短路电流，从而提高其功率转换效率。本专利技术中设计的有机太阳能电池的短路电流为12.57 mA cm-2，开路电压为0.735 V，填充因子为69.40%，串联电阻为4.31 Ω cm2，并联电阻为1000.40 Ω cm2，功率转换效率为6.62%。与传统太阳能电池相比，短路电流提高了2.86%，开路电压提高了1.94%，填充因子提高了1.43%，并联电阻提高了4.64%，功率转换效率提高了6.61%。由此可见，本专利技术有机太阳能电池相比于传统太阳能电池整体性能有提高。附图说明图1：光照态电路密度-电压特性曲线；图2：紫外-可见吸收光谱；图3：压印器件和标准器件的外量子效率图4：器件性能参数表。具体实施方式本专利技术所使用的材料有：氧化锌（ZnO），[poly[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)-carbonyl]-thieno-[3,4-b]thiophenediyl]（PTB7），[6,6]-phenyl-C70-butyric-acid-methyl-ester] (PC70BM)，三氧化钼(MoO3)，银，立白洗洁精（成分为软化水、表面活性剂、维生素E酯、柠檬精华），十二烷基硫酸钠（SDS），去离子水，丙酮，异丙醇，PDMS。其组合用量如下：氧化锌溶液：70 微升PTB7：10 毫克±1 毫克PC70BM： 15 毫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种倒置体异质结有机太阳能电池，由阴极层、电子传输层、活性层、空穴传输层、阳极层组成，其特征在于：阴极层为铟锡氧化物ITO，电子传输层为厚度为10± 0.2纳米的ZnO，活性层为厚度为100± 0.2纳米的PTB7:PC70BM，空穴传输层为厚度为3± 0.2纳米的MoO3，阳极层为厚度为100± 0.2纳米的银，活性层上有PDMS模板压印的三维图案。

【技术特征摘要】
1.一种倒置体异质结有机太阳能电池，由阴极层、电子传输层、活性层、空穴传输层、阳极层组成，其特征在于：阴极层为铟锡氧化物ITO，电子传输层为厚度为10± 0.2纳米的ZnO，活性层为厚度为100± 0.2纳米的PTB7:PC70BM，空穴传输层为厚度为3± 0.2纳米的MoO3，阳极层为厚度为100± 0.2纳米的银，活性层上有PDMS模板压印的三维图案。2.制作权利要求1所述的一种倒置体异质结有机太阳能电池的方法，其特征在于按照如下的步骤进行：步骤一、活性层溶液配制，将10单位毫克PTB7、15单位毫克PC60BM、1260单位微升氯苯CB、40单位微升1,8-二碘辛烷DIO混合后在60℃温度下搅拌均匀，获得活性层溶液；步骤二、把氧化铟锡导电玻璃清洗干净后，用紫外光进行照射处理后作为阴极层；步骤三、在氧化铟锡导电玻璃上旋涂厚度为10±0.2纳米的ZnO层形成电子传输层，在ZnO层上旋涂活性层溶液，形成厚度为100± 0.2纳米的PTB7:PC70BM层即活性层；步骤四、用PDMS模板压印PTB7:PC70BM层使PTB7:PC70BM层表面形成三维图案；步骤五、在有三维图案的PTB7:PC70BM层上蒸镀厚度为3±0.2纳米的MoO3层即空穴传输层，在MoO3层上蒸镀厚度为100±0.2纳米的银即阳极层。3.根据权利要求2所述的制作权利要求1所述的一种倒置体异质结有...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔艳霞，郝阳，童培谦，林引岳，郝玉英，李东栋，朱福荣，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14