一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池及其制备方法，属于有机半导体薄膜太阳能电池领域，从下至上依次为：衬底、透明导电阴极ITO、ZnO电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极层，配制改性后的ZnO前驱体溶液，之后涂覆在所述透明导电阴极ITO表面相形成薄膜，并将所形成的薄膜进行烘烤，得到ZnO电子传输层，改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在乙二醇甲醚中加入醋酸锌和乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂金属盐和聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。优化了ZnO阴极缓冲层与活性层之间的接触，降低了界面间的接触电阻，提高了光生载流子的传输能力，提高了短路电流，最终提高了整个有机太阳能电池的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池及其制备方法。
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、甚至可以实现全柔性化等显著优势，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。有机太阳能电池一般采用反型结构，从下到上依次为：衬底、ITO透明导电阴极、电子传输层、活性层、空穴传输层和金属阳极。在研究有机太阳能电池光电效率的众多实验中，电子传输层多采用溶胶凝胶ZnO薄膜。目前，在太阳能电池中采用旋涂工艺制备溶胶凝胶ZnO薄膜作为电子传输层时，通常采用的溶剂为乙二醇甲醚(C3H8O2)，再通过热退火来形成电子传输层薄膜。采用以上传统方法制备成的ZnO电子传输层存在一些缺陷：ZnO前驱体溶液的溶胶稳定性与溶液陈化时间密切相关，传统工艺过程中的溶胶稳定性较差；同时，传统工艺成膜的ZnO颗粒之间的间隙较大，分散不均，容易形成表面缺陷，从而导致载流子的传输与分离受阻，器件拥有较高的载流子复合几率和较大的界面接触电阻，这些都大大减低了器件捕获太阳光、传输光生载流子的能力，抑制了整个器件的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池及其制备方法，以解决上述传统工艺成膜的ZnO颗粒之间的间隙较大，分散不均，容易形成表面缺陷的问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，所述有机太阳能电池采用反型结构，从下至上依次为：衬底、透明导电阴极ITO、ZnO电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极层，所述ZnO电子传输层的制备方法为，在室温条件下配制改性后的ZnO前驱体溶液，将改性后的ZnO前驱体溶液涂覆在所述透明导电阴极ITO表面相形成薄膜，并将所形成的薄膜进行烘烤，得到所述ZnO电子传输层，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在乙二醇甲醚中加入醋酸锌和乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂金属盐和聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。本申请的技术方案中：对ZnO电子传输层通过掺杂进行改性调控，掺入了聚合物和金属盐，通过掺入金属盐，能有效较少ZnO薄膜表面的氧空位与缺陷，在减小界面接触电阻的同时提高了器件的稳定性，通过掺入聚合物，提高了ZnO前驱体溶液的溶胶稳定性，减缓了胶体粒径随着陈化时间增加而增长的过程，简化了制备工艺要求，更有利于大规模商业化生产，优化了ZnO阴极缓冲层与活性层之间的接触，降低了界面间的接触电阻，提高了光生载流子的传输能力，提高了短路电流，最终提高了整个有机太阳能电池的性能，解决了上述传统工艺成膜的ZnO颗粒之间的间隙较大，分散不均，容易形成表面缺陷的问题。优选的，所述ZnO电子传输层的厚度为20-40nm。优选的，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在0.8-1.2ml乙二醇甲醚中加入80-120mg醋酸锌和26-30mg乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂1-3mg金属盐和1-3mg聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。掺入的金属盐和聚合物质量均不超过0.3％。更为优选的，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在1ml乙二醇甲醚中加入100mg醋酸锌和28mg乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂1-3mg金属盐和1-3mg聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。优选的，所述金属盐为CsF，所述聚合物为PEIE。优选的，所述光活性层由混合溶液制备而成，所述混合溶液包括电子给体材料PTB7-Th与电子受体材料PC71BM。更为优选的，所述混合溶液中所述电子给体材料PTB7-Th与所述电子受体材料PC71BM的质量百分比为1∶1.5，所述光活性层的厚度为80-120nm。优选的，所述空穴传输层的材料为MoO3，所述空穴传输层的厚度为5-20nm。优选的，所述金属阳极层的材料为Ag或Al，所述金属阳极层的厚度为100-200nm。优选的，所述衬底的材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂和聚丙烯酸的一种或多种。一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：(1)对衬底及透明导电阴极ITO组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；(2)在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂改性后的ZnO前驱体溶液形成薄膜，将薄膜进行烘烤，制备得到ZnO电子传输层；(3)在ZnO电子传输层上采用旋涂、喷涂、自组装、喷墨打印或丝网打印的方式制备光活性层，在低于2.5×10-4Pa的真空下放置过夜；(4)在光活性层上蒸镀MoO3制备空穴传输层；(5)在空穴传输层上蒸镀金属阳极，得金属阳极层。优选的，步骤(2)中烘烤温度为180-220℃，烘烤时间为50-70min。更为优选的，步骤(2)中烘烤温度为200℃，烘烤时间为60min。优选的，步骤(2)中改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在0.8-1.2ml乙二醇甲醚中加入80-120mg醋酸锌和26-30mg乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂1-3mg金属盐和1-3mg聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液，所述金属盐为CsF，所述聚合物为PEIE。更为优选的，步骤(2)中改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在1ml乙二醇甲醚中加入100mg醋酸锌和28mg乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂1-3mg金属盐和1-3mg聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液，所述金属盐为CsF，所述聚合物为PEIE。本申请的技术方案中，PEIE为polyethylenimineethoxylated。综上所述，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池采用反型结构，从下至上依次为：衬底、透明导电阴极ITO、ZnO电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极层，所述ZnO电子传输层的制备方法为，在室温条件下配制改性后的ZnO前驱体溶液，将改性后的ZnO前驱体溶液涂覆在所述透明导电阴极ITO表面相形成薄膜，并将所形成的薄膜进行烘烤，得到所述ZnO电子传输层，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在乙二醇甲醚中加入醋酸锌和乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂金属盐和聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池采用反型结构，从下至上依次为：衬底、透明导电阴极ITO、ZnO电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极层，所述ZnO电子传输层的制备方法为，在室温条件下配制改性后的ZnO前驱体溶液，将改性后的ZnO前驱体溶液涂覆在所述透明导电阴极ITO表面相形成薄膜，并将所形成的薄膜进行烘烤，得到所述ZnO电子传输层，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在乙二醇甲醚中加入醋酸锌和乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂金属盐和聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。


2.根据权利要求1所述的一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，其特征在于，所述ZnO电子传输层的厚度为20-40nm。


3.根据权利要求1所述的一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，其特征在于，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在0.8-1.2ml乙二醇甲醚中加入80-120mg醋酸锌和26-30mg乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂1-3mg金属盐和1-3mg聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。


4.根据权利要求3所述的一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，其特征在于，所述改性后的ZnO前驱体溶液的配制方法为，在1ml乙二醇甲醚中加入100mg醋酸锌和28mg乙醇胺溶解得到ZnO前驱体溶液，随后掺杂1-3mg金属盐和1-3mg聚合物，充分溶解并混合均匀后得到改性后的ZnO前驱体溶液。


5.根据权利要求3或4所述的一种基于ZnO电子传输层改性的有机太阳能电池，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于军胜，周畅，胡荣，李璐，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51