界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池及其制备方法技术

一种界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池及其制备方法，有机太阳能电池包括由下至上依次设置的导电玻璃基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及金属电极，活性层为双层平面异质结Y6/J71与BCF或硼酸盐界面掺杂而成。本发明专利技术还提供一种所述有机太阳能电池的界面掺杂方法以及该界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池的制备方法，制备方法包括在涂有电子传输层的导电玻璃基底表面旋涂受体材料Y6溶液，在涂有水溶性PEDOT:PSS的空白玻璃基底表面旋涂给体材料J71溶液；在涂有给体材料J71溶液的空白玻璃基底表面旋涂掺杂剂溶液，通过进行水转印制备得到活性层。本发明专利技术能大幅度提高电池的光电转化效率，工艺简单，成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]为应对全球变暖及化石能源日益枯竭，可再生能源开发利用日益受到社会的重视。太阳能以不受地域限制、没有噪音、无污染、利用成本较低等显著优势，被认为是利用可再生资源解决日益增长的全球能源需求和解决环境污染的最重要方法之一。受技术进步、规模化经济、供应链竞争日益激烈和开发商经验日益增长的推动，在过去十年间，可再生能源发电成本急剧下降。在2010年至2019年间，太阳能光伏发电成本下降了82％。
[0003]当前，市场上商业化的传统太阳能电池主要以单晶硅、多晶硅等无机半导体太阳能电池为主。无机半导体太阳能电池已经广泛应用于光伏电站和航天领域。然而，无机太阳能电池由于产业链污染严重、耗能巨大等问题限制了其在生活中的广泛应用。
[0004]有机太阳能电池是近年来发展起来的一种新型光伏技术，具有柔性可穿戴、光伏建筑一体化以及室内光应用等独特优点。目前，小面积最高单节效率已经突破了18.2％，达到了商业化应用的标准，因此，有机太阳能电池具有很好的发展前景，其器件结构由氧化铟锡(ITO)导电玻璃、电子传输层、空穴传输层、活性层、金属电极组成。
[0005]有机太阳能电池的工作原理是在光照条件下活性层中给受体区域均可产生激子(电子空穴对)，当激子扩散到给受体材料的界面时，在给受体材料能极差的作用下，电子从给体LUMO转移到受体LUMO上，而给体HOMO中留下的空穴与受体LUMO的电子形成激子，激子克服库伦力即解离势垒之后产生自由电子和空穴，然后空穴和电子分别沿着给体和受体区域传输至对应电极并被收集。激子产生、激子解离以及电荷收集的过程决定了有机太阳能电池的光电转换效率。而有机太阳能电池的主要瓶颈是不够理想的激子传输和解离，电荷传输和电荷重组，其活性层的电荷复合率过高，导致电池工作时空穴
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电荷分离程度不足，器件性能下降。如何促进激子分离、降低电荷复合率进而提高有机太阳能电池的效率是亟待解决的问题。
[0006]目前对于平面异质结来说，通常减少电荷复合所带来的能量损失，可以加界面偶极层来调控界面电场，通过界面单分子层调整界面偶极矩的强度和方向，从而调整平面异质结的能级，减少电荷复合，增强电荷分离程度，提高Voc。还可以通过优化界面局部形貌来实现。采用热处理和不同溶剂控制分子取向和结晶性，从而减少能量损失，实现高开路电压。
[0007]但是现有的两种技术在实际应用中受到工艺和表征的掣肘，界面偶极层调控界面电场的过程较难把握，材料可选择性不多，热处理导致工艺繁琐，形貌优化的标准较模糊，在器件性能的体现上不太稳定。提高有机太阳能电池的效率需要一种工艺简单且机理明确的方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池及其制备方法，大幅度地提高双层平面异质结有机太阳能电池的光电转化效率，控制变量的因素较少，并且工艺简单，还能够降低成本。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术的实施例提供了一种界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池，包括由下至上依次设置的导电玻璃基底、电子传输层、活性层、空穴传输层以及金属电极，所述活性层为双层平面异质结Y6/J71与BCF或硼酸盐界面掺杂而成；
[0011]所述双层平面异质结Y6/J71的给体材料J71结构式如下：
[0012][0013]所述双层平面异质结Y6/J71的受体材料Y6结构式如下：
[0014][0015]所述BCF结构式如下：
[0016][0017]所述硼酸盐结构如下：
[0018][0019]作为一种优选方案：
[0020]所述的导电玻璃基底由透明玻璃以及镀在透明玻璃上的透明铟锡氧化物薄膜制成；
[0021]所述的电子传输层由氧化锌制成；
[0022]所述的空穴传输层由金属钼的氧化物制成；
[0023]所述的金属电极由金属铝制成。
[0024]作为优选，所述活性层中界面掺杂的BCF或硼酸盐均采用浓度为0.01mg/ml的溶液。
[0025]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种所述界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池的界面掺杂方法，包括：
[0026]取BCF或硼酸盐粉末，溶于无水乙醇中，在常温下进行搅拌，得到BCF或硼酸盐溶液；
[0027]将BCF或硼酸盐溶液稀释至中间浓度，再在常温下进行搅拌，稀释至目标浓度；
[0028]将稀释至目标浓度的BCF或硼酸盐溶液搅拌备用。
[0029]作为本专利技术所述界面掺杂方法的一种优选方案，所述BCF或硼酸盐粉末称取1mg，溶于1ml无水乙醇中，在热台常温300r/min搅拌24h，得到1mg/ml的BCF或硼酸盐溶液；
[0030]所述的中间浓度为0.1mg/ml；
[0031]再利用热台常温300r/min搅拌6h，所述的目标浓度为0.01mg/ml；
[0032]将稀释至目标浓度的BCF或硼酸盐溶液利用热台常温300r/min搅拌备用。
[0033]第三方面，本专利技术的实施例还提供了一种所述界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池的制备方法，包括：
[0034]取导电玻璃基底以及空白玻璃基底进行清洁，在清洁后的导电玻璃基底表面旋涂电子传输层，并在清洁后的空白玻璃基底表面旋涂水溶性PEDOT:PSS；
[0035]称取给体材料J71与受体材料Y6，分别溶于氯仿CF中，配置单组份溶液备用；
[0036]在涂有电子传输层的导电玻璃基底表面旋涂受体材料Y6溶液，在涂有水溶性PEDOT:PSS的空白玻璃基底表面旋涂给体材料J71溶液；在涂有给体材料J71溶液的空白玻璃基底表面旋涂掺杂剂溶液，所述掺杂剂溶液为稀释至目标浓度的BCF或硼酸盐溶液；
[0037]将涂有给体材料J71溶液以及掺杂剂溶液的空白玻璃基底置于去离子水表面进行水转印，并使用涂有受体材料Y6溶液的导电玻璃基底进行表面贴合，制备得到活性层；
[0038]在制备得到的活性层表面蒸镀空穴传输层；
[0039]在空穴传输层表面蒸镀金属电极；
[0040]上述步骤结束后得到界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池。
[0041]作为本专利技术制备方法的一种优选方案，所述称取给体材料J71与受体材料Y6，分别溶于氯仿CF中，配置单组份溶液备用的步骤中，称取2.25mg给体材料J71与2.70mg受体材料Y6，分别溶于氯仿CF中，配置得到的单组份溶液中给体材料J71的溶液浓度为5mg/ml，受体材料Y6的溶液浓度为6mg/ml，利用热台在50℃下以300r/min搅拌8h备用。
[0042]作为本专利技术制备方法的一种优选方案，在所述取导电玻璃基底以及空白玻璃基底进行清洁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池，其特征在于，包括由下至上依次设置的导电玻璃基底(1)、电子传输层(2)、活性层(3)、空穴传输层(4)以及金属电极(5)，所述活性层(3)为双层平面异质结Y6/J71与BCF或硼酸盐界面掺杂而成；所述双层平面异质结Y6/J71的给体材料J71结构式如下：所述双层平面异质结Y6/J71的受体材料Y6结构式如下：所述BCF结构式如下：所述硼酸盐结构如下：
2.根据权利要求1所述界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池，其特征在于：所述的导电玻璃基底(1)由透明玻璃以及镀在透明玻璃上的透明铟锡氧化物薄膜制成；所述的电子传输层(2)由氧化锌制成；所述的空穴传输层(4)由金属钼的氧化物制成；所述的金属电极(5)由金属铝制成。3.根据权利要求1所述界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池，其特征在于：所述活性层(3)中界面掺杂的BCF或硼酸盐均采用浓度为0.01mg/ml的溶液。4.一种如权利要求1所述界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池的界面掺杂方法，其特征在于，包括：取BCF或硼酸盐粉末，溶于无水乙醇中，在常温下进行搅拌，得到BCF或硼酸盐溶液；将BCF或硼酸盐溶液稀释至中间浓度，再在常温下进行搅拌，稀释至目标浓度；将稀释至目标浓度的BCF或硼酸盐溶液搅拌备用。5.根据权利要求4所述的界面掺杂方法，其特征在于：所述BCF或硼酸盐粉末称取1mg，溶于1ml无水乙醇中，在热台常温300r/min搅拌24h，得到1mg/ml的BCF或硼酸盐溶液；所述的中间浓度为0.1mg/ml；再利用热台常温300r/min搅拌6h，所述的目标浓度为0.01mg/ml；将稀释至目标浓度的BCF或硼酸盐溶液利用热台常温300r/min搅拌备用。6.一种如权利要求1至3中任意一项所述界面掺杂双层平面异质结有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：取导电玻璃基底(1)以及空白玻璃基底进行清洁，在清洁后的导电玻璃基底(1)表面旋涂电子传输层(2)，并在清洁后的空白玻璃基底表面旋涂水溶性PEDOT:PSS；称取给体材料J71与受体材料Y6，分别溶于氯仿CF中，配置单组份溶液备用；在涂有电子传输层(2)的导电玻璃基底(1)表面旋涂受体材料Y6溶液，在涂有水溶性PEDOT:PSS的空白玻璃基底表面旋涂给体材料J71溶液；在涂有给体材料J71溶液的空白玻璃基底表面旋涂掺杂剂溶液，所述掺杂剂溶液为稀释至目标浓度的BCF或硼酸盐溶液；将涂有给体材料J71溶液以及掺杂剂溶液的空白玻璃基底置于去离子水表面进行水转印，并使用涂有受体材料Y6溶液的导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫晗，赵葳蕤，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：