本发明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，具体涉及一种基于金属纳米颗粒磁热效应退火工艺的有机光伏器件制备工艺。
背景技术：
随着世界经济的飞速发展和科学技术的日益更新，新型能源的开发与利用是当前社会发展的基础所需及重点发展方向。目前，新型清洁能源主要包括：风能、热能、核能及太阳能等，在此前提下，太阳能以其取值不尽，用之不竭，完全绿色无污染等特性收到研究人员的广泛关注。关于太阳能的利用，目前主要分为光伏技术于光热技术两大类，而太阳能光伏家属作为一种直接将光能转换为电能的能源获取手段，以其独特的能源获取方式及有效的电能产出成为前沿热门研究领域。光伏研究的发展主要经历了第一代硅基光伏电池，第二代无机化合物光伏电池及目前以有机、钙钛矿等为主的第三代薄膜光伏电池，其中，第三代薄膜有机太阳能光伏器件以其良好的柔韧性、可大面积生产、质轻无毒等特点成为了目前光伏领域研究中不可或缺的一部分，其也被认为是理想的可穿戴电子皮肤功能装备原型。
近年来，y系列基于非富勒烯受体的有机太阳能电池已将性能迅速提高到18％以上，这主要归功于其理想的光学和电学性能确保了该类型器件具有足够高的短路电流密度和填充系数，但是相较于这两特性而言，开路电压低仍然是该类型光伏器件的一大缺陷。基于此，开发新材料或设计新颖的器件结构以改善有机光伏器件的开路电压已成为有机光伏进一步商业化的关键问题。
目前，y系列非富勒烯有机光伏器件性能直追传统商业化的硅基光伏器件性能(>20％)。近3年来，大量的基于y系列非富勒烯材料的新型材料合成也成为研究人员主要的研究目标，然而，快速的材料合成发展导致真的对器件光活性层及器件内部工作机理的研究略有缺乏。因此，研究如何控制有机光活性层内部结晶情况、如何优化不同功能层之间的接触情况，是提高有机太阳能电池功率转换效率、提高器件稳定性的有效途径，也是目前有机太阳能电池领域研究的重点及难点之一。
金属纳米颗粒磁热效应退火工艺的有机光伏器件，属于有机半导体薄膜太阳能电池领域，采用反型结构，从下到上依次为衬底，透明导电阴极ito，zno阴极缓冲层，氧化铁纳米颗粒掺杂的光活性层，moo3阳极缓冲层，金属阳极；氧化铁纳米颗粒掺杂的光活性层为在配制溶液时将氧化铁纳米颗粒溶液少量掺杂到光活性层溶液中进行共同旋涂制备，制备成膜后将太阳能电池器件置于通有交变电流的导线圈中，利用金属薄层的磁热效应实现非接触式直接加热器件整体，从光活性层直接进行有效的热退火处理。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于金属纳米颗粒磁热效应退火工艺的有机光伏器件制备工艺，制备过程包括以下步骤：
步骤1：对由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：在透明导电阴极ito表面旋转涂覆、印刷或喷涂阴极缓冲层zno溶胶凝胶前驱溶液，并进行热退火，退火温度为200℃，退火时间为2h；
步骤3：滴加pm6:y6：fe3o4混合溶液于zno缓冲层上，并通过旋涂工艺制备混合光活性层，旋涂时的旋转转速为4000rpm，时间为40s,涂覆的厚度为110nm；
步骤4：将器件转移至通有高频交变电流的导线圈中，利用磁热效应对光活性层进行热退火处理，退火温度为90℃，退火时间为10min；
步骤5：在真空度为3*10-3pa条件下，在光活性层表面蒸镀moo3，制备得到阳极缓冲层；
步骤6：在真空度为3*10-4pa条件下，蒸镀金属阳极。
优选的，步骤(2)所述阴极缓冲层热退火温度范围在200～250℃，时间范围为1～2h。
优选的，所述热退火和低温烘烤方式采用涡流生热、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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.氧化铁磁性纳米颗粒的加入，可以起到固体添加剂的作用，能够有效的调控光活性层形貌，填补光活性层内部缺陷，促进光活性层内部电荷分离及传输，并有效抑制光生载流子的复合，进而提高器件电流输出特性。
2.氧化铁磁性纳米颗粒在光活性层中可以扮演能量调节剂的作用，通过纳米颗粒自身能级特性，调控光活性层表面能级，实现光活性层与电极缓冲层之间的良好接触，进而提高器件开路电压特性。进一步的，氧化铁磁性纳米颗粒具备一定的磁光效应，当器件处于强磁场中时，器件工作电流输出更大，基于此，器件可以获得高开路电压、高短路电流的优异特性。
3.磁性纳米颗粒在交变磁场中能够利用磁热效应自身发热，在本发明中，利用该特性，能够实现对光活性层的内部直接热退火处理，即从自身向外退火，该方式能够有效从内部向外加热活性层，促进光活性层内部残余溶剂有效挥发，进而实现高质量光活性层的有效制备，并基于此，提高器件填充因子与短路电流等特性。
具体实施方式
实施例1：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阴极ito表面旋转涂覆zno；旋转转速为5000rpm，时间为50s,涂覆的厚度为40nm，制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火处理，热退火处理的温度为200℃，时间2h；
3.在阴极缓冲层上滴覆pm6:y6溶液，pm6:y6的比例为1:1，溶液浓度为6mg/ml，采用旋涂工艺制备光活性层，转转速为4000rpm，时间为40s,涂覆的厚度为90nm；
4.大气环境下将pm6:y6光活性层置于90℃恒温热台上加热退火10min；
5.在光活性层上蒸镀阳极缓冲层moo3，蒸镀的阳极缓冲层moo3厚度为15nm；
6.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag，蒸镀的金属阳极ag的厚度为100nm；
7.在标准测试条件下：am1.5,100mw/cm2，测得器件的开路电压(voc)＝0.83v，短路电流(jsc)＝22.3ma/cm2，填充因子(ff)＝0.69，光电转换效率(pce)＝12.77％。
实施例2：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阴极ito表面旋转涂覆zno制备阴极缓冲层；旋转转速为5000rpm，时间为50s,涂覆的厚度为40nm，并将所形成的薄膜进行热退火处理热退火处理的温度为200℃，时间为2h；
3.采用旋涂工艺制备混合光活性层，在混合光活性层上涂覆pm6:y6:fe3o4溶液，pm6:y6:fe3o4溶液中pm6:y6:fe3o4比例为1:1:0.1；溶液浓度为6mg/ml，旋涂时的旋转转速为4000rpm，时间为40s,涂覆的厚度为110nm；
4.大气环境下将pm6:y6:fe3o4光活性层置于通有交变电流的导线圈中进行磁热退火，退火温度为90℃，退火时间为10min；
5在光活性层上蒸镀阳极缓冲层，moo3的厚度为15nm；
6.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag的厚度为100nm；
7.在标准测试条件下：am1.5,100mw/cm2，测得器件的开路电压(voc)＝0.86v，短路电流(jsc)＝21.13ma/cm2，填充因子(ff)＝0.65，光电转换效率(pce)＝11.81％。
实施例3：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阴极ito表面旋转涂覆zno制备阴极缓冲层，其旋转转速为5000rpm，时间为50s涂覆zno的厚度为40nm，并将所形成的薄膜进行热退火处理；退火温度为200℃，退火时间为2h；
3.采用旋涂工艺制备混合光活性层，在混合光活性层上涂覆pm6:y6:fe3o4溶液，pm6:y6:fe3o4溶液中pm6:y6:fe3o4的比例为1:1:0.2，溶液浓度为6mg/ml，旋转转速为4000rpm，时间为40s,涂覆的厚度为110nm；
4.大气环境下将pm6:y6:fe3o4光活性层置于通有交变电流的导线圈中进行磁热退火退火温度为90℃，时间为10min；
5在光活性层上蒸镀阳极缓冲层，蒸镀的阳极缓冲层moo3厚度为15nm；；
6.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag，蒸镀的金属阳极ag的厚度为100nm；
7.在标准测试条件下：am1.5,100mw/cm2，测得器件的开路电压(voc)＝0.86v，短路电流(jsc)＝22.35ma/cm2，填充因子(ff)＝0.68，光电转换效率(pce)＝13.07％。
实施例4：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阴极ito表面旋转涂覆zno制备阴极缓冲层；旋转转速为5000rpm，时间为50s,涂覆的厚度为40nm，并将所形成的薄膜进行热退火处理，退火处理的温度问200℃，时间为2h；
3.采用旋涂工艺制备混合光活性层，在混合光活性层上涂覆pm6:y6:fe3o4溶液，pm6:y6:fe3o4溶液中pm6:y6:fe3o4的比例为1:1:0.3，溶液浓度为6mg/ml；旋涂的转速为4000rpm，时间为40s，涂覆的厚度110nm；
4.大气环境下将pm6:y6:fe3o4光活性层置于通有交变电流的导线圈中进行磁热退火，退火温度为90℃，退火时间为10min；
5在光活性层上蒸镀阳极缓冲层moo3，蒸镀的阳极缓冲层moo3厚度为15nm；
6.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag，蒸镀的金属阳极ag的厚度为100nm；
7.在标准测试条件下：am1.5,100mw/cm2，测得器件的开路电压(voc)＝0.87v，短路电流(jsc)＝24.76ma/cm2，填充因子(ff)＝0.71，光电转换效率(pce)＝15.29％。
实施例5：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阴极ito表面旋转涂覆zno制备阴极缓冲层，旋转的转速为5000rpm，时间为50s，涂覆的厚度为40nm，并将所形成的薄膜进行热退火处理，退火的温度为200℃，退火时间为2h；
3.采用旋涂工艺制备混合光活性层，在混合光活性层上涂覆pm6:y6:fe3o4溶液，pm6:y6:fe3o4溶液中pm6:y6:fe3o4的比例为1:1:0.4，溶液浓度为6mg/ml，旋涂过程中的转速为4000rpm，时间为40s,涂覆的厚度为110nm；
4.大气环境下将pm6:y6:fe3o4光活性层置于通有交变电流的导线圈中进行磁热退火，退火温度为90℃，退火时间为10min；
5在光活性层上蒸镀阳极缓冲层moo3，蒸镀的阳极缓冲层moo3厚度为15nm；
6.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag，蒸镀的金属阳极ag的厚度为100nm；
7.在标准测试条件下：am1.5,100mw/cm2，测得器件的开路电压(voc)＝0.86v，短路电流(jsc)＝21.12ma/cm2，填充因子(ff)＝0.66，光电转换效率(pce)＝11.99％。
实施例6：
1.对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ito所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2.在透明导电阴极ito表面旋转涂覆zno制备阴极缓冲层，旋涂的转速为5000rpm，时间为50s，涂覆的厚度为40nm，并将所形成的薄膜进行热退火处理，退火的温度为200℃，时间为2h；
3.采用旋涂工艺制备混合光活性层，在混合光活性层上涂覆pm6:y6:fe3o4溶液，pm6:y6:fe3o4溶液中pm6:y6:fe3o4的比例为1:1:0.3，溶液的浓度为6mg/ml，旋涂过程中的转速为4000rpm，时间为40s,涂覆的厚度为110nm；
4.大气环境下将pm6:y6:fe3o4光活性层置于90℃恒温热台上加热退火10min；
5在光活性层上蒸镀阳极缓冲层moo3，蒸镀的阳极缓冲层moo3厚度为15nm；
6.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极ag，蒸镀的金属阳极ag的厚度为100nm；
7.在标准测试条件下：am1.5,100mw/cm2，测得器件的开路电压(voc)＝0.86v，短路电流(jsc)＝23.76ma/cm2，填充因子(ff)＝0.69，光电转换效率(pce)＝14.10％。
可以看出：通过引入磁性纳米颗粒，利用磁热效应退火制备的有机太阳能电池，即实例2～5制备而成的有机太阳能电池，相比于未经处理制备的有机太阳能电池，即实例1制备而成的有机太阳能电池，其jsc变大，ff提高，voc提升；这是由于磁性纳米颗粒磁热退火法对器件光活性层成膜的良好优化及其弱磁光效应对器件光学吸收的有效贡献，其次，磁性纳米颗粒对光活性层能级的优化及对活性层内部能量损耗的抑制也进一步的提高了器件开路电压，最终实现了有机光伏器件能量转换效率的提升；进一步的，通过对比标准器件，即实例1，与纳米颗粒磁热退火及纳米颗粒常规退火法制备的有机光伏器件，即实例4、6，说明磁性纳米颗粒的加入对有机光伏器件有着明显的优化效果，且磁热退火相较于常规热退火，能够制备质量更加优异的活性层薄膜，最终通过磁性纳米颗粒的加入与磁热退火法的调控，器件的能量转换效率得到了大幅提升。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内；本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。