基于三层给体层的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机太阳能电池领域，具体设及一种基于=层给体层的有机薄膜太阳 能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 自从进入了 21世纪之后，由于全球对能源的需求逐年增加，对可再生能源的有效 利用成已经为亟待解决的问题。太阳能占地球总能量的99%W上，其具有取之无尽，用之无 竭，没有污染的特点，世界上的能源供应基本上只能维持在微弱的供需平衡里。除开该些能 源储量的问题之外，使用该些能源所带来的环境污染同样威胁到了人类的生存。C02等温 室气体会使全球气候变暖，S02等粉尘会产生酸雨，都会影响到人们的健康。资源渐渐在枯 竭，生态持续恶化，人们生存面临着严峻的挑战。所W，寻找出一种清洁、安全、可持续发展 的新能源成为了当务之急，太阳能正式该种理想能源。无机太阳能电池的技术较为成熟，效 率远高于有机太阳能电池。多晶娃太阳能电池平均转换效率达到19. 15%，最高转换效率达 到19. 4%，但是缺点也很明显，无机半导体材料的加工工艺非常复杂、材料要求苛刻且价格 贵、制造能耗大、不易进行大面积柔性加工、生产设备昂贵、某些材料具有毒性。目前，有机 太阳能电池因为其低成本、轻质量、简便的制造工艺、广泛的材料来源具备潜在的商业价值 及应用价值，受到了公司、研究机构、及大学的青睐。
[0003] 但是尽管有机太阳能电池近年来发展迅速，光电转换效率也已经突破了 12%，但 其相比于无机太阳能电池，较低的光电转换效率仍然是主要的缺陷，也是防止其商业化的 一大阻碍。在提高效率的方法上，通过合理的能级匹配，不同光谱的材料的叠加，加入阳极 修饰层来阻挡激子进入阳极，获得更好的界面是十分有效的方法，传统的是加入M〇03。
[0004] 但是该个方法仍然无法很好解决激子在界面的泽灭和进入阳极或者阳极修饰层， 很多激子在传输过程中泽灭消失，无法形成高效的激子传输进入分离界面，产生光电流。
【发明内容】
[0005] 本发明主要解决的技术问题是；如何提供一种基于=层给体层的有机薄膜太阳能 电池，提高激子的利用效率和光电流。
[0006] 本发明的技术方案为：基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池，采用正型结构， 从下到上依次为透明衬底、透明阳极电极、阳极修饰层、第一给体层、第二给体层、第=给体 层、受体层、电子缓冲层和阴极电极，其中，从第一给体层到第=给体层，材料的LUM0、HOMO 能级依次增大或者不减，并且禁带宽度依次减少，相邻LUM0能级之差小于0. 4eV。
[0007] 进一步地，本发明中，S层给体材料是：并五苯、5, 6, 11，12-四苯基并四苯、献菁、 亚献菁、化咐、菁、巧、聚（3-己基唾吩）、聚（2-甲氧基-5-(2-己基己氧基）-1，4-亚苯基 己撑）、聚[巧-(1-辛基壬基）-9H-巧挫-2, 7-二基]-2, 5-唾吩二基-2, 1，3-苯并唾二 挫-4, 7-二基-2, 5-唾吩二基]、聚苯己締撑系列材料、聚唾吩系列材料或基于芳环并唾二 挫基团的给体材料中的两种材料的混合。
[0008] 进一步地，本发明中，第一给体层为红巧締，第二给体层为亚献菁和并五苯的混 合，第=给体层为献菁锋。
[0009] 进一步地，本发明中，第二给体层中亚献菁与并五苯的重量比例为亚献菁；并五 苯=3 ; 1 ;
[0010] 进一步地，本发明中，第一给体层厚度为5nm，第二给体层厚度为7nm，第S给体层 厚度5nm，
[0011] 进一步地，本发明中，受体层为；富勒締衍生物、BBL、PTPTB或含巧酷亚胺聚合物 中的一种或它们的混合。优选为Ce。，厚度为30皿。
[0012] 进一步地，本发明中，所述阳极修饰层为有机导电聚合物薄膜或金属氧化物薄膜， 其中有机导电聚合物薄膜为PED0T;PSS或PANI类有机导电聚合物薄膜，金属氧化物薄膜 为氧化钢薄膜或氧化镶薄膜。本发明中采用Mo化。
[0013] 进一步地，本发明中，透明衬底是玻璃或者柔性基片或者金属片；透明阳极电极是 金属氧化物薄膜；阴极电极是裡、儀、巧、锁、侣或铜中的一种或由它们的合金。本发明中优 选采用Ag作为阴极电极。
[0014] 基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池的制备方法，它包括W下步骤：
[0015] 9)清洗由透明衬底及透明阳极电极IT0所组成的基板，然后用氮气吹干；
[0016] 10)在IT0上制备一层阳极修饰层；
[0017] 11)在阳极修饰层上制备第一给体层；
[0018] 12)在第一给体层上制备第二给体层；
[0019] 13)在第二给体层上制备第S给体层；
[0020] 14)在第S给体层上制备受体层；
[0021] 15)在受体层上制备电子缓冲层；
[0022] 16)在电子缓冲层上制备阴极电极。
[0023] 进一步地，透明阳极电极和阴极电极通过真空热蒸锻、磁控瓣射、等离子体增强的 化学气相沉积、丝网印刷或打印中的一种方法制备；第一给体层，第二给体层，第=给体层， 受体层和电子缓冲层通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸锻、滴膜、压 印、印刷或气喷中的一种方法制备。
[0024] 本发明中通过不同光谱范围的=个材料，提高了光吸收效率；通过对第二给体层 的渗杂来改变能级，使=个给体层能级形成材料的LUM0、HOMO能级依次增大或者不减，并 且禁带宽度依次减少，相邻LUM0能级之差小于0. 4eV，提高了激子的利用效率，提高了光电 流，同时渗杂提高了第二给体层的空穴迁移率，进一步提高短路电流，良好的能级梯度提高 了开路电压和FF。
[0025] 与现有技术相比；本发明具有W下优点：
[0026] 1、提高了光谱吸收范围；
[0027] 2、增加了激子的利用效率；
[0028] 3、提高了载流子的迁移率；
[0029] 4、优化了材料的能级匹配。
【附图说明】
[0030] 图1所示系本发明一种基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池电池的结构示意 图；
[0031] 图2所示系基于本发明的一种基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池的能级示 意图；
[0032] 图3所示系基于本发明的一种基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池部分J-V曲 线图；
[0033] 图4所示系基于本发明的一种基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池的給体材 料的光谱图；
[0034] 表1所示系基于本发明的一种基于S层给体层的有机薄膜太阳能电池的单个給 体和两个給体的J-V数据。
【具体实施方式】
[00巧]本发明的技术方案是提供一种基于=层给体层的有机薄膜太阳能电池，如图1所 示，器件结构包括，从下到上依次为；1透明衬底，2透明阳极电极，3阳极修饰层，4第一给体 层，5第二给体层，6第=给体层，7受体层，8电子缓冲层和9阴极电极。
[0036] 本发明中的透明衬底1是整个器件的支撑，并且至少在可见光频率范围内有高的 透过率，具有一定防水汽和氧气渗透的作用，表面的平整度较高，它可W是玻璃、柔性基片、 金属片或金属巧片。
[0037] 本发明中的透明阳极电极2的材料是无机金属氧化物（如氧化铜锡IT0,氧化锋 ZnO等）。材料要求至少在可见光频率范围内有高的透过率，材料的导电性高，且有较高的 功函数。
[0038] 本发明中的阳极修饰层3为金属氧化物Mo〇3。
[0039] 本发明中的第一给体层4和第S给体层6分别为；Rubrene，ZnPc;受体材料7为 Ceo。
[0040] 本发明中的第二给体层5为Sub化和化ntance的混合层。
[0041] 本发明中通过对第二给体层5的渗杂来改变能级，使=个给体层能级形成材料 的LUM0、HOMO能级依次增大或者不减，并且禁带宽度依次减少，两两LUM0能级之差小于 0. 4eV，所满足的給体材料为Rubrene，SubPc，化化，渗杂材料为化ntance，受体材料为Ce。。
[0042] 本发明中的电子缓冲层8是金属有机配合物、化晚类、邻菲咯咐类、曠二挫类或咪 挫类化合物材料中的一种，其中金属有机配合物包括8-哲基嗟咐侣或二（2-甲基-8-嗟 咐并）-4-(苯基苯酪）侣，化晚类化合物包括S[2,4,6-S甲基-3-(化晚-3-yl)苯 基]-棚烧，邻菲咯咐类化合物包括2, 9-二甲基-4, 7-联苯-1，10-邻二氮杂菲或者4, 7-联 苯-1, 10-邻二氮杂菲，曠二挫电子传输材料是2-(4-二苯基）-5-(4-叔了苯基）-1, 3, 4-曠 二挫或1，3-二[(4-S元胺-了基苯基）-1，3, 4-重氮基酸-5-yl]苯，咪挫类电子传输材 料是1，3, 5-S(N-苯基-苯并咪挫-2)苯等。
[0043] 本发明中的阴极电极9可W是裡、儀、巧、锁、侣、铜或它们组合形成的合金。材料 要求有良好的导电性，材料的功函数要低。
[0044] 本发明中的透明阳极电极2和阴极电极9可W采用真空热蒸锻、磁控瓣射、等离子 体增强的化学气相沉积、丝网印刷或打印中的一种方法制备。
[0045] 本发明中的阳极修饰层3、第一给体层4、第二给体层5、第=给体层6、受体层7和 电子缓冲层8可W采用离子体增强的化学气相沉积、热氧化、真空蒸锻、旋涂、滴膜、压印、 印刷或气喷中的一种方法制备。
[0046] 下面是本例的具体实施例：
[0047] 实施例1 ;
[004引有机太阳能电池结构如图2所示。器件各层的材料和厚度与渗杂比例为；透明衬 底为玻璃，透明阳极电极为口0,厚度为180nm;阳极修饰层为Mo03,厚度为lOnm;第一给体 层为Rubrene，厚度为5皿；第二给体层为SubPc;化ntance= 10:1，厚度为7皿；第S给体 层为化Pc，厚度为5皿演体层为Ceci，厚度为30皿；电子缓冲层为化hen,厚度为5皿；阴极 电极为Ag，厚度为130皿。
[0049] 其制备方法如下；
[0050] ①瓣射好透明阳极电极IT0的玻璃衬底使用洗漆剂、去离子水、丙酬溶液和己醇 溶液超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
[005。②将上述IT0基片移入真空室，在25化的气压、氧气和氣气的环境下对IT0玻璃 进行等离子处理5分钟，瓣射功率为20W，之后冷却15分钟。
[0052] ⑨在上述处理后的基片置于真空度大于3X1(T中a,蒸锻速率为1nm/s，材料为 Mo化，厚度为5nm，蒸锻速率及厚度由安装在基片附近的晶振膜厚仪监控
[0053] ④将上述处理后的基片置于真空度大于lXl(T5Pa的有机腔蒸发室中，开始进行 有机薄膜的蒸锻。蒸锻Rubrene，蒸锻速率为0.Inm/s，厚度为5nm，蒸锻速率及厚度由安装 在基片附近的晶振膜厚仪监控。
[