鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用的製作方法與工藝
2023-05-10 07:47:26
本發明涉及一種有機太陽能電池，特別涉及一種鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用。
背景技術：
太陽能是國際公認的清潔能源之一，將太陽能轉換成電能的裝置為太陽能電池。目前，太陽能主要有矽基太陽能電池、薄膜太陽能電池和新技術太陽能電池三種。有機太陽能電池(OrganicSolarCells，OSCs)是前景廣闊的一種新技術太陽能電池，其主要構成都是高分子聚合物，具有質輕、價廉、可在柔性襯底上製備、有機材料豐富、製作工藝簡單等優異性質，是當今研究領域中的熱點。近年來，有機太陽能電池受到了各國研究者的青睞，發展十分迅速。有機太陽能電池的現有結構為圖1所示，包括ITO玻璃基板1，陽極修飾層2，活性層3，陰極修飾層4和陰極5。其中，陽極傳修飾2通過漩塗的方式沉積在ITO玻璃基板1上，活性層3則是漩塗在陽極修飾層2上面，再在活性層3上鍍上陰極傳輸層4和陰極5而成為一個完整的器件。一般情況下，正常結構中的陽極傳輸層2為聚(3,4-乙撐二氧噻吩)和聚苯乙烯磺酸鹽的混合溶液(PEDOT:PSS)，PEDOT:PSS是一種透明的很好的陽極修飾層，但是它的酸性很強，容易腐蝕有機太陽能電池中的活性層，使得PEDOT:PSS/活性層中的界面變得很粗糙，缺陷變多，傳輸到此界面的電荷掉進缺陷中就出不來，電荷複合就降低了電池中的電流從而影響有機太陽能電池的效率。因此，選擇一種穩定的且對界面沒有影響的陽極修飾層對太陽能電池的工作效率非常重要。鈣鈦礦氧化物SrTiO3是一種功能材料，在很多電子器件中應用廣泛，且用溶液法製備的SrTiO3質量高，製作方法簡便價廉，環境穩定性好。SrTiO3能級與有機物中的活性層材料的能級匹配非常好，且禁帶寬度為3.2eV，在可見光350nm至800nm的波段範圍內是透明的，不會影響活性層的吸光能力。因此，從這些方面看，SrTiO3是有機太陽能電池中的一種非常合適的潛在的陽極修飾層。中國專利CN102024906A公開一種基於氧化物摻雜有機材料的有機太陽能電池結構，該結構由下至上依次包括：透明襯底；沉積在該襯底上的陽極；沉積在該陽極上的緩衝層；沉積在該緩衝層上的有機電子給體層；沉積在該有機電子給體層上的有機電子受體層；以及沉積在該有機電子受體層上的陰極。其中，陽極採用ITO或FTO，緩衝層採用氧化物摻雜有機材料，氧化物為MoO3、ReO3等低溫材料，有機電子給體層採用CuPc或ZnPc，有機電子受體層採用C60或PTCDA或PTCBI，陰極採用鋁或者鎂銀合金。除了陽極和陰極外各層可採用真空蒸鍍，噴塗，列印等各種沉積有機薄膜的方法製備。該發明可改善有機太陽能電池的穩定性。中國專利CN102299264A公開一種有機太陽能電池的製備方法及其製備的有機太陽能電池，製備方法為：對以透明材料為基板、並在所述基板上刻蝕有條狀透明導電氧化物薄膜的襯底進行清洗烘乾待用，將所述基板上的透明導電氧化物薄膜作為陰極層，採用溼法在陰極層上依次製備具有電子傳輸性能的陰極修飾層、電子給體材料與電子受體材料混合構成的光活性層、具有空穴傳輸性能的陽極修飾層、固化導電漿料形成的陽極層，最後退火得到有機太陽能電池。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對正常結構有機太陽能電池中陽極修飾層的不足和缺陷，提供一種鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用。所述應用是將鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為有機太陽能電池的陰極修飾層。應用鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層製備有機太陽能電池的方法，包括如下步驟：1)採用醋酸鍶和鈦酸四丁酯為原材料，通過溶液法製備SrTiO3前驅溶液，經過NaOH的乙醇溶液將SrTiO3前驅溶液稀釋，將稀釋好的SrTiO3前驅溶液漩塗在ITO玻璃基板上面，通過管式爐在氮氣的環境下做退火處理；2)將步驟1)中獲得的退火處理後的ITO玻璃基板/SrTiO3轉移至手套箱中漩塗活性層P3HT:PC61BM的溶液，待P3HT:PC61BM膜中的溶劑蒸發掉再有活性層膜的整個基片放在熱臺上進行熱退火處理；3)將步驟2)中熱退火處理後的含有P3HT:PC61BM膜的整個基片傳入真空鍍膜機中鍍電極，取出鍍好電極的基片，即得具有完整倒置結構的有機太陽能電池。將製備好的具有完整倒置結構的有機太陽能電池轉移至太陽光模擬器下進行光伏性能測試，發現由SrTiO3作為陰極修飾層的倒置結構的有機太陽能電池有穩定且良好的光伏特性曲線。本發明採用溶液法製備鈣鈦礦氧化物SrTiO3納米顆粒，溶液法製備氧化物材料是一種操作簡單、成本低廉的合成手段，製備的氧化物材料具有比較高的質量，可以應用在各中電子器件中。製備出的SrTiO3納米顆粒與退火溫度密切相關，退火溫度越高，製備的SrTiO3納米顆粒結晶性越好，質量越高。鈣鈦礦氧化物SrTiO3的HOMO(最高佔據分子軌道)和LUMO(最低未被佔據分子軌道)能級分別為7.7eV和4.5eV，與有機太陽能電池中的活性層材料能級匹配非常好，從這點來看，它是一種非常合適的陰極修飾層，避免了有機物修飾層的環境不穩定性的弊端。鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為一種功能材料，在電子器件中有很多應用，比如在隨機存儲器、電晶體、燃料敏化太陽能電池中等，本發明將鈣鈦礦氧化物SrTiO3的應用拓寬到了有機太陽能電池領域。以鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層的有機太陽能電池有穩定和良好的光伏特性曲線，用漩塗方法將SrTiO3溶液甩膜，退火處理後再甩上活性層，最後鍍上電極成為一個完整的電池，有穩定的光伏特性且在穩定性方面有很大的進步空間。本發明的優點為：本發明將鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層應用到倒置結構的有機太陽能電池中，避免了正置結構中酸性陽極修飾層PEDOT：PSS的使用，即避免了PEDOT:PSS/活性層界面缺陷對載流子的複合作用，對有機太陽能電池的穩定性有很大的潛在增強作用。附圖說明圖1為現有有機太陽能電池的結構組成示意圖。圖2為將鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層的有機太陽能電池的結構組成示意圖。圖3為將鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層的有機太陽能電池中各材料的能級圖。具體實施方式下面對鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用進行詳細說明：參見圖2，一種鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用的具體實施方式如下：1)採用醋酸鍶和鈦酸四丁酯為原材料，將醋酸鍶和鈦酸四丁酯分別溶於醋酸和乙醇中各自攪拌，再兩者的溶液混合，使得Sr和Ti原子的比例為1∶1。混合溶液在攪拌後成為SrTiO3前驅溶液，經過NaOH的乙醇溶液將SrTiO3前驅溶液稀釋，將稀釋好的SrTiO3前驅溶液漩塗在ITO玻璃基板(標記為10)上面，通過管式爐在氮氣的環境下做3h的退火處理；2)將步驟1)中獲得的退火後的ITO玻璃基板/SrTiO3轉移至手套箱中漩塗活性層P3HT:PC61BM的溶液，甩好的P3HT:PC61BM膜放在手套箱中進行溶劑退火，待溶劑蒸發乾了，將有活性層膜(標記為30)的整個基片放在熱臺上進行熱退火處理，在110℃退火10min；3)將步驟2)中熱退火處理後的含有P3HT:PC61BM膜的整個基片傳入真空鍍膜機中鍍電極。陽極修飾層MoO3(標記為40)的厚度為3nm和陰極Ag(標記為50)的厚度為60nm，取出鍍好電極的基片，一個完整的倒置結構的有機太陽能電池就製作完成了。將製備好的倒置結構的有機太陽能電池轉移至太陽光模擬器下進行光伏性能測試，發現由SrTiO3作為陰極修飾層的倒置結構的有機太陽能電池有穩定且良好的光伏特性曲線。如圖2所示，應用鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層製備有機太陽能電池包括ITO玻璃基板(標記為10)，SrTiO3納米顆粒層(標記為20)，活性層P3HT:PC61BM層(標記為30)，陽極修飾層MoO3(標記為40)和陰極Ag(標記為50)將鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層置於ITO玻璃基板上，且SrTiO3和電池中的活性層和ITO透明電極的能級匹配非常好(如圖3所示)。此結構克服了正常結構中PEDOT:PSS對PEDOT:PSS/活性層中的界面的腐蝕，拓寬了功能材料鈣鈦礦氧化物SrTiO3的應用範圍。本發明是通過如下技術手段實施的：所述鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層替代其他材料的陰極修飾層應用在有機太陽能電池中，拓寬了鈣鈦礦氧化物SrTiO3的應用範圍且此種太陽能電池表現出穩定和良好的光伏特性曲線。以下給出具體實施例：實施例1一種鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用的具體步驟為：1)採用醋酸鍶和鈦酸四丁酯為原材料，將醋酸鍶和鈦酸四丁酯分別溶於醋酸和乙醇中各自攪拌12h，再兩者的溶液混合，使得Sr和Ti原子的比例為1∶1。混合溶液在繼續攪拌12h後成為SrTiO3前驅溶液，經過NaOH的乙醇溶液(pH＝11)將SrTiO3前驅溶液稀釋，將稀釋好的SrTiO3前驅溶液漩塗在ITO玻璃基板10上面，通過管式爐在氮氣的環境下以150℃退火3h；2)將步驟1)中獲得的退火後的ITO玻璃基板/SrTiO3轉移至手套箱中漩塗活性層P3HT:PC61BM的溶液，轉速500rpm，時間為18s。甩好的P3HT:PC61BM膜放在手套箱中進行溶劑退火，待溶劑蒸發乾了，將有活性層膜30的整個基片放在熱臺上進行熱退火處理，在110℃退火10min，P3HT:PC61BM膜的厚度為250nm左右；3)將步驟2)中熱退火處理後的含有P3HT:PC61BM膜的整個基片傳入真空鍍膜機中鍍電極。真空度為10-5Pa，陽極修飾層MoO340的厚度為3nm和陰極Ag50的厚度為60nm，鍍好電極後，一個完整的倒置結構的有機太陽能電池就製作完成。將製備好的倒置結構的有機太陽能電池轉移至太陽光模擬器下進行光伏性能測試，發現由SrTiO3作為陰極修飾層的倒置結構的有機太陽能電池有穩定且良好的光伏特性曲線，能量轉換效率為2.85％。本發明涉及一種鈣鈦礦氧化物SrTiO3在有機太陽能電池中的應用。這是由鈣鈦礦氧化物SrTiO3作為陰極修飾層應用在有機太陽能電池中，此種太陽能電池表現出穩定的光伏特性曲線。本發明利用溶液法製備鈦礦氧化物SrTiO3納米顆粒，通過不同的溫度退火，再在鈦礦氧化物SrTiO3納米顆粒層上漩塗有機太陽能電池的活性層，鍍上電極成為一個完整的電池。此發明整個過程中方法簡單，易於操作，所製備的SrTiO3納米顆粒質量好，有機太陽能電池由很好的光伏性能，拓寬了SrTiO3的應用範圍，有機太陽能電池的穩定性也有很大的提升空間。