一种基于聚芴阴极界面自组装阳极等离子体共振效应的有机太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于聚芴阴极界面自组装阳极等离子体共振效应的有机太阳能电池及其制备方法，该方法利用具有高导电率的两亲性聚芴材料作为阴极传输层，利用其自组装提高与ITO的界面接触，代替传统TiO

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于聚芴阴极界面自组装阳 极等离子体共振效应的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

有机太阳能电池因为特有的柔性，可弯曲，低成本，可以大面积印刷生产等优点 近年来越来越受到研究人员的关注，文献报道基于共混体系反型有机太阳能电池已经 具有较高的效率，然而对于基于无机氧化物作为阴极传输层的反型聚合物有机太阳能 电池来说，无机氧化物本身固有的缺陷，以及溶胶凝结法的缺点使制备的电池具有高 的载流子复合，低的激子传输能力等缺点，解决无机传输层所带来的缺点，进一步提 高电池效率是研究人员必须面对的问题。世界各地的研究人员尝试通过各种方法改善 器件特性，提高器件性能，例如，界面修饰，活性层参杂，器件活性层改性等方法， 而在本发明中通过自组装的处理方法制作基于聚芴类阴极传输层的有机太阳能电池， 并且利用金纳米粒子表面等离子体共振效应提高光利用，进一步提高有机太阳能电池 的性能，

发明内容

本发明的目的是提供一种基于聚芴阴极界面自组装阳极等离子体共振效应的有机 太阳能电池及其制备方法。该方法利用具有高导电率的两亲性聚芴材料作为阴极传输 层，利用其自组装提高与ITO的界面接触，代替传统TiO₂、ZnO等无机传输层，减 小界面复合，提高有机太阳能性能；同时，利用真空蒸镀的方法直接在活性层上蒸镀 金纳米粒子，利用其表面等离子体效应，增加对光的散射，增加光程，进而提高对光 的利用率，从而提高器件的性能。本发明器件制备过程简单，低能耗，成本低，不产 生有害副产物，易于操作。

本发明中的基于聚芴阴极界面自组装阳极等离子体共振效应的有机太阳能电池制 备主要包括两部分：1，自组装聚芴阴极传输层的制备：2，表面等离子体共振金纳 米粒子蒸镀。

本发明所制备的有机太阳能电池，从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底、电子传 输层、PCDTBT:PCBM活性层、MoO₃空穴传输层和Ag阳极组成，其特征在于：利 用具有高导电率的两亲性聚芴材料PDHF-Cl作为电子传输层，利用其自组装提高与 ITO的界面接触，代替传统TiO₂、ZnO等无机传输层，减小界面复合，提高有机太 阳能性能；同时，利用真空蒸镀的方法在PCDTBT:PCBM活性层上蒸镀金纳米粒子， 利用其表面等离子体效应，增加对光的散射，增加光程，进而提高对光的利用率，从 而提高器件的性能，其中PDHF-Cl聚芴电子传输层的厚度为10～30nm、 PCDTBT:PCBM活性层的厚度为100～300nm、金纳米粒子层的厚度为1～2nm(膜厚 仪的监测数值)、MoO₃空穴传输层的厚度为3～5nm、Ag阳极的厚度为80～120nm。

本发明所述的基于聚芴阴极界面自组装阳极等离子体共振效应的有机太阳能电池 制备方法，其步骤如下：

1)衬底的处理

将ITO导电玻璃放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20～30 分钟，清洗后用氮气吹干；

2)自组装聚芴传输层的制备

a，ITO表面羟基化处理

将步骤1)处理得到的ITO导电玻璃衬底浸入0.5～1.5mg/mL的KOH的甲醇溶 液中浸泡10～30h，对其进行羟基化处理，使ITO导电玻璃衬底表面悬挂一层OH；

b，自组装界面制备

将聚芴PDHF-Cl溶解在四氢呋喃溶剂中配制成500～1500PPM的溶液，接着将 所得PDHF-Cl溶液利用旋转涂敷法旋涂在羟基化处理的ITO导电玻璃衬底表面，旋 涂速度为1000～2000rpm；然后将带有PDHF-Cl的ITO导电玻璃衬底在70～110℃条 件下退火10～20min；退火过程中PDHF-Cl分子中的Cl将会与ITO表面的OH发生 自组装，即可在ITO导电玻璃衬底表面上制得PDHF-Cl电子传输层，薄膜的厚度为 10～30nm；

3)活性层制备

a，活性层溶液配制

室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM(质量比1:4)溶于有机溶 剂二氯苯(北京百灵威公司)中，配置成5～10mg/mL的溶液，然后在100～400rpm 的搅拌速度下搅拌24～48h，即可配置成PCDTBT：PCBM活性层溶液；

b，活性层制备

在步骤2)聚芴薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM活性层溶液，转速为1000～2500rpm； 然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70～100℃退火10～40分钟，从 而在PDHF-Cl电子传输层上制得PCDTBT:PCBM活性层，厚度为200～300nm；

4)金纳米粒子层制备

在压强为1×10^-4～1×10^-5Pa条件下，在活性层上蒸镀金纳米粒子(国药集团化学 试剂有限公司)，厚度显示仪显示厚度为1～2nm，生长速度为

5)在压强为1×10^-4～1×10^-5Pa条件下，在蒸镀过金纳米粒子的活性层上蒸镀MoO₃(国药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为3～5nm，生长速度为

6)最后在压强为1×10^-5～1×10^-3Pa条件下在MoO₃空穴传输层上蒸镀Ag(国药 集团化学试剂有限公司)电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备 得到本发明所述的有机太阳能电池。

附图说明

图1：本发明所述有机太阳能电池的结构示意图；

图2：本发明制备的反型有机太阳能电池(结构为玻璃 /ITO/PDHF-Cl/PCDTBT:PCBM/Au/MoO₃/Ag)与传统反型有机太阳能电池(结构为 玻璃/ITO/TiO_2/PCDTBT:PCBM/MoO₃/Ag)光电流的对比曲线；

如图1所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为ITO导电玻璃衬底， 2为PDHF-Cl电子传输层，3为活性层，4为金纳米粒子层，5为MoO₃空穴传输层， 6为Ag电极。

如图2所示，在100mw/cm²的氙灯光照下测得了V-I特性曲线，B为对比器件， A为本发明制备的器件。图2结果说明本发明制备的反型有机太阳能电池与传统反型 有机太阳能电池光电流曲线的对比，其电池短路电流、填充因子、能量转换效率明显 提高。

具体实施方式

1)衬底的处理

将ITO导电玻璃放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20分 钟，清洗后用氮气吹干；

2)自组装聚芴传输层的制备

a，ITO表面羟基化处理

将ITO基底浸入事先配制好的1mg/mL的KOH的甲醇溶液中浸泡20h，对其进 行羟基化处理，使ITO表面悬挂一层OH。

b，自组装界面制备

将聚芴PDHF-Cl溶解在四氢呋喃溶剂中配制成1000PPM的溶剂待用，接着将所 得PDHF-Cl溶剂利用旋转涂敷法旋涂在羟基化处理的ITO表面，旋涂速度为 1000rpm；然后将带有PDHF-Cl的ITO导电玻璃在100℃条件下退火20min；退火 过程中将PDHF-Cl分子中的Cl将会与ITO表面悬挂的OH发生自组装，即可在ITO 上制得聚芴薄膜，薄膜的厚度为20nm；

3)活性层制备

a，活性层溶液配制

室温条件下，将给体材料PCDTBT与受体材料PCBM(质量比1:4)溶于有机溶剂 二氯苯(北京百灵威公司)中，配置成7mg/mL的溶液，然后在300rpm的搅拌速度 下搅拌48h，即可配置成PCDTBT：PCBM的混合溶液；

b，活性层制备

在PDHF-Cl薄膜上旋涂PCDTBT:PCBM混合溶液，转速为20500rpm；然后， 将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以70℃退火20分钟，从而在TiO₂薄膜 上制得PCDTBT:PCBM活性层，厚度为200nm；

4)金纳米粒子制备

在压强为1×10^-5Pa条件下，在活性层上蒸镀金纳米粒子(国药集团化学试剂有 限公司)，厚度显示仪显示厚度为1nm，生长速度为

5)在压强为1×10^-5Pa条件下，在蒸镀过金纳米粒子的活性层上蒸镀MoO₃(国 药集团化学试剂有限公司)空穴传输层，厚度为3nm，生长速度为

6)最后在压强为1×10^-5Pa条件下在MoO₃空穴传输层上蒸镀Ag(国药集团化 学试剂有限公司)电极，厚度为100nm，生长速度为进而制备得到本发明所 述的有机太阳能电池。