一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明提供一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法，具体制备方法为：将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底；将乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液旋涂于衬底上，退火得到阴极层；在室温下，将PTB7‑Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，将混合溶液旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与醇类混合溶剂，退火，得到光敏活性层；将光敏活性层置于真空镀膜机中，依次蒸镀三氧化钼和金属铝，形成阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

进入21世纪以后，随着世界经济的飞速发展，能源问题逐渐成为各国可持续发展的主要瓶颈。太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，太阳能电池是利用太阳能资源的途径，收到人们的广泛关注。太阳能电池分为无机太阳能电池和有机太阳能电池，无机太阳能电池具有较高的光电转换效率和稳定性，但是原来成本较高，有机太阳能电池的成本相对低廉，质量轻，加工性能好，且有柔性，便于携带，但是光电转换率和稳定性有待提高。

富勒烯及其衍生物具有十分活跃的最低未占分子轨道，从而使其分子相对于大多数的有机给体分子来说具有很强的亲电性能，而且富勒烯及其衍生物具有很高的电荷传输性能，将一些共轭高分子与富勒烯结合，发现共轭高分子与富勒烯之间表现出十分迅速的光诱导电荷转移能力。中国专利CN 102347448B公开的高富勒烯含量液晶分子作为异质结太阳能电池受体材料的应用，该高富勒烯含量液晶分子包括没食子酸衍生物部分、富勒烯酸部分已经柔性连接臂，具体是将清洁的导电玻璃上分别设置3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸或氧化锌电子阻挡层、活性层薄膜和镁/银、钙/铝或者锂氟/铝电极，活性层薄膜为以聚3已基噻吩、聚(2-甲氧基-5-(2’-乙基己氧基)-1,4,-对苯乙炔)或者聚(2-甲氧基-5(3’，7’-二甲基辛氧基)-1,4-对苯乙炔)共轭聚合物或共轭有机小分子为给体材料，以高富勒烯含量液晶分子作为受体材料。该方法制备的电池的转变温度低，在-20℃到140℃之间都可以保持液晶相，且电池中富勒烯的含量可以超过50％，电池的能量转换率为3％左右，转换率不高。中国专利CN 102610759A公开的一种共轭聚合物薄膜太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池包括依次连接的衬底、阴极层、阴极界面缓冲层、共轭聚合物和富勒烯的衍生物的共混物构成的光敏层、阳极界面缓冲层和阳极层，阴极界面缓冲层为三氧化钼-铝的复合物，共轭聚合物为聚[氮-(1-辛基壬基)-2,7-咔唑-交替-5,5-4(4’,7’-双-2-噻吩基-2’，1’，3’-苯并噻二唑)]，富勒烯的衍生物为[6,6]-苯基C71丁酸甲酯，阴极层为铟锡氧化物，阳极界面缓冲层为氧化钼，阳极层为铝或银。该电池通过使用共蒸镀的氧化钼-铝作为阴极界面缓冲层，使太阳能电池的开路电压、填充因子和能量转换效率有所提高，能量转换效率可达6％，但是效率仍然偏低。

由上述现有技术可知，通过改变太阳能电池中的电极、缓冲层和活性层都可以不同程度的提高太阳能电池的开路电压、填充因子和能量转换效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法，将PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液作为光敏活性层，配合阴极和阳极得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。该制备方法简单，易操作成本低廉，转化率可达10％。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池，所述共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池包括衬底、阴极层、光敏活性层和阳极层，所述光敏活性层为改性的共轭聚合物、富勒烯衍生物和石墨烯的光敏活性层，所述共轭聚合物为PTB7-Th，所述富勒烯衍生物为PC71BM，所诉改性的共轭聚合物、富勒烯衍生物和石墨烯的光敏活性层为经邻氯苯酚与醇类混合溶剂改性的光敏活性层。

作为上述技术方案的优选，所述石墨烯为表面带羟基、羧基、环氧基或羰基的氧化石墨烯。

本发明还提供一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底；

(2)将乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液旋涂于步骤(1)制备的衬底上，退火得到阴极层；

(3)在室温下，将PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，将混合溶液旋涂于步骤(2)制备的阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与醇类混合溶剂，退火，得到光敏活性层；

(4)将步骤(3)制备的光敏活性层置于真空镀膜机中，依次蒸镀三氧化钼和金属铝，形成阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，乙酰丙酮氧化钛溶液中乙酰丙酮氧化钛与异丙醇的体积比为1:20。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，旋涂的速度为4000rpm，退火的温度为150℃，退火的时间为10min。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液的质量比为1:1.5:0.5-0.7。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，混合溶液中，PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，邻氯苯酚与醇类混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.1-0.3％。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，退火的温度为100℃，退火的时间为5min，光敏活性层的厚度为100-150nm。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，阳极层的厚度为110nm，其中三氧化钼层的厚度为10nm，铝层的厚度为100nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明制备的共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池中采用PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液作为光敏活性层，然后用氯邻苯酚醇溶液对PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液的混合层进行整理，利用氯邻苯酚选择性溶解受体富勒烯衍生物和石墨烯，而不溶剂给体共轭聚合物的特性，使光敏活性层中给体富集在阳极一侧，受体富集在阴极一侧，而且受体垂直浓度分布可控，使太阳能电池性能的可控性增强。

(2)本发明制备的共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池为反向结合聚合物太阳能电池，该太阳能电池中含有理想垂直相分离的光敏活性层，可以实现高效的载流子传输和收集，从而显著提高了电池的短路电流和太阳能电池的转化效率，提高太阳能电池的稳定性。

(3)本发明的制备方法简单，改性方便，易操作，可控性好，成本低廉，可操控性好，制备的太阳能电池的转换率可达10％。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底。

(2)将体积比为1:20的乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液以4000rpm速度旋涂于衬底上，在150℃下退火10min得到阴极层。

(3)在室温下，将质量比为1:1.5:0.5的PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，其中，混合溶液中PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL，将混合溶液以4000rpm速度旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与异丙醇的混合溶剂，邻氯苯酚与异丙醇的混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.1％，在100℃下退火5min，得到厚度为100nm光敏活性层。

(4)将光敏活性层置于真空镀膜机中，在真空度为5×10^-4Pa下依次蒸镀厚度为10nm的三氧化钼层和厚度为100nm的金属铝层，形成厚度为110nm的阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

实施例2：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底。

(2)将体积比为1:20的乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液以4000rpm速度旋涂于衬底上，在150℃下退火10min得到阴极层。

(3)在室温下，将质量比为1:1.5:0.7的PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，其中，混合溶液中PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL，将混合溶液以4000rpm速度旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与异丙醇的混合溶剂，邻氯苯酚与异丙醇的混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.2％，在100℃下退火5min，得到厚度为150nm光敏活性层。

(4)将光敏活性层置于真空镀膜机中，在真空度为5×10^-4Pa下依次蒸镀厚度为10nm的三氧化钼层和厚度为100nm的金属铝层，形成厚度为110nm的阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

实施例3：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底。

(2)将体积比为1:20的乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液以4000rpm速度旋涂于衬底上，在150℃下退火10min得到阴极层。

(3)在室温下，将质量比为1:1.5:0.6的PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，其中，混合溶液中PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL，将混合溶液以4000rpm速度旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与异丙醇的混合溶剂，邻氯苯酚与异丙醇的混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.3％，在100℃下退火5min，得到厚度为110nm光敏活性层。

(4)将光敏活性层置于真空镀膜机中，在真空度为5×10^-4Pa下依次蒸镀厚度为10nm的三氧化钼层和厚度为100nm的金属铝层，形成厚度为110nm的阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

实施例4：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底。

(2)将体积比为1:20的乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液以4000rpm速度旋涂于衬底上，在150℃下退火10min得到阴极层。

(3)在室温下，将质量比为1:1.5:0.5的PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，其中，混合溶液中PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL，将混合溶液以4000rpm速度旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与甲醇的混合溶剂，邻氯苯酚与甲醇的混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.2％，在100℃下退火5min，得到厚度为120nm光敏活性层。

(4)将光敏活性层置于真空镀膜机中，在真空度为5×10^-4Pa下依次蒸镀厚度为10nm的三氧化钼层和厚度为100nm的金属铝层，形成厚度为110nm的阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

实施例5：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底。

(2)将体积比为1:20的乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液以4000rpm速度旋涂于衬底上，在150℃下退火10min得到阴极层。

(3)在室温下，将质量比为1:1.5:0.6的PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，其中，混合溶液中PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL，将混合溶液以4000rpm速度旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与异辛醇的混合溶剂，邻氯苯酚与异辛醇的混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.3％，在100℃下退火5min，得到厚度为140nm光敏活性层。

(4)将光敏活性层置于真空镀膜机中，在真空度为5×10^-4Pa下依次蒸镀厚度为10nm的三氧化钼层和厚度为100nm的金属铝层，形成厚度为110nm的阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

实施例6：

(1)将溅射有掺杂铟锡氧化物的ITO透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱，得到衬底。

(2)将体积比为1:20的乙酰丙酮氧化钛加入异丙醇溶液中形成乙酰丙酮氧化钛溶液，将乙酰丙酮氧化钛溶液以4000rpm速度旋涂于衬底上，在150℃下退火10min得到阴极层。

(3)在室温下，将质量比为1:1.5:0.7的PTB7-Th共轭聚合物、PC71BM富勒烯衍生物和石墨烯溶液加入氯苯中，搅拌过夜，得到混合溶液，其中，混合溶液中PTB7-Th共轭聚合物的浓度为10mg/mL，将混合溶液以4000rpm速度旋涂于阴极层上，再旋涂邻氯苯酚与异丙醇和甲醇的混合溶剂，邻氯苯酚与异丙醇和甲醇的混合溶剂中邻氯苯酚的体积分数为0.1％，在100℃下退火5min，得到厚度为130nm光敏活性层。

(4)将光敏活性层置于真空镀膜机中，在真空度为5×10^-4Pa下依次蒸镀厚度为10nm的三氧化钼层和厚度为100nm的金属铝层，形成厚度为110nm的阳极层，最终得到共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池。

经检测，实施例1-6制备的共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池在100mW/cm²的模拟太阳光照射下的开路电压、短路电流、填充因子、转换效率的结果如下所示，其中对比例1为不添加石墨烯的太阳能电池，对比例2为不旋涂邻氯苯酚与异丙醇和甲醇的混合溶剂的共轭富勒烯太阳能电池。

由上表可见，本发明制备的共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池与现有技术的对比例相比，通过添加石墨烯和进行异丙醇和甲醇的混合溶剂改性整理，可以显著提高太阳能电池的短路电流和转化效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。