基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池及其制备方法

摘要

一种基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池及其制备方法，属于聚合物太阳能电池技术领域。由ITO导电玻璃衬底/碳量子点掺杂的PEI电子传输层/改性碳量子点掺杂的PTB7:PCBM活性层/MoO3空穴传输层/Ag阳极组成。本发明采用简单化学方法对初步合成的水溶性碳量子点进行改性处理合成改性碳量子点，将其吸收光谱由近紫外扩展到整个可见光区，提高其光吸收特性，并且采用简单掺杂方法将其掺杂进入活性层，提高活性层光吸收，并且利用其高电导率提高活性层载流子传输，提高激子分离，利用碳量子点与给受体之间的福斯特能量转移提高器件对光的利用，进而提高器件性能，提高太阳能电池器件效率。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池具有柔性、可弯曲、制作成本低、可以通过印刷或者喷涂技术大面积生产等优点，随着近几年研究的不断深入，目前已经实现较高的能量转换效率。然而较薄的活性层限制了器件光吸收，聚合物本身较低的迁移率制约着器件性能的提升，有机传输层的引入尽管简化了器件制作，但其低的导电能力引起载流子传输不平衡。

本发明中通过简单水热方法合成低成本环保型水溶性碳量子点材料，将其掺杂进入聚乙烯亚胺(PEI)电子传输层，利用其高的紫外吸收特性阻挡紫外光进入活性层，提高器件稳定性，同时利用其高的导电性提高传输层电子收集能力。并且本发明采用简单化学方法对初步合成的碳量子点进行改性处理，将其吸收光谱由近紫外扩展到整个可见光区，提高其光吸收特性，并且采用简单掺杂方法将其掺杂进入活性层，提高活性层光吸收，并且利用其高电导率提高活性层载流子传输，提高激子分离，进而提高器件性能，提高太阳能电池器件效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池及其制备方法。

本发明所述的一种基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次为ITO导电玻璃衬底/碳量子点(C1) 掺杂的PEI电子传输层/改性碳量子点(C2)掺杂的PTB7:PCBM活性层/MoO₃空穴传输层>

本发明通过简单水热方法合成低成本环保型水溶性碳量子点材料(C1)，将其掺杂进入传输层，利用其高的紫外吸收特性阻挡紫外光进入活性层，提高器件稳定性，同时利用其高的导电性提高传输层电子收集能力，碳量子点吸收紫外光产生电子填补传输层界面缺陷，进一步提高电子收集，降低载流子复合。并且本发明采用简单化学方法对初步合成的水溶性碳量子点进行改性处理合成改性碳量子点(C2)，将其吸收光谱由近紫外扩展到整个可见光区，提高其光吸收特性，并且采用简单掺杂方法将其掺杂进入活性层，提高活性层光吸收，并且利用其高电导率提高活性层载流子传输，提高激子分离，利用碳量子点与给受体之间的福斯特能量转移提高器件对光的利用，进而提高器件性能，提高太阳能电池器件效率。其中碳量子点(C1)掺杂的PEI电子传输层的厚度为2～6nm，改性碳量子点(C2)掺杂的PTB7:PCBM活性层的厚度为 100～300nm，MoO₃空穴传输层的厚度为3～8nm，Ag阳极的厚度为80～120nm；碳量子点(C1)尺寸为3～6nm，改性碳量子点(C2)尺寸为6～11nm。

本发明所述的一种基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池的制备方法，包括：1、碳量子点(C1)合成；2、改性碳量子点(C2) 的制备；3、碳量子点(C1)掺杂的PEI电子传输层的制备；4、改性碳量子点(C2)掺杂的 PTB7:PCBM活性层的制备；5、MoO₃空穴传输层的制备；6、Ag电极的制备。

具体步骤为：

1)碳量子点(C1)的合成

将2.5～3.5g柠檬酸与5.5～6.5g尿素加入5～15mL超纯水中，超声搅拌20～40min至形成透明澄清溶液，将溶液转移至反应釜，150～180℃下反应3～5h，自然冷却至室温，将产物转入冷冻干燥器，-80～-50℃冷冻干燥70～75小时，得到干燥粉末，然后将粉末加入到15～25mL无水乙醇中，在12000～16000r/min转速下离心13～17min，重复向所得产物加入无水乙醇再离心操作1～2次，最后将产物转入冷冻干燥器， -80～-50℃冷冻干燥22～26小时，得到黄色碳量子点(C1)，量子点尺寸为3～6nm；

2)改性碳量子点(C2)的合成

配置500～800mL饱和NaCl水溶液于一带盖密闭广口瓶中，制造一恒定湿度环境，取1g碳量子点(C1)置于密闭广口瓶中并且避免接触NaCl溶液，在22～26℃恒温条件下静置5～7天，待黄色碳量子点变为黑色，取出后转入冷冻干燥器，-80～-50℃冷冻干燥22～26小时，得到黑色改性碳量子点(C2)，量子点尺寸为6～11nm；

3)衬底的处理

将ITO导电玻璃衬底分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗10～20分钟，清洗后用氮气吹干；

4)电子传输层的制备

将4～6mg的聚乙烯亚胺(PEI)加入4～6mL的水中，超声震荡25～35min，得到 PEI水溶液；取2～3mg碳量子点(C1)加入到PEI水溶液中，继续超声震荡4～7min，得到碳量子点(C1)掺杂的PEI水溶液；

将清洗过后的ITO导电玻璃衬底在3000～5000rpm条件下旋涂碳量子点(C1)掺杂的PEI水溶液40～60s，然后在90～120℃条件下退火10～20min，从而在ITO导电玻璃衬底上制得碳量子点掺杂的PEI电子传输层，厚度为2～6nm；

5)活性层的制备

a，活性层溶液的配制

室温条件下，将购买的商用有机太阳能电池给体材料PTB7与受体材料PCBM以质量比1：1.5的比例混合后溶于有机溶剂氯苯中，浓度为5～10mg/mL，然后在 400～600rpm的搅拌速度下搅拌1～3h；取0.4～0.6mg改性碳量子点(C2)加入到上述溶液中，然后在400～600rpm的搅拌速度下继续搅拌10～14h，即配置成改性碳量子点(C2) 掺杂的活性层溶液；

b，活性层的制备

在碳量子点(C1)掺杂的PEI电子传输层上旋涂活性层溶液，旋涂速度为1000～1500rpm，时间50～80s，制得改性碳量子点(C2)掺杂的活性层的厚度为 100～300nm；

6)MoO₃空穴传输层的制备

在压强为1×10^-4～1×10^-5Pa条件下，在活性层上蒸镀一层MoO₃空穴传输层，厚度为3～8nm，生长速度为

7)Ag电极制备

在压强为1×10^-5～1×10^-3Pa条件下，在MoO₃空穴传输层上蒸镀Ag电极，厚度为>进而制备得到本发明所述的基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池。

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：本发明制备的碳量子点(C1)与改性碳量子点(C2)的吸收曲线；

图3：本发明制备的基于碳量子点(C1)掺杂电子传输层和改性碳量子点(C2)掺杂活性层的反型有机太阳能电池与传统反型(ITO/PEI/PTB7:PC₇₁BM/MoO₃/Ag)有机太阳能电池的光电流曲线；

如图1所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为玻璃，2为ITO，3 为碳量子点(C1)掺杂的PEI电子传输层，4为改性碳量子点(C2)掺杂的活性层，5为MoO₃空穴传输层，6为Ag电极。

如图2所示，本发明制备的碳量子点与改性碳量子点吸收曲线，碳量子点(C1)吸收区域在紫外区，有利于传输层吸收紫外光，阻挡紫外光进入活性层；改性碳量子点 (C2)吸收区域在可见光区，有利于提高光吸收，提高器件性能。

如图3所示，在100mw/cm²的太阳光模拟器光照下测得了电流-电压特性曲线，曲线A为传统器件，曲线B为本发明所述器件。图3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

实施例1

1)碳量子点的合成

将3g柠檬酸与6g尿素加入10mL超纯水中，超声搅拌30min至形成透明澄清溶液，将溶液转移至反应釜，160℃高温高压反应4h，自然冷却至室温，将产物转入冷冻干燥器，-60℃冷冻干燥72小时，得到干燥粉末，然后将粉末加入到20mL无水乙醇中，在15000r/min转速下离心15min，向所得沉淀中继续加入20mL无水乙醇，在15000r/min转速下离心15min，将产物转入冷冻干燥器，-60°冷冻干燥24小时，得到干燥的黄色碳量子点，量子点尺寸约5nm；产物质量约为7g。

2)改性碳量子点的合成

配置800mL饱和NaCl水溶液于一带盖密闭广口瓶，制造一恒定湿度环境，取1g 上一步产物置于密闭广口瓶中(避免接触NaCl溶液)，在恒温24℃条件下静置7天，待黄色碳量子点变为黑色，将材料取出转入冷冻干燥器，-60℃冷冻干燥24小时，得到干燥的黑色改性碳量子点，量子点尺寸约8nm；产物质量约为1g.

3)衬底的处理

将ITO导电玻璃衬底分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗15分钟，清洗后用氮气吹干；

4)电子传输层的制备

将5mg的PEI加入5mL的水中，超声震荡30min，取2.5mg的碳量子点掺杂到配置好的PEI水溶液中，继续超声震荡5min，配成碳量子点掺杂的PEI水溶液；

将清洗过后的ITO导电玻璃衬底放入匀胶机，4000rpm旋涂50s，然后将带有PEI 的ITO导电玻璃在100℃条件下退火15min，即在ITO导电玻璃上制得PEI电子传输层，厚度为4nm；

5)活性层的制备

a，碳材料掺杂的活性层溶液的配制

室温条件下，将购买的商用有机太阳能电池给体材料PTB7与受体材料PCBM以质量比1：1.5的比例溶于有机溶剂氯苯中，浓度为10mg/mL，然后在500rpm的搅拌速度下搅拌2h，取0.5mg改性碳量子点材料加入上述溶液中，然后在500rpm的搅拌速度下继续搅拌12h，即配置成改性碳量子点掺杂的活性层溶液；

b，活性层的制备

在PEI电子传输层上旋涂活性层溶液，旋涂速度为1000rpm，时间60s，制得改性碳量子点掺杂的活性层，厚度为200nm；

6)MoO₃空穴传输层的制备

在压强为1×10^-5Pa条件下，在活性层上蒸镀一层MoO₃空穴传输层，厚度为4nm，生长速度为

7)Ag电极制备

在压强为1×10^-5Pa条件下，在MoO₃空穴传输层上蒸镀Ag电极，厚度为100nm，生长速度为进而制备得到本发明所述的基于碳量子点掺杂电子传输层和改性碳量子点掺杂活性层的聚合物太阳能电池。