一種有機太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及領域有機太陽能電池領域，特別是涉及一種有機太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前，有機體異質結太陽能電池的單層器件效率已經達到了接近10%的商用水平，而這一效率的得到，很大程度上也是源自于體異質結器件結構的引入。體異質結結構的本質是互穿網絡型結構，這種結構有利于給受體材料之間的電子轉移。
[0003]現今，體異質結太陽能電池采用的受體材料多為富勒烯衍生物材料，富勒烯衍生物材料有優異的電荷傳輸性能，能級結構上與大多數給體材料有良好的匹配性，而且富勒烯的球形結構使得其在電荷傳輸上有各項同性的優點，更加有利于電荷的傳輸，但是在活性層制備時富勒烯受體材料易于聚集，使其電荷傳輸的有效面積減少，且材料制備提純困難，使其不易于商業應用。
[0004]為了尋找代替富勒烯材料的其他受體材料，研究者也報道了大量的受體材料，但這些材料則因為電荷傳輸性，溶解性等問題，使其不能得到廣泛應用。其中，石墨烯和碳納米管這類碳材料的電荷傳輸能力以及穩定性等性質都可與富勒烯相媲美，受到了業界的關注。但是由于石墨烯和碳納米管的相對較低的能級，與給體材料的能級不能匹配，因此使用它們制備的太陽能器件的開路電壓非常低，電池無實用性。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明實施例第一方面提供了一種有機太陽能電池，用以解決現有技術中由于石墨烯的能級與給體材料的能級不能匹配，從而導致使用其制備的太陽能電池器件開路電壓低，無實用性的問題，同時解決現行使用的有機太陽能電池受體材料單一的問題。
[0006]第一方面，本發明實施例提供了一種有機太陽能電池，包括依次層疊設置的第一電極、光活性層、空穴傳輸層、第二電極，所述光活性層包括電子受體材料和電子給體材料，所述電子受體材料為氮化石墨烯，所述氮化石墨烯在所述第一電極上形成泡沫狀薄膜，所述氮化石墨烯具有三維網絡型結構，所述電子給體材料部分滲透于所述氮化石墨烯中，部分富集于所述空穴傳輸層一側形成電子給體富集層，所述氮化石墨烯與所述電子給體材料形成體異質結結構，所述第一電極為導電玻璃，所述第二電極為金屬電極。
[0007]本發明實施方式中，所述氮化石墨烯形成的薄膜厚度為10-100nm。
[0008]本發明實施方式中，所述氮化石墨烯中氮元素的質量含量為0.1% -14%。
[0009]本發明實施方式中，所述氮化石墨烯在靠近所述第一電極的一側形成電子受體富集層。
[0010]本發明實施方式中，所述電子給體材料為含噻吩單元的材料、含二噻吩并苯單元的材料和含二噻吩并噻咯單元的材料中的至少一種。
[0011]本發明實施方式中，所述電子給體材料為聚3-己基噻吩、聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2，7-二基]-2，5-噻吩二基-2，I, 3-苯并噻二唑-4，7-二基-2，5-噻吩二基]和 5 ;5’ - 二 [(4-(7-己基噻吩-2-基)噻吩-2-基)_[1，2，5]噻二唑[3，4_c]嘧啶]_3 ；3’ -二-2-乙基己基亞甲硅基-2 ;2’ 二噻吩(DTS (PTTh2) 2)中的至少一種。
[0012]本發明實施方式中，所述光活性層的厚度為30_250nm。
[0013]本發明實施方式中，所述導電玻璃為FTO或ITO導電玻璃。
[0014]本發明實施方式中，所述金屬電極的材質為金屬鋁、銀或金。
[0015]本發明實施方式中，所述空穴傳輸層的材質為三氧化鑰或聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT: PSS)。
[0016]本發明實施例第一方面提供的有機太陽能電池器件，以氮化石墨烯為受體材料，其能級可與給體材料的能級匹配，并通過構建三維網絡型結構，可與有機給體材料更好的形成互穿網絡型結構，有利于電荷的分離，從而在保證開路電壓的情況下，提高了短路電流，從而提高了太陽能電池的能量轉換效率。
[0017]第二方面，本發明實施例提供了一種有機太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟:
[0018]將氮化石墨烯超聲分散于水與聚乙二醇形成的混合溶劑中，得到氮化石墨烯分散液；將所述氮化石墨烯分散液涂覆在第一電極上，然后經熱處理去除所述聚乙二醇，得到氮化石墨烯泡沫狀薄膜，所述氮化石墨烯泡沫狀薄膜具有三維網絡型結構；
[0019]再在所述氮化石墨烯泡沫狀薄膜上涂覆電子給體材料，所述電子給體材料部分滲透到氮化石墨烯中，部分沉積在氮化石墨烯薄膜上形成電子給體富集層，所述電子受體材料與所述電子給體材料形成體異質結結構，從而得到光活性層，再在所述光活性層上依次蒸鍍制備空穴傳輸層和第二電極，得到有機太陽能電池器件。
[0020]本發明實施方式中，所述氮化石墨烯泡沫狀薄膜的厚度為I O-1 OOnm。
[0021]本發明實施方式中，所述氮化石墨烯分散液的濃度為0.1?10mg/mL。
[0022]本發明實施方式中，所述涂覆的方式包括刮涂、旋涂；所述熱處理在200°C -500°C下進行。
[0023]本發明實施方式中，所述聚乙二醇的數均分子量為1000-5000，所述混合溶劑中聚乙二醇的質量濃度為2-10%。
[0024]本發明實施方式中，所述氮化石墨烯采用如下方式制備得到:
[0025]取氧化石墨烯，置于氨氣和氮氣的混合氣氛中，在600-1000°C下加熱0.5-3小時，停止加熱后，保持混合氣流，待降至室溫，停止通入氨氣，得到氮化石墨烯。
[0026]本發明另一實施方式中，所述氮化石墨烯采用如下方式制備得到:
[0027]在氧化石墨烯水溶液中加入適量尿素，得到混合液，將所述混合液置于聚四氟乙烯高壓釜中，在100-250 V下反應6-20小時，得到固體產物，待所述固體產物冷卻后，經過濾、水洗、烘干，得到氮化石墨烯。
[0028]本發明實施方式中，所述電子給體材料為含噻吩單元的材料、含二噻吩并苯單元的材料、和含二噻吩并噻咯單元的材料中的至少一種。
[0029]本發明實施方式中，所述電子給體材料為聚3-己基噻吩、聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2，7- 二基]-2，5-噻吩二基-2，I, 3-苯并噻二唑-4，7- 二基-2，5-噻吩二基]和DTS (PTTh2) 2中的至少一種。
[0030]本發明實施方式中，所述光活性層的厚度為30_250nm。
[0031]本發明實施方式中，所述導電玻璃為FTO或ITO導電玻璃。
[0032]本發明實施方式中，所述金屬電極的材質為金屬鋁、銀或金。
[0033]本發明實施方式中，所述空穴傳輸層的材質為三氧化鑰或聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT: PSS)。
[0034]本發明實施例第二方面提供的有機太陽能電池器件的制備方法，工藝簡單，適于工業化生產。
[0035]綜上，本發明實施例第一方面提供的有機太陽能電池器件，以氮化石墨烯為受體材料，其能級可與給體材料的能級匹配，并通過構建三維網絡型結構，與有機給體材料更好的形成互穿網絡型結構，有利于電荷的分離，從而在保證開路電壓的情況下，提高了短路電流，從而提高了太陽能電池的能量轉換效率。本發明實施例第二方面提供的有機太陽能電池器件的制備方法，工藝簡單，適于工業化生產。
[0036]本發明實施例的優點將會在下面的說明書中部分闡明，一部分根據說明書是顯而易見的，或者可以通過本發明實施例的實施而獲知。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明實施例提供的有機太陽能電池器件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038]以下所述是本發明實施例的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明實施例原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明實施例的保護范圍。
[0039]本發明實施例第一方面提供了一種有機太陽能電池，用以解決現有技術中由于石墨烯的能級與給體材料的能級不能匹配，從而導致使用其制備的太陽能電池器件開路電壓低，無實用性的問題，同時解決現行使用的有機太陽能電池受體材料單一的問題。
[0040]第一方面，本發明實施例提供了一種有機太陽能電池，包括依次層疊設置的第一電極、光活性層、空穴傳輸層、第二電極，所述光活性層包括電子受體材料和電子給體材料，所述電子受體材料為氮化石墨烯，所述氮化石墨烯在所述第一電極上形成泡沫狀薄膜，所述氮化石墨烯具有三維網絡型結構，所述電子給體材料部分滲透于所述氮化石墨烯中，部分富集于所述空穴傳輸層一側形成電子給體富集層，所述氮化石墨烯與所述電子給體材料形成體異質結結構，所述第一電極為導電玻璃，所述第二電極為金屬電極。
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