以上轉(zhuǎn)換材料摻雜活性層的有機光伏電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
本發(fā)明涉及一種新型的KLaF4: Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)化材料摻雜的P3HT:PCBM聚合物作為活性層的有機太陽能電池及其制備方法，屬于有機太陽能電池的活性層改進(jìn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對于能源的依賴不斷的加大，能源可循環(huán)利用一直是全球關(guān)注的焦點。世界各國都在開發(fā)研究綠色環(huán)保的可再生新能源。相比于石油，煤炭等其他存在地球上有限的資源，太陽能的開發(fā)和利用是人類解決能源危機的有效途徑之一，并且受到了全世界研究學(xué)者的大力關(guān)注和研究。太陽能在航天事業(yè)、國防科技、普通居民照明等眾多領(lǐng)域都有著非常重大的應(yīng)用。并且在新世紀(jì)世界各國對于能源消耗如此快速的情況下，太陽能由于其環(huán)保、可再生、可持續(xù)等諸多優(yōu)點而成為焦點。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，可分為:娃太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。但硅的提純對環(huán)境是一個重污染過程，與人們所追求的環(huán)保能源相違背，并且成本價格高，需要大幅度降價是一個很難解決的困難。
[0003]有機聚合物太陽能電池由于有機材料輕便，易加工，保護環(huán)境，材料來源廣泛，成本低廉等優(yōu)勢近幾年成為全世界學(xué)者研究的對象，而得以快速的發(fā)展。對于有效利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義，因此成為當(dāng)今可再生能源中最有前途的一種。
[0004]傳統(tǒng)的正置結(jié)構(gòu)有機太陽能電池由于器件結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝簡單等優(yōu)點成為世界研究學(xué)者一時關(guān)注的焦點，但是其不足在于:在空氣中的穩(wěn)定性差，易被空氣氧化等；為了解決這一問題研究學(xué)者開發(fā)了倒置結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池，對于提高電池穩(wěn)定性以及電池效率都取得了很大的突破。單純的有機聚合物制備的電池活性層由于受自身材料性能的限制，因此制備的太陽能電池效率也受到了限制。
[0005]目前，國內(nèi)外研究學(xué)者認(rèn)為，有機聚合物應(yīng)用于太陽能電池中較為理想的倒置結(jié)構(gòu)于材料使用是:ITO導(dǎo)電玻璃/T12/ P3HT:PCBM/Mo03/A1 ;其中:ΙΤ0是摻錫的氧化銦，作為電池的陽極。T12作為電子傳輸層，MoO3作為空穴傳輸層。由Ρ3ΗΤ (聚3-已基噻吩)組成的網(wǎng)構(gòu)成電子施主，由PCBM (C60衍生物)組成的網(wǎng)構(gòu)成了電子受體和電子傳輸層，Ρ3ΗΤ和PCBM組成的混合溶液作為光敏層。Al是陰極。
[0006]由于單純的P3HT:PCBM活性層制得的電池光電轉(zhuǎn)化效率有限。因此研究人員想到了利用上轉(zhuǎn)化材料摻雜活性層來提高電池的轉(zhuǎn)換效率，通過上轉(zhuǎn)換材料吸收太陽光譜中的近紅外光，然后轉(zhuǎn)化成活性層可以吸收的可見光，提高太陽光的利用效率。用上轉(zhuǎn)化材料摻雜活性層的應(yīng)用在有機太陽能電池有過報道，其中journal of materials chemistry期刊上報道(Fanxu Meng, Shuang Liu, Yongfan Wang, Chen Tao, Peng Xu, WenbinGuoj Liang Shenj Open—circurt voltage enhancement of inverted polymer bulkheterojunct1n solar cells by doping NaYF4 nanopariticIes/PVP composites.Journal of Materials Chemistry.2012; 22:22382.)中，作者使用 NaYF4摻雜活性層后所制備的電池效率得到了提高。但是，目前大量的研究人員都僅限于對NaYF4材料的研究，而其同類材料KLaF4i有機太陽能電池中的應(yīng)用目前還處于空白狀態(tài)。KLaF4作為典型的AREF4氟化物(A為堿金屬元素，RE為稀土元素)，和其他基質(zhì)材料相比，KLaF4具有更低的聲子能量，由此經(jīng)無輻射弛豫損失的能量也會更少，得到的上轉(zhuǎn)換效率也更高，用來摻雜活性層后，有機太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率可有效地提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述上轉(zhuǎn)化材料摻雜活性層對于電池效率提高的現(xiàn)狀，本發(fā)明所要解決的問題是提供一種以KLaF4: Yb3+，Er3+新型材料摻雜P3HT: PCBM為活性層的有機光伏電池及其制備方法，得到的光伏電池成本低廉、穩(wěn)定、耐腐蝕性較好，保護環(huán)境，易于大面積生產(chǎn)。
[0008]本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
一種以KLaF4:Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換材料摻雜P3HT:PCBM為活性層的有機光伏電池，包括透明導(dǎo)電襯底、電子傳輸層、有機活性層、空穴傳輸層和金屬電極，所述的有機活性層是由KLaF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換材料摻雜P3HT: PCBM而制得的薄膜，其中，KLaF4: Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換材料、P3HT、PCBM 的質(zhì)量比為:0.5-1.0:15:15ο
[0009]所述透明導(dǎo)電襯底為ITO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、FTO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、AZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、ITAZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料中的一種；
所述電子傳輸層為T12薄膜；
所述有機活性層為KLaF4:Yb3+，Er3+-P3HT:PCBM (由聚3-已基噻吩和C60衍生物組成的混合溶液作為光敏層);
所述空穴傳輸層是MoO3薄膜；
上述金屬電極為Al電極或Ag電極；
以KLaF4: Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換材料摻雜P3HT:PCBM為活性層的有機光伏電池的制備方法，包括以下步驟:
(1)清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干；
(2)用溶膠凝膠方法在透明導(dǎo)電襯底上漩涂T12前驅(qū)體溶液；漩涂好的T12透明薄膜在馬弗爐中高溫煅燒；
(3)在惰性氣體保護下，在T12薄膜上漩涂KLaF4: Yb3+，Er3+-P3HT:PCBM有機活性層；
(3)在活性層上熱蒸發(fā)沉積MoO3空穴傳輸層；
(4)電極的制備:在空穴傳輸層表面蒸發(fā)金屬電極，通過惰性氣體保護下后退火(150°C下烘烤15分鐘)。
[0010]KLaF4: Yb3+，Er3+_P3HT:PCBM薄膜是采用溶膠凝膠方法制備的，包括以下步驟:
(1)配置適當(dāng)摻雜比例的KLaF4:Yb3+，Er3+-P3HT: PCBM前驅(qū)體溶液；
(2)利用旋涂法沉積薄膜，漩涂轉(zhuǎn)速是2000轉(zhuǎn)/分鐘，漩涂時間是20秒；
KLaF4:Yb3+, Er3+-P3HT:PCBM前驅(qū)體溶液的制備步驟為:
(1)稱量P3HT材料15毫克與PCBM粉末15毫克放置于攪拌瓶中；
(2)往步驟(I)中的混合材料中加入0.75毫升氯苯溶劑攪拌30分鐘；
(3 )向溶液中加入適量的KLaF4: Yb3+，Er3+粉末，攪拌24小時后就得到了不同摻雜量的前驅(qū)體溶液。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明以KLaF4:Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換材料摻雜的P3HT:PCBM為活性層制得的有機光伏電池，成本低廉、工藝簡單、易于大面積生產(chǎn)，相對單純的P3HT:PCBM活性層，電池的效率得到提尚。
【附圖說明】
[0012]附圖1為以KLaF4: Yb3+，Er3+-P3HT: PCBM薄膜作為活性層的有機太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；1-透明玻璃或柔性襯底，2-陽極導(dǎo)電膜，3-Ti02薄膜，4-KLaF4:Yb3+，Er3+-P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層，5-Mo03薄膜，6-鋁電極(或銀電極)；
附圖2為KLaF4:Yb3+，Er3+摻雜量為O的有機太陽能電池J-V曲線；
附圖3為KLaF4:Yb3+，Er3+摻雜量為0.5mg的有機太陽能電池J-V曲線；
附圖4為KLaF4:Yb3+，Er3+摻雜量為0.75mg的有機太陽能電池J-V曲線；
附圖5為KLaF4:Yb3+，Er3+摻雜量為1.0mg的有機太陽能電池J-V曲線。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明以KLaF4:Yb3+，Er3+_P3HT: PCBM作為活性層的有機光伏電池可采用下述步驟制備:
I活性層前驅(qū)體溶液的制備:
(1)稱量P3HT材料15毫克與PCBM粉末15毫克放置于攪拌瓶中；
(2)對步驟I中的混合材料加入0.75毫升氯苯溶劑攪拌30分鐘；
(3)向溶液中加入適量的KLaF4:Yb3+，Er3+粉末；
(4)對所得的溶液攪拌24小時后就得到了紅黑色的膠體溶液。
[0014]襯底處理:
試驗中采用的基片是導(dǎo)電玻璃(ΙΤ0導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、FTO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、AZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料、或ITAZO導(dǎo)電玻璃或透明柔性塑料，為市售產(chǎn)品或公知技術(shù))(參考文獻(xiàn):1.Guojia Fang, Dejie Li, et al., Fabricat1n andcharacterizat1n of ZAO thin films prepared by DC magnetron sputtering with ahighly conductive ceramic target? J.Crystal Growth, 2003，247 (3-4): 393-400 ；2.Nanhai Sun, Guojia Fang, Qiao Zheng, Mingjunffangj Nishuang Liuj Wei Liu andXingzhong Zhao, Transparent conducting ITAZO anode films grown by a compositetarget RF magnetron sputtering at room temperature for organic solar cells,Semiconductor Science & Technology, 24 (2009) 085025)，在試驗前應(yīng)首先對基片進(jìn)行清洗。首先將導(dǎo)電玻璃片切成合適的形狀大小，用清潔劑將其清洗干凈，然后自來水沖洗，去離子水沖洗，接著將其放在超聲波清洗器中依次用去離子水、一次乙醇、一次丙酮、丙酮和乙醇各超聲清洗15分鐘，最后烤箱烘干即可得到表面潔凈的襯底。
[0015]薄膜漩涂工藝過程:
(1)將導(dǎo)電玻璃襯底放置于充滿氬氣手套箱中的勻膠臺上，用機械泵抽氣吸片；
(2)將勻膠臺參數(shù)設(shè)置為:前轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分鐘，時間為9