[发明专利]一种有机太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及领域有机太阳能电池领域，特别是涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前，有机体异质结太阳能电池的单层器件效率已经达到了接近10％的商用水平，而这一效率的得到，很大程度上也是源自于体异质结器件结构的引入。体异质结结构的本质是互穿网络型结构，这种结构有利于给受体材料之间的电子转移。

现今，体异质结太阳能电池采用的受体材料多为富勒烯衍生物材料，富勒烯衍生物材料有优异的电荷传输性能，能级结构上与大多数给体材料有良好的匹配性，而且富勒烯的球形结构使得其在电荷传输上有各项同性的优点，更加有利于电荷的传输，但是在活性层制备时富勒烯受体材料易于聚集，使其电荷传输的有效面积减少，且材料制备提纯困难，使其不易于商业应用。

为了寻找代替富勒烯材料的其他受体材料，研究者也报道了大量的受体材料，但这些材料则因为电荷传输性，溶解性等问题，使其不能得到广泛应用。其中，石墨烯和碳纳米管这类碳材料的电荷传输能力以及稳定性等性质都可与富勒烯相媲美，受到了业界的关注。但是由于石墨烯和碳纳米管的相对较低的能级，与给体材料的能级不能匹配，因此使用它们制备的太阳能器件的开路电压非常低，电池无实用性。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种有机太阳能电池，用以解决现有技术中由于石墨烯的能级与给体材料的能级不能匹配，从而导致使用其制备的太阳能电池器件开路电压低，无实用性的问题，同时解决现行使用的有机太阳能电池受体材料单一的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种有机太阳能电池，包括依次层叠设置的第一电极、光活性层、空穴传输层、第二电极，所述光活性层包括电子受体材料和电子给体材料，所述电子受体材料为氮化石墨烯，所述氮化石墨烯在所述第一电极上形成泡沫状薄膜，所述氮化石墨烯具有三维网络型结构，所述电子给体材料部分渗透于所述氮化石墨烯中，部分富集于所述空穴传输层一侧形成电子给体富集层，所述氮化石墨烯与所述电子给体材料形成体异质结结构，所述第一电极为导电玻璃，所述第二电极为金属电极。

本发明实施方式中，所述氮化石墨烯形成的薄膜厚度为10-100nm。

本发明实施方式中，所述氮化石墨烯中氮元素的质量含量为0.1％-14％。

本发明实施方式中，所述氮化石墨烯在靠近所述第一电极的一侧形成电子受体富集层。

本发明实施方式中，所述电子给体材料为含噻吩单元的材料、含二噻吩并苯单元的材料和含二噻吩并噻咯单元的材料中的至少一种。

本发明实施方式中，所述电子给体材料为聚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-2,1,3-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-乙基己基亚甲硅基-2；2’二噻吩(DTS(PTTh2)2)中的至少一种。

本发明实施方式中，所述光活性层的厚度为30-250nm。

本发明实施方式中，所述导电玻璃为FTO或ITO导电玻璃。

本发明实施方式中，所述金属电极的材质为金属铝、银或金。

本发明实施方式中，所述空穴传输层的材质为三氧化钼或聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。

本发明实施例第一方面提供的有机太阳能电池器件，以氮化石墨烯为受体材料，其能级可与给体材料的能级匹配，并通过构建三维网络型结构，可与有机给体材料更好的形成互穿网络型结构，有利于电荷的分离，从而在保证开路电压的情况下，提高了短路电流，从而提高了太阳能电池的能量转换效率。

第二方面，本发明实施例提供了一种有机太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：

将氮化石墨烯超声分散于水与聚乙二醇形成的混合溶剂中，得到氮化石墨烯分散液；将所述氮化石墨烯分散液涂覆在第一电极上，然后经热处理去除所述聚乙二醇，得到氮化石墨烯泡沫状薄膜，所述氮化石墨烯泡沫状薄膜具有三维网络型结构；

再在所述氮化石墨烯泡沫状薄膜上涂覆电子给体材料，所述电子给体材料部分渗透到氮化石墨烯中，部分沉积在氮化石墨烯薄膜上形成电子给体富集层，所述电子受体材料与所述电子给体材料形成体异质结结构，从而得到光活性层，再在所述光活性层上依次蒸镀制备空穴传输层和第二电极，得到有机太阳能电池器件。

本发明实施方式中，所述氮化石墨烯泡沫状薄膜的厚度为10-100nm。