[发明专利]提高有机太阳能电池氧化锌电极性能的离子掺杂方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子器件功能层的材料制备方法，特别是涉及一种微电子器件功能层的复合材料制备方法，应用于有机太阳能电池制备技术领域。

背景技术

作为一门新兴的科学技术，有机光电子器件凭借其小体积、低功耗、易于制造且能在柔性基板上实现等优点逐步受到人们的重视。有机太阳能电池发展的目标是逐步替代现在以Si为主的无机太阳能电池，真正成为低成本、高效率、长寿命的发电电池。在过去十多年的研究工作中，目前实验室条件下太阳能功率转换效率最高可达到12%，同时器件结构的优化使得其在稳定性方面也有了长足的进步，但是距离工业化还有一定的距离，替代Si太阳能电池还有一定的差距。

目前有机太阳能电池主要分为小分子和聚合物两大类，以太阳能电池中间活性层所使用的材料类别为基准。其中小分子OPV由于其分子本身结构的限制性，应用于OPV时，PCE具有一定的限制；聚合物OPV中活性材料使用高分子聚合物，可以通过合成或添加不同的官能团，提高聚合物的性能，因此具有较好的发展前景，目前高分子聚合物太阳能电池的PCE也高于小分子太阳能电池的PCE.根据器件结构，可将有机太阳能电池分为传统正置结构OPV和倒置OPV，倒置OPV相对于传统结构具有更好的稳定性，因此倒置OPV获得了大量的研究和关注。

OPV中较为重要的就是寻找新的光吸收系数高的活性层有机材料以及导电性较好的电子和空穴材料，在寻找导电性较好的电子材料时，掺杂是一种十分有效的方法。离子掺杂技术在有机光电子器件中有着广泛的应用，通过适当的离子掺杂可以有效的改善不同材料间的能级匹配问题，提高材料相对应的电子（空穴）的迁移率，目前常用的掺杂方式包括co-evaporation和溶液混合法。通过掺杂，可以在现有材料的基础上大大增加电子的迁移率，从而使OPV器件具有更好的性能特征。目前实现掺杂可以通过共蒸法,溶液混合法等，但是掺杂材料的比例较难以控制，如共蒸时蒸发速率不稳定会造成掺杂比例的变化，严重时甚至会影响材料各自本身的导电性。因此，寻求一种新的方法来实现均匀掺杂对于提高OPV器件的工作效率有很大的帮助，成为亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种提高有机太阳能电池氧化锌电极性能的离子掺杂方法，通过加热实现了碱金属离子在ZnO薄膜中可控比例的均匀掺杂，从而大大提高了ZnO薄膜中电子迁移率，提高了ZnO修饰的阴极性能，促进阴极对电子的收集能力，解决了电子和空穴收集不平衡导致的效率较低的问题；同时能够减少ZnO薄膜中的缺陷态，降低对电子和激子的捕获，从而有效的提高了OPV的能量转换效率。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种提高有机太阳能电池氧化锌电极性能的离子掺杂方法，步骤如下：

a．在导电基板上制备ZnO薄膜，然后在50-500℃进行退火，得到由厚度为20-100nm的ZnO薄膜覆盖的导电基板；优选通过溶液法、原子层沉积法或溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜；当采用溶液法时，优选利用ZnO溶液在导电基板上制备一层ZnO薄膜，优选ZnO溶液浓度为2-10mg/ml，优选控制旋涂速率为1500-5000rpm/60s；优选导电基板为ITO基板、AZO基板或FTO基板，应用于倒置太阳能电池中；导电基板优选采用柔性基板；

b．采用碱金属化合物，在步骤a中制备的ZnO薄膜上再制备一层碱金属化合物结合层；优选采用的碱金属化合物含有Li⁺和Cs⁺中的任意一种或两种；在采用的碱金属化合物制备一层碱金属化合物结合层时，优选同时还向碱金属化合物结合层内掺杂Mg²⁺、Al³⁺和Ca²⁺中的任意一种或任意多种，使得在步骤c中制备得到掺杂碱金属和其他金属的复合材料的阴极修饰层，来增加电子的迁移率提高ZnO电极的性能，同时也可以在ZnO薄膜中掺杂其他类金属离子来提高ZnO薄膜的电导率；优选采用蒸镀碱金属离子化合物制备一层碱金属化合物结合层，在蒸镀的过程中通过加热导电基板使ZnO薄膜和碱金属化合物结合层一体化，来实现碱金属离子的掺杂；

c．将在步骤b中制备的导电基板-ZnO薄膜-碱金属化合物结合层的复合结构体进行退火处理，控制退火温度为50-500℃，使ZnO薄膜和碱金属化合物结合层一体化形成掺杂碱金属离子的阴极修饰层。