[发明专利]碳骨架包覆的高稳定性有机薄膜太阳能电池的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳骨架包覆的高稳定性有机薄膜太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池采用反型结构，包括衬底(1)，透明导电阴极ITO(2)，石墨烯阴极骨架层(3)，阴极缓冲层(4)，光活性层(5)，阳极缓冲层(6)，氧化石墨烯阳极骨架层（7），金属阳极(8)。在缓冲层与电极之间添加石墨烯和氧化石墨烯骨架层，能有效地增加改善缓冲层与电极的欧姆接触，降低了器件串联电阻，提高了载流子传输效率，并且大大增加了器件的抗水氧侵蚀性能，在提高了器件的光电转换效率的同时，增强了器件的稳定性。

技术领域

本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池以及石墨烯等新兴碳材料复合薄膜领域，具体涉及一种碳骨架包覆的高稳定性有机薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。目前世界上使用的能源大多数来自于矿物燃料的开采，其中包括石油，天然气和煤等。然而，这些资源是有限的。占地球总能量99%以上的太阳能具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而成为各国科学家开发和利用的新能源之一。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机太阳能电池不仅具有相同的最高理论能量转换效率,而且还具有质量轻、可湿法成膜、能加工成特种形状易制成柔性器件、甚至可以实现全塑料化等显著优势，目前己经成为国内外研发的热点之一。

然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。制备合适的缓冲层是提高有机太阳电池光电转换效率的有效方法。当前，采用金属氧化物如ZnO、TiO₂等稳定性较强的氧化物作为阴极缓冲层，有机太阳能电池的效率及稳定性已经获得明显的提升。但由于这些氧化物阴极缓冲层与光活性层之间能级还不够匹配，使得二者之间存在较大的接触势垒。由于接触势垒的存在，导致电子的传输与分离受阻，并使得器件拥有较大的界面接触电阻与较大的载流子复合几率，都将严重制约器件效率。且由于金属氧化物如ZnO、TiO₂等材料的电子迁移率较低，使得电子从活性层界面扩散到电极时产生复合，且扩散到阴极的电子也较少。

近年来，PEDOT:PSS由于其拥有良好的溶解性及空穴传输性而在近年来被广泛应用于有机太阳能电池中。基于PEDOT:PSS阳极缓冲层的有机太阳能电池展现出了良好的光电性能，进一步优化PEDOT:PSS阳极缓冲层则成为目前此领域研究的重点。目前，由于PEDOT:PSS中传输空穴的主体PEDOT基团在成膜后不能有效地与亲水不导电的PSS基团分离，从而制约了阳极缓冲层中载流子空穴的传输速率。目前主要的解决方法是在PEDOT:PSS中参入一定量的极性溶剂以改善阳极缓冲层的导电率。但在PEDOT:PSS薄膜干燥退火的过程中，极性溶剂挥发速率与PEDOT:PSS溶液不同步将导致阳极缓冲层成膜不均匀，从而形成载流子传输陷阱，极大地限制了器件的效率获得进一步提升。且PEDOT:PSS为酸性水溶液，对有机薄膜太阳能电池的稳定性及其水氧侵蚀有着较大的影响。

而石墨烯等新型碳材料，近年来作为一种新型材料，取得了极大的关注，其载流子迁移率高，透明，高稳定性的性质在有机光电子领域也有着极大的应用。

因此研究如何优化和修饰缓冲层和电极间的接触是提高有机太阳能电池光电转换效率的关键，也是目前此领域研究的重点及难点。而提高器件的抗水氧侵蚀能力，增加器件的稳定性，同样十分重要。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种碳骨架包覆的高稳定性有机薄膜太阳能电池及其制备方法，目的是通过在电极和缓冲层之间引入一种新型碳材料骨架层，以实现：(1)降低器件缓冲层与光活性层间的接触势垒；(2)包覆缓冲层以及活性层，增加期间抗水氧侵蚀能力；(3)提高电子迁移率，提高器件短路电流密度。

本发明的技术方案为：