[发明专利]一种基于多层掺杂镁铝的氧化锌复合薄膜作为电子传输层的有机太阳能电池

说明书

本发明涉及新能源技术领域，公开了一种基于多层掺杂镁铝的氧化锌复合薄膜作为电子传输层的有机太阳能电池。该太阳能电池包括AZO薄膜、位于AZO薄膜上部的MZO薄膜、位于MZO薄膜上部的AMZO薄膜，位于AMZO薄膜上部的聚合物活性层、位于聚合物活性层上部的空穴传输层和位于空穴传输层上部的电极层。本发明太阳能电池同时具有较高的导电率和光吸收率。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种基于多层掺杂镁铝的氧化锌复合薄膜作为电子传输层的有机太阳能电池。

背景技术

近年来，随着煤、石油、天然气等传统能源的逐渐耗尽，能源危机问题越来越受到重视。太阳能电池以半导体技术为媒介，能够实现光能与电能的直接转换。到目前为止，太阳电池已经发展有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池、铜铟镓硒电池、碲化镉电池、染料敏化电池和有机电池（Organic Solar Cells, OSCs）等多种类型。有机太阳电池（Organicsolar cells，OSCs）具备独特的优势。如：材料来源广泛，并可通过分子设计合成新的材料；制备方法简单，可采用旋转涂膜，喷墨打印，丝网印刷等廉价制备方法进行大面积制造；可采用柔性衬底，重量轻，成本低等。因此，OSCs日益受到人们的重视并得到快速的发展。

氧化锌是一种在光电功能领域具有很大潜力的第三代宽禁带半导体材料。ZnO纳米结构材料近年来成为了国内外的研究热点。在有机太阳能电池中，ZnO薄膜通常作为电子传输、空穴阻挡层，位于阴极和有机活性层材料之间。但是，由于本征ZnO薄膜导电性较差，限制了有机电池光电转换效率的提高。为了提高其电学性能，采用Al掺杂ZnO制备AZO薄膜作为电子传输层，改善了电子传输层的电学性能，但是电子传输层的光学特性无法改善，光吸收率较低，太阳能不能得到有效转化利用。

发明内容

本发明是为了克服现有技术太阳能电池电子传输层的光学特性差，光吸收率和转化率低的问题，提供一种光学、电学性能同时得到优化，光转化效率高的太阳能电池。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多层掺杂镁铝的氧化锌复合薄膜作为电子传输层的有机太阳能电池，包括AZO薄膜、位于AZO薄膜上部的MZO薄膜、位于MZO薄膜上部的AMZO薄膜，位于AMZO薄膜上部的聚合物活性层、位于聚合物活性层上部的空穴传输层和位于空穴传输层上部的电极层；

本发明从同时提升ZnO电子传输层的电学、光学性能出发，利用Al掺杂ZnO得到AZO薄膜，Al掺杂ZnO提高电导率，增强AZO薄膜电子输运能力；在此基础上生长Mg掺杂ZnO得到MZO薄膜提高MZO薄膜光学透过率，增加活性层光吸收率；此种结构不能同时优化电子传输层的导电率和光吸收率，其之间存在相互影响，导电率较强时，光吸收率较为一般；光吸收率较高时，导电率较为一般；本发明利用Al-Mg共掺ZnO得到AMZO薄膜，将AMZO薄膜覆盖在MZO薄膜的上部，优化AMZO薄膜上表面形貌并调节Al、Mg掺杂量，同时提升电池短路电流密度和填充因子，使太阳能电池光学、电学性能同时得到优化，由于Al³⁺离子半径（0.0535 nm）比Zn²⁺（0.074 nm）小，当引入少量的Al³⁺时有效地替换Zn²⁺，在每次替换过程中形成一个自由电子，载流子浓度相应的增加，因此AZO薄膜的电导率得以提升。然而，尽管Al掺杂能够提高ZnO的电学性能，无法改善光学透过率、光学带隙等光学特性。而Mg掺杂ZnO，在一定范围内Mg²⁺和Zn²⁺可发生相互取代形成MgZnO合金，实现ZnO带隙宽度从3.37~7.8 eV内连续调制，并且替代后不会引起晶格常数的变化，同时还具有ZnO和MgO的优异的化学稳定性。我们制备Al-Mg共掺ZnO，即AMZO薄膜，在提高薄膜电学性能的同时，还能改善薄膜光学特性，优化薄膜表面形貌，实现电池能量转换效率的大幅度提升。

所述AZO薄膜的制备方法包括以下步骤：

（1）将导电玻璃基底依次使用乙醇和去离子水超声清洗干净，烘干待用；