[发明专利]基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件及其制备方法。

背景技术

在可再生能源中，太阳能属于取之不尽的清洁能源，同其他新能源如水能、风能等相比，太阳能具有不受地域限制、无噪音、无污染等优势。目前，在太阳能电池器件中以硅为代表的无机太阳能电池具有很多优点，如自然界含量丰富、吸收光谱宽、能量转换高等，得到较多重视。但是单晶无机半导体器件制造成本昂贵，且比较脆弱没有柔性，需要坚实的衬底支撑。同时其窄带隙特性使其光腐蚀现象严重，影响电池的使用寿命。有机薄膜太阳能电池凭借其柔韧性高、制作成本低以及可得到大面积均匀膜层等无机太阳能电池无法相比的优点，日益受到研究者的关注并不断发展。

有机太阳能电池的研究始于1959年，1986年邓青云博士报道的双层结构染料光伏器件首次在有机光伏（OPV）器件中引入了电子给体和电子受体有机双层异质结，使光致激子的解离效率得到提高。1992年共轭聚合物作为电子给体和C60作为电子受体的体系的研究发现，使聚合物太阳能电池的研究成为热点。但是，目前在研究和报道的有机光伏器件的光活性层都属于两元结构，多用噻吩材料或聚合物MEH-PPV、PDCDA等作为给体，C60及其衍生物作为受体形成典型的双异质结构，其功率转换受限于所用给体受体材料本身的能级结构和电荷输运能力，仅两元体系很难得到比较大的转换效率。

发明内容

基于两元体系活性层器件较难大幅度提高器件转换效率问题，本发明的目的提供一种基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件及其制备方法，本发明通过引入石墨烯量子点实现三元体系活性层，有效提高有机光伏器件的功率转换效率。

本发明采用以下方案实现：一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件，其特征在于：该有机光伏器件采用石墨烯量子点与聚合物给体、受体混合形成三体共存体系作为有机活性层，该有机光伏器件的结构由下至上依次为：衬底、阳极、阳极缓冲层、三体系有机活性层、阴极修饰层、阴极。

在发明一实施例中，采用聚3已基噻吩（P3HT）作为给体元， 富勒烯衍生物PCBM作为受体元，石墨烯量子点作为第三元。

在本发明一实施例中，所述三体系有机活性层中所用给体与受体是按照质量比1:0.6~1:1溶于含有石墨烯量子点的氯苯中配成溶质浓度为16~24mg/ml的混合溶液。

在本发明一实施例中，所述三体系有机活性层厚度为50~450nm。

本发明的另一目的是提供一种基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件的制备方法；该方法包括以下操作步骤：

（1）在大气环境下，在通过丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗干燥得到的阳极基板上，以转速3000~7000r/s旋涂聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)溶液，时间为20~50s，并在120~180℃下热处理2~10分钟；

（2）在旋涂有PEDOT:PSS的导电玻璃上以转速300~1500r/s旋涂权利要求3所述的混合溶液，时间为20~50s；

（3）在真空度1×10^-3~6×10^-3 Pa的环境下采用热蒸发法依次蒸镀阴极修饰层和阴极材料，两者厚度分别为0.3~1.5nm、70~200nm，蒸镀速率分别为0.01~0.2nm/s、0.5~3nm/s。

在本发明一实施例中，所述步骤（2）所用三体系混合溶液在旋涂之前经过磁力搅拌6~20小时。

本发明具有如下优点和有益效果：

（1）         在目前研究的有机光伏器件的二元活性层中添入石墨烯量子点作为第三元形成体系，可以提高光致激子的解离效率以及向两极输运的速率，从而提高器件的短路电流，有效提高太阳能电池的能量转换效率。

（2）         通过氯苯萃取方法引入的石墨烯量子点具有一致的纳米级尺寸，且可以与常用有机给体、受体材料充分混合，保证器件生产过程的的重复性和器件的稳定性。

（3）         制备器件方法中在制备有机活性层时只需一步旋涂即可实现三元体均匀成膜，降低太阳能电池的制备成本，且制备操作简单，生产容易控制。

附图说明

图1是本发明提供的基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的基于石墨烯量子点的三体系活性层有机光伏器件的制备流程图。