本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽(yáng)能電池，具體涉及一種以有機(jī)小分子材料TmPyPb做陰極緩沖層的高穩(wěn)定性有機(jī)太陽(yáng)能電池及其制備方法，屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，當(dāng)今的人們面臨著環(huán)境污染，資源短缺等問(wèn)題，尋找和發(fā)展清潔可再生能源已經(jīng)成為人們的當(dāng)務(wù)之急。研究人員在不斷的探索尋求新的無(wú)污染的能源來(lái)代替不可再生能源。太陽(yáng)能因?yàn)槠錈o(wú)污染，可再生，數(shù)量大，使用地域不受限制等優(yōu)勢(shì)成為研究者們的重點(diǎn)研究對(duì)象。目前硅電池的市場(chǎng)占有率值很高，但是，硅電池的制造過(guò)程及其高昂的造價(jià)，使得研究人員去探尋一種新的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。

有機(jī)太陽(yáng)能電池(OPV)，以其質(zhì)量輕，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，能夠制備柔性器件等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域異軍突起，受到各界的廣泛關(guān)注。隨著全球各地的研究人員的努力，各種結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池效率相繼突破10％，具有廣闊樂(lè)觀的發(fā)展前景。(NaturePhoton,9(2015)174.)

通常，有機(jī)太陽(yáng)能電池包括陰極、陽(yáng)極和夾在兩個(gè)電極之間的有源層。一般分為正置和倒置兩種結(jié)構(gòu)。正置結(jié)構(gòu)以透明電極(如ITO，F(xiàn)TO，AZO，IO等)為陽(yáng)極，不透明金屬(Al，Ag，Au等)為陰極；倒置結(jié)構(gòu)以透明電極為陰極，不透明金屬為陽(yáng)極。

自二十世紀(jì)九十年代起，隨著有機(jī)電子學(xué)的飛速發(fā)展，新的方法，材料，技術(shù)等應(yīng)用，有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率得到了快速的提高。有機(jī)太陽(yáng)能電池主要存在效率不高、穩(wěn)定性差這兩個(gè)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用，必須綜合考慮器件能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。眾所周知，太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性由外部穩(wěn)定性和固有穩(wěn)定性共同決定。通過(guò)器件封裝，阻止水氧的滲入，可以有效地提高外部穩(wěn)定性。對(duì)于固有穩(wěn)定性，界面是最為重要的環(huán)節(jié)。有機(jī)太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，界面處容易產(chǎn)生表面缺陷和表面態(tài)，破壞原有的界面結(jié)構(gòu)。很多界面層，其材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，材料本身的性質(zhì)發(fā)生改變。另外，因?yàn)楣庹盏纫蛩兀缑鎸颖旧淼慕Y(jié)構(gòu)也可能發(fā)生變化。這些因素，都影響了有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明就是針對(duì)上述問(wèn)題提出來(lái)的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種有機(jī)小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池及制備方法。

技術(shù)方案：利用有機(jī)小分子材料TmPyPb的高光穩(wěn)定特性、高三線態(tài)能級(jí)、高電導(dǎo)率等特性，將其引用作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的陰極緩沖層，有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性得到大幅度提高，同時(shí)也提高了電池效率。有機(jī)小分子材料TmPyPb的HOMO能級(jí)為-6.7eV，這表示它不僅可以傳輸電子，而且可以很好的阻擋空穴，有效的提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。有機(jī)小分子材料TmPyPb具體很高的三線態(tài)能級(jí)(2.78eV)，降低了激子到陰極緩沖層的轉(zhuǎn)移，從而使非輻射衰變最小化。實(shí)現(xiàn)器件性能的正增益。此外有機(jī)小分子材料TmPyPb具有很強(qiáng)的光穩(wěn)定性，通過(guò)掃描電子顯微鏡圖(SEM圖)和X射線衍射圖(XRD圖)可以觀察到，經(jīng)1h光照處理后，有機(jī)小分子材料TmPyPb的顆粒大小及晶體結(jié)構(gòu)都未發(fā)生明顯變化，這個(gè)特性為高穩(wěn)定性有機(jī)太陽(yáng)能電池的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

另外，在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，陰極功能層是相對(duì)脆弱的環(huán)節(jié)，極易受到光化學(xué)反應(yīng)的侵蝕，產(chǎn)生表面態(tài)，破壞原有的界面結(jié)構(gòu)，從而降低了電荷的傳輸與收集，造成載流子復(fù)合，對(duì)電池的短路電流與填充因子產(chǎn)生不利的影響。本發(fā)明利用有機(jī)小分子材料TmPyPb的光穩(wěn)定性質(zhì)，使用其做有機(jī)太陽(yáng)能電池的陰極緩沖層，提高了整個(gè)器件的抗光反應(yīng)的能力，進(jìn)而提高整個(gè)器件的性能。

有機(jī)小分子材料TmPyPb可以直接通過(guò)真空熱蒸渡的方法沉積在吸光層上，形成均勻光滑的緩沖層薄膜，制備工藝簡(jiǎn)單，操作便捷，可重復(fù)性高。

本發(fā)明的一種有機(jī)小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)自下至上的順序設(shè)置為：透明襯底、透明陽(yáng)極、空穴傳輸層、吸光層、陰極緩沖層、金屬陰極，其中，所述的陰極緩沖層采用有機(jī)小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯簡(jiǎn)稱TmPyPb。

其中：

所述吸光層中，電子給體材料為聚3-已基噻吩P3HT。

所述吸光層中，電子受體材料為[6,6]-苯基C₆₁-丁酸甲酯PC₆₁BM。

所述空穴傳輸層材料為聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)PEDOT：PSS。

所述金屬陰極的材料為Al、Ag、Au中的一種。

所述透明陽(yáng)極材料為氧化銦錫ITO。

所述襯底材料為透明玻璃。

本發(fā)明的有機(jī)小分子材料1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯做陰極緩沖層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備方法包括以下步驟：

1)透明陽(yáng)極及透明襯底使用ITO導(dǎo)電玻璃，將刻蝕好并清洗干凈的ITO導(dǎo)電玻璃用氮?dú)獯蹈刹⑦M(jìn)行15min的紫外線臭氧UV-ozone處理；

2)空穴傳輸層的制備：在經(jīng)UV-ozone處理后的干凈ITO導(dǎo)電玻璃上以3500rpm的轉(zhuǎn)速旋涂PEDOT:PSS，再進(jìn)行在空氣中120℃退火1小時(shí)的處理形成空穴傳輸層，旋涂時(shí)間為60s；

3)吸光層的制備：在充滿N₂的高質(zhì)量手操箱中，以800rpm的轉(zhuǎn)速將P3HT：PC₆₁BM溶液旋涂到PEDOT：PSS層上，室溫條件下自然晾干1小時(shí)后進(jìn)行120℃退火20分鐘處理，形成吸光層，旋涂時(shí)間為60s；

4)陰極緩沖層的制備：利用真空蒸渡設(shè)備在吸光層上蒸渡有機(jī)小分子材料TmPyPb，形成陰極緩沖層；陰極緩沖層的厚度為1nm～50nm，蒸渡的速率為0.01nm/s～0.1nm/s，其蒸渡的氣壓環(huán)境小于3×10-4Pa；

5)金屬陰極的制備：利用真空蒸渡設(shè)備在陰極緩沖層上蒸渡金屬，形成金屬陰極，金屬陰極的厚度為80nm～120nm，蒸渡速率為0.1nm/s～1.3nm/s，其蒸渡的氣壓環(huán)境小于3×10-4Pa。

其中：

吸光層溶液通過(guò)如下方法進(jìn)行制備：

將聚3-已基噻吩P3HT和[6,6]-苯基C₆₁-丁酸甲酯PC₆₁BM按質(zhì)量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml濃度的溶液，混合后的溶液在60℃溫度下均勻攪拌12小時(shí)即可。

本發(fā)明的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件制備方案中引入有機(jī)小分子材料TmPyPb作為陰極緩沖層材料，在蒸渡的氣壓環(huán)境小于3×10-4Pa的時(shí)候以0.8nm/s的速率進(jìn)行沉積，形成陰極緩沖層。工藝簡(jiǎn)單，制備方便快捷。有機(jī)小分子材料TmPyPb具有高三線態(tài)能級(jí)、高電導(dǎo)率，低HOMO能級(jí)等特性，協(xié)調(diào)金屬陰極的功函數(shù)，提高了電子遷移率和陰極的電子收集效率。同時(shí)有機(jī)小分子材料TmPyPb具有光穩(wěn)定性能，提升了電池的抗老化能力。

有益效果：本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)、本發(fā)明使用的有機(jī)小分子材料TmPyPb材料，具有極好的光穩(wěn)定性能，提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和電池的抗老化能力。

(2)、本發(fā)明使用有機(jī)小分子材料TmPyPb作為陰極緩沖層材料，由于材料本身具有很高的三線態(tài)能級(jí)，充分的保證了有效的能量傳遞。

(3)、本發(fā)明使用的TmPyPb材料，其能級(jí)協(xié)調(diào)了金屬陰極的功函數(shù)，有利于電子的傳輸與收集，提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。

(4)、本發(fā)明使用的有機(jī)小分子材料TmPyPb十分容易通過(guò)真空蒸渡設(shè)備沉積出光滑均勻的陰極緩沖層，減少電子捕獲，提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。

(5)、本發(fā)明使用Al作為金屬陰極，成本低廉。

(6)、本發(fā)明使用的封裝方式采用先涂抹環(huán)氧樹脂，再用紫外燈光照15分鐘。這種封裝方式不僅操作過(guò)程簡(jiǎn)單，能達(dá)到很好的封裝效果。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施案例所作出的有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)圖；

圖2是實(shí)施案例二所作出的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的J-V曲線圖；

圖3是實(shí)施案例二所作出的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的穩(wěn)定性測(cè)試曲線圖；

圖4是有機(jī)小分子材料TmPyPB在光照1h處理前后的XRD圖；

圖5是有機(jī)小分子材料TmPyPB在光照1h處理前后的SEM圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

將刻蝕并清洗好的好的ITO導(dǎo)電玻璃依次用洗液溶液、去離子水、丙酮、乙醇各兩遍超聲15min。將P3HT和PC₆₁BM按質(zhì)量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml濃度的溶液，混合后的溶液在60℃的溫度下均勻攪拌12小時(shí)，待用。將清洗好的ITO導(dǎo)電玻璃用氮?dú)獯蹈刹V15min。使用旋涂?jī)x將UV好的ITO導(dǎo)電玻璃以3500rpm的轉(zhuǎn)速旋涂PEDOT：PSS溶液，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為1min，旋涂完畢后在空氣中進(jìn)行120℃退火，退火時(shí)間為1h，形成空穴傳輸層。然后將退完火的片子傳送到充滿N2的高質(zhì)量手操箱中，以800rpm的轉(zhuǎn)速將攪拌好的P3HT：PCBM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS層上，旋涂時(shí)間為60s，之后室溫條件下自然晾干1小時(shí)，接著進(jìn)行120℃退火20分鐘處理，形成高質(zhì)量吸光層。當(dāng)蒸渡的氣壓環(huán)境小于3×10-4Pa時(shí)，開始使用真空蒸渡設(shè)備在吸光層上蒸渡有機(jī)小分子材料TmPyPb，形成陰極緩沖層。陰極緩沖層的厚度為1nm，蒸渡的速率為0.01nm/s。緊接著在陰極緩沖層上以0.1nm/s的速率蒸渡80nm厚度的鋁電極。即可得到以有機(jī)小分子材料TmPyPB做陰極緩沖層的高穩(wěn)定性有機(jī)太陽(yáng)能電池，其具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在室溫環(huán)境下，測(cè)器件的J-V曲線。其器件結(jié)構(gòu)圖為說(shuō)明書附圖圖1。

實(shí)施例二

將刻蝕并清洗好的好的ITO導(dǎo)電玻璃依次用洗液溶液、去離子水、丙酮、乙醇各兩遍超聲15min。將P3HT和PC₆₁BM按質(zhì)量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml濃度的溶液，混合后的溶液在60℃的溫度下均勻攪拌12小時(shí)，待用。將清洗好的ITO導(dǎo)電玻璃用氮?dú)獯蹈刹V15min。使用旋涂?jī)x將UV好的ITO導(dǎo)電玻璃以3500rpm的轉(zhuǎn)速旋涂PEDOT：PSS溶液，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為1min，旋涂完畢后在空氣中進(jìn)行120℃退火，退火時(shí)間為1h，形成空穴傳輸層。然后將退完火的片子傳送到充滿N2的高質(zhì)量手操箱中，以800rpm的轉(zhuǎn)速將攪拌好的P3HT：PCBM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS層上，旋涂時(shí)間為60s，之后室溫條件下自然晾干1小時(shí)，接著進(jìn)行120℃退火20分鐘處理，形成高質(zhì)量吸光層。當(dāng)蒸渡的氣壓環(huán)境小于3×10-4Pa時(shí)，開始使用真空蒸渡設(shè)備在吸光層上蒸渡有機(jī)小分子材料TmPyPb，形成陰極緩沖層。陰極緩沖層的厚度為5nm，蒸渡的速率為0.03nm/s。緊接著在陰極緩沖層上以0.8nm/s的速率蒸渡120nm厚度的鋁電極。即可得到以有機(jī)小分子材料TmPyPB做陰極緩沖層的高穩(wěn)定性有機(jī)太陽(yáng)能電池，其具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在室溫環(huán)境下，測(cè)器件的J-V曲線。其器件結(jié)構(gòu)圖為說(shuō)明書附圖圖1，其器件的J-V曲線圖為說(shuō)明書附圖圖2，其器件的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖為說(shuō)明書附圖圖3。

實(shí)施例三

將刻蝕并清洗好的好的ITO導(dǎo)電玻璃依次用洗液溶液、去離子水、丙酮、乙醇各兩遍超聲15min。將P3HT和PC₆₁BM按質(zhì)量比1:1溶于二氯苯溶液中，配制出17mg/ml濃度的溶液，混合后的溶液在60℃的溫度下均勻攪拌12小時(shí)，待用。將清洗好的ITO導(dǎo)電玻璃用氮?dú)獯蹈刹V15min。使用旋涂?jī)x將UV好的ITO導(dǎo)電玻璃以3500rpm的轉(zhuǎn)速旋涂PEDOT：PSS溶液，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為1min，旋涂完畢后在空氣中進(jìn)行120℃退火，退火時(shí)間為1h，形成空穴傳輸層。然后將退完火的片子傳送到充滿N2的高質(zhì)量手操箱中，以800rpm的轉(zhuǎn)速將攪拌好的P3HT：PCBM混合溶液旋涂到PEDOT：PSS層上，旋涂時(shí)間為60s，之后室溫條件下自然晾干1小時(shí)，接著進(jìn)行120℃退火20分鐘處理，形成高質(zhì)量吸光層。當(dāng)蒸渡的氣壓環(huán)境小于3×10-4Pa時(shí)，開始使用真空蒸渡設(shè)備在吸光層上蒸渡有機(jī)小分子材料TmPyPb，形成陰極緩沖層。陰極緩沖層的厚度為50nm，蒸渡的速率為0.1nm/s。緊接著在陰極緩沖層上以1.3nm/s的速率蒸渡120nm厚度的鋁電極。即可得到以有機(jī)小分子材料TmPyPB做陰極緩沖層的高穩(wěn)定性有機(jī)太陽(yáng)能電池，其具有反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在室溫環(huán)境下，測(cè)器件的J-V曲線。其器件結(jié)構(gòu)圖為說(shuō)明書附圖圖1。