一种基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 (Based on HfS2Organic solar cell as hole transport layer and method for manufacturing the same ) 是由 於黄忠 黄承稳 张健开 孙亚鹏 黄金珍 杨宋 谭靖宇 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于HfS-(2)为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。该有机太阳能电池结构从下至上包括阳极层、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层；所述空穴传输层为HfS-(2)。本发明的有机太阳能电池以HfS-(2)作为空穴传输层代替传统的PEDOT:PSS,克服PEDOT:PSS的弱酸性对ITO、活性层的腐蚀以及PEDOT:PSS本身的低电导率缺点,同时提高太阳能电池的稳定性和转化效率。本发明采用液相剥离法制备二HfS-(2)空穴传输层,具有工艺简单、易于调控的特点,制备的HfS-(2)薄膜平整、致密；同时,制备HfS-(2)过程在室温中进行,无需高温加热处理。(The invention discloses a method based on HfS 2 An organic solar cell which is a hole transport layer and a method for manufacturing the same. The organic solar cell structure comprises an anode layer, a hole transport layer, an active layer, an electron transport layer and a cathode layer from bottom to top; the hole transport layer is HfS 2 . The organic solar cell of the invention uses HfS 2 The hole transport layer replaces the traditional PEDOT PSS, the defects of corrosion of ITO and an active layer caused by weak acidity of the PEDOT PSS and low conductivity of the PEDOT PSS are overcome, and meanwhile, the stability and the conversion efficiency of the solar cell are improved. The invention adopts a liquid phase stripping method to prepare the bis-HfS 2 Hole transport layer with simple processEasy to control, prepared HfS 2 The film is smooth and compact; simultaneously, HfS was prepared 2 The process is carried out at room temperature without high temperature heat treatment.)
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机太阳能电池作为新一代清洁可再生能源技术，由于其成本低、重量轻、柔性、溶液制备、可印刷生产和原料来源广等优点，近年十几年来深受国内外研究者们的广泛关注。基于此类材料的有机太阳能电池的光电转换效率在过去几年飞速发展，现如今单结器件已接近20％。
目前，高效的有机太阳能空穴传输层通常采用PEDOT:PSS。但是PEDOT:PSS具有弱酸性，对ITO和活性层有一定的腐蚀性，严重影响了器件的稳定性。同时，其电导率较低，进一步制约了器件性能的进一步提高。为了解决这些问题，人们提出以V2O5,WO3,MoO3等氧化物作为替代空穴传输层的材料。但是这些高温氧化物大部分依赖真空处理或需要高温退火等复杂工艺，不利于太阳能电池的生产。而二维半导体HfS2具有极高的载流子迁移率和较高的功函数，同时二维结构的HfS2具有较高的光透过率。这些优点表明HfS2作为有机太阳能电池空穴传输层材料具有巨大的应用前景(Adv.Mater.2019,1902965；DOI:10.1002/adma.201902965)。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法，提供一种工艺简单，易于调控的低温液相剥离法制备基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池，所述有机太阳能电池结构从下至上包括阳极层、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层；所述空穴传输层为HfS2。
优选的，所述阳极层为氧化铟锡(ITO)，活性层为PBDB-T:ITIC，电子传输层为PFN-Br，阴极层为铝(Al)。
优选的，所述空穴传输层HfS2厚度为3～5nm，活性层厚度为100～110nm，电子传输层厚度为4～5nm，阴极层厚度为90～100nm。
上述的基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)对阳极层表面进行等离子体处理10～15分钟；
(2)将HfS2前驱液以1000～3000rpm转速旋涂在步骤(1)所述处理后的阳极层表面上，保护气氛下80～100℃退火处理5～10分钟形成基于HfS2的空穴传输层；
(3)在步骤(2)所述HfS2空穴传输层上旋涂活性层前驱液，干燥后以100～120℃退火7～10分钟得活性层；
(4)在步骤(3)所述活性层上旋涂电子传输层前驱液，形成电子传输层；
(5)在步骤(4)所述电子传输层上蒸镀阴极层。
优选的，步骤(2)所述HfS2前驱液的制备方法为：将HfS2粉末加入到异丙醇溶剂中，并在冰浴下超声分散；然后离心，取其上清液即为HfS2前驱液。
进一步优选的，所述HfS2粉末与异丙醇溶剂的质量体积比为50mg：2～5mL。
进一步优选的，所述超声分散的时间为10～20h。
进一步优选的，所述离心的转速为3000～5000rpm，离心的时间为15～30min。
优选的，步骤(2)所述退火处理后的空穴传输层进行0-30分钟的等离子体处理。
优选的，步骤(3)所述活性层前驱液中包含添加剂DIO。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
相比于以PEDOT:PSS为空穴传输层的传统方法，本发明以HfS2为空穴传输层，采用溶液旋涂法，工艺简单，同时退火温度低。由于HfS2不仅具有跟传统空穴传输材料相近的功函数，而且其还具有极高的电导率以及化学稳定性。这使得以HfS2为空穴传输层的器件比以PEDOT:PSS为空穴传输层的器件具有更高的光电转换效率以及器件稳定性。
附图说明
图1为本发明的有机太阳能电池的结构示意图，其中1-阳极层，2-空穴传输层，3-活性层，4-电子传输层，5-阴极层。
图2为实施例1的ITO和HfS2薄膜的透过率。
图3为对比实施例和实施例1的太阳能器件的电流密度与电压关系图。
图4为对比实施例和实施例1的太阳能器件稳定性图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了更好的说明本发明而不是对其进行限制。本发明并不限于以下实施例和实施方案。
对比实施例
本对比实施例中基于PEDOT:PSS为空穴传输层的有机太阳能电池结构，所述器件结构从下至上包括阳极层、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层，具体制备方法如下：
1、阳极基底的清洗：将基底(ITO)依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇在超声清洗仪中超声15分钟，然后在70～80℃真空干燥箱中烘干即可得到实验需要的表面干净的衬底。
2、PEDOT:PSS为空穴传输层的制备：对洗净干燥的ITO进行等离子体处理10分钟。将PEDOT:PSS溶液旋涂在ITO表面上，转速为3500rpm，时间为40秒。最后对PEDOT:PSS以150℃退火10分成基于PEDOT:PSS的空穴传输层，其厚度为30nm。
3、活性层的制备：将PBDB-T和ITIC按质量比1：1溶解于氯苯溶液中，配成浓度为20mg/mL的溶液，然后按体积比99.5：0.5往溶液加入添加剂DIO即可获得活性层前驱溶液。将活性层溶液以2500rpm在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂60秒成膜。待薄膜完全干燥以后以100℃退火10分钟即为活性层，厚度为100nm。
4、电子传输层的制备：将0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液旋涂在活性层上形成电子传输层(旋涂速度：3000rpm；旋涂时间：30秒)，厚度为5nm。
5、阴极层的制备：用真空蒸镀仪将金属Al蒸镀到电子传输层上，形成100nm厚的阴极层。
实施例1
本实施例中基于HfS2为空穴传输层的有机太阳能电池结构，所述器件结构如图1所示：从下至上包括阳极层、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层，具体制备方法如下：
1、阳极基底的清洗：将基底(ITO)依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇在超声清洗仪中超声15分钟，然后在70～80℃真空干燥箱中烘干即可得到实验需要的表面干净的衬底。
2、HfS2为空穴传输层的制备：将50mg的HfS2粉末加入到2mL的异丙醇溶剂中，并在冰浴下超声分散20h。将分散好的悬浊液以5000rpm离心15min，取其上清液即为HfS2前驱液。对洗净干燥的ITO进行等离子体处理10分钟。将HfS2前驱液以2000rpm旋涂在ITO表面上，在充满氮气的手套里以80℃退火处理10分钟。最后对HfS2薄膜进行15分钟的等离子体处理形成基于HfS2的空穴传输层，其厚度为3nm。
3、活性层的制备：将PBDB-T和ITIC按质量比1：1溶解于氯苯溶液中，配成浓度为20mg/mL的溶液，然后按体积比99.5：0.5往溶液加入添加剂DIO即可获得活性层前驱溶液。将活性层溶液以2500rpm在HfS2空穴传输层上旋涂60秒成膜。待薄膜完全干燥以后以100℃退火10分钟即为活性层，厚度为100nm。
4、电子传输层的制备：将0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液旋涂在活性层上形成电子传输层(旋涂速度：3000rpm；旋涂时间：30秒)，厚度为5nm。
5、阴极层的制备：用真空蒸镀仪将金属Al蒸镀到电子传输层上，形成100nm厚的阴极层。
实施例2
器件制备在实施例1的基础上，在HfS2空穴传输层的制备时不对HfS2薄膜进行等离子体处理。
实施例3
器件制备在实施例1的基础上，在HfS2空穴传输层的制备时对HfS2薄膜进行5分钟的等离子体处理。
实施例4
器件制备在实施例1的基础上，在HfS2空穴传输层的制备时对HfS2薄膜进行10分钟的等离子体处理。
实施例5
器件制备在实施例1的基础上，在HfS2空穴传输层的制备时对HfS2薄膜进行30分钟的等离子体处理。
性能参数说明
图2为实施例1的ITO和HfS2薄膜的透过率，从图2的薄膜透过率可以看出，HfS2薄膜都具有较高的透光性，其透光性接近于ITO的透过率，这有利于活性层对光的吸收，提高短路电流。图3为对应的实施例1和对比实施例的有机太阳能电池的J-V曲线图，从图3可以看出，HfS2空穴传输层具有更高的电流密度；
图4为对比实施例和实施例1的器件稳定性图，从中可以看出，基于HfS2为空穴传输层(实施例1)的器件比基于PEDOT:PSS为空穴传输层(对比实施例)的器件具有更为优异期间稳定性。放置一个月以后，基于HfS2为空穴传输层(实施例1)的器件性能依然能保持70％的初始效率，而基于PEDOT:PSS为空穴传输层(对比实施例)的器件仅能保持40％的初始效率。综上所述表明将HfS2应用到有机太阳能电池的空穴传输层具有很大的发展前景。
表1
表1为各实施例的性能参数。从中可以看出，HfS2经过等离子体处理后，器件的短路电流，开路电压以及填充因子都得到有效提升。处理15分钟达到最佳，转换效率高达11.2％，这个超过了基于PEDOT:PSS为空穴传输层(对比实施例)的器件。这表明经过等离子体处理后的HfS2提升了器件的电荷抽取及运输，减少了电荷复合。
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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