一步反应剥离和部分氧化二硫化钼制备高效稳定有机太阳能电池的纳米薄片

smll201470068-gra-0001-m近年来体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)由于其廉价、可通过溶液法制备和可通过卷对卷印刷技术高效生产的优点而被广泛研究. 典型的有机太阳能电池是将空穴提取层,电子提取层夹在位于底部的铟锡氧化物(ITO)和位于上层的阴极之间组成的。通过新型合成技术合成新型材料或者优化制备条件可以提高有机太阳能电池的转换效率。然而,有机太阳能电池的长期稳定性对空穴提取层材料的高度依赖性仍然是其广泛商业化的阻碍。比较具有代表性的空穴提取层材料是PEDOT:PSS,它比较容易从具有活性的光滑的ITO表面提取空穴。但是由于PEDOT:PSS的强酸性和吸湿性使它很容易腐蚀ITO,这严重影响了有机太阳能电池的寿命和稳定性。为了克服这些缺点,人们采用具有相对中性和可调功函数的过渡金属氧化物(例如:V2O5,WO3, MoO3)来取代PEODOT:PSS。其中,MoO3由于具有无毒性,宽带隙和高功函数的特点,成为取代PEDOT:PTT的理想选择。大多数情况下,MoO3作为空穴提取层是通过热蒸发法实现的,但是这种方法需要昂贵的真空技术,不适用于生产低成本高产量和可通过溶液法制备的有机太阳能电池。因此众多课题组都在研究具有可溶性的MoO3层的制备方法。但是这些方法有的转换效率很低,有的需要高温退火工艺,这些方法还有一个缺陷就是制备出的都是不均匀的具有较大团聚体结构的MoO3膜,这导致了较大的损耗、较差的可靠性以及长期稳定性。因此,为了得到高效稳定的有机太阳能电池,我们需要先进的合成工艺来制备无需后退火处理的均匀MoO3层。

韩国原子能研究中心的尹金文博士报道了一种简单直接的新方法,通过一步氧化或剥离的方法来合成具有MoO3纳米微粒的两层或者三层二硫化钼(MoS2)纳米薄片。将此纳米薄片与传统的MoS2、MoO3分别作为空穴提取层融入体异质结有机太阳能电池中,不经过退火处理得出三者的转换效率分别为6.9%、1.5%和5.2%。更重要的是,此纳米薄片制备的有机太阳能电池在空气中的稳定性相对于使用PEDOT:PSS和传统的MoO3制备的有机太能电池有显著提升,其转换效率在16天后仍然有5.5%,而使用后两者制备的有机太阳能电池分别在4天和8天之后彻底报废。MoO3/ MoS2纳米薄膜的形成过程首先是通过过氧化氢(H2O2)氧化MoS2块扩大层间距,接着过氧化氢渗入夹层中将MoS2部分氧化形成MoO3,MoO3纳米微粒会均匀分布在MoS2块上,最后通过超声法剥离MoS2纳米薄膜和MoO3纳米微粒。研究表明,MoO3纳米微粒在没有退火处理的情况下仍然可以在MoS2纳米薄膜上完整的形成。值得注意的是,这种具有过渡金属氧化物高效稳定特性的空穴提取层可以通过简单的溶液法制备。另外,由于有MoS2纳米薄膜作为支架来形成均匀分布的MoO3纳米微粒,该方法在形成均匀的、完全覆盖的、无需退火处理的MoO3薄膜方面比前人的制备方法更有前途。

最后得出的结论是通过此简单有效的方法制备得到的MoO3/ MoS2是一种有着广阔前途的可以替代PEDOT:PSS的空穴传输材料,它可以更好的提高有机太阳能电池的性能和稳定性。