專利名稱：一種聚合物太陽(yáng)能電池的陰極界面修飾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，涉及一種聚合物太陽(yáng)能電池
(Polymer Solar Cells; PSCs)的修飾技術(shù)，尤其是一種聚合物太陽(yáng)能 電池的陰極界面修飾方法。
背景技術(shù)：
聚合物太陽(yáng)能電池是一種利用太陽(yáng)光中波長(zhǎng)不大于材料禁帶寬 度的光子，當(dāng)太陽(yáng)光照射到聚合物半導(dǎo)體上時(shí)，聚合物材料吸收光子 后產(chǎn)生束縛在一起的電子--空穴對(duì)(激子)，激子擴(kuò)散到金屬陰極和 聚合物界面時(shí)離解為電子和空穴(載流子)。在半導(dǎo)體內(nèi)建電場(chǎng)的作 用下，載流子向相反電極方向移動(dòng)并在電極上得以收集，從而在外電 路產(chǎn)生光電流，其特點(diǎn)是制備方法簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，可以制成超薄、 大面積的柔性器件。
公知的聚合物太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)至少包含陽(yáng)極和陰極，其中陽(yáng) 極至少包含陽(yáng)極玻璃基板、陽(yáng)極導(dǎo)電層IT0 (氧化銦錫)和陽(yáng)極修飾 層；陰極至少包含金屬電極。陽(yáng)極和陰極之間的夾心層為光活性層， 其功能為吸收太陽(yáng)光子，產(chǎn)生激子并分離成電子和空穴，在正負(fù)電極 的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子和空穴傳輸進(jìn)入外電路產(chǎn)生光電流。該聚合 物太陽(yáng)能電池，陽(yáng)極修飾層PEDOT:PSS (聚(3， 4-二氧乙基噻吩)聚 (對(duì)苯乙烯磺酸))厚度在30nm左右，金屬陰極厚度在100nm左右， 即可得到較好的太陽(yáng)能電池器件，至于中間的光活性層材料特性則依
所選用的光伏材料而定。
在通過(guò)溶液旋涂制備的聚合物太陽(yáng)能電池中，光活性層制備后， 在轉(zhuǎn)移到真空蒸鍍室時(shí)需暴露于空氣中，陰極結(jié)構(gòu)即為不同功函數(shù)的 金屬，通過(guò)真空蒸鍍的方式沉積在光活性層上。電極材料的功函數(shù)是
非常重要的，因?yàn)樗芨鶕?jù)半導(dǎo)體材料的LUMO/HOMO (在分子軌 道中，電子未占有的能量最低的分子軌道叫做最低未占有分子軌道 LUM0，電子占有的能量最高的分子軌道叫做最高占有分子軌道LUM0) 和費(fèi)米能級(jí)確定電極是否與電子、空穴(導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴)形成 歐姆接觸或阻斷接觸。有機(jī)層和金屬層界面的接觸情況將直接影響太 陽(yáng)能電池器件即有機(jī)光伏器件的性能。
為了提高電子的傳輸效率，要求選用功函數(shù)盡可能低的材料作陰 極。實(shí)驗(yàn)證明，有機(jī)光伏器件的效率、使用壽命與陰極的功函數(shù)有密 切的聯(lián)系。
公知技術(shù)制作的聚合物太陽(yáng)能電池，在陰極蒸鍍之前光活性層 會(huì)與周圍環(huán)境接觸，水蒸氣和氧氣有可能影響光活性層，陰極蒸鍍時(shí) 金屬原子很容易打進(jìn)光活性層的聚合物中，破環(huán)光活性層的形貌，金 屬陰極和光活性層的界面串聯(lián)電阻較大，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換 效率降低，而且金屬陰極均是采用真空蒸鍍的方式沉積在光活性層 上。因此需要提供一種簡(jiǎn)單及低成本的陰極界面的修飾材料，以利于 隔絕周圍環(huán)境與光活性層的接觸，提高電池的穩(wěn)定性；并且可以保護(hù) 光活性層不在金屬蒸鍍時(shí)被破環(huán)，改善界面的性能，降低界面串聯(lián)電 阻，提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種聚合物 太陽(yáng)能電池的陰極界面修飾方法，此方法可以改善太陽(yáng)能電池陰極界 面的性能，降低金屬陰極和聚合物界面的電阻，從而提高聚合物太陽(yáng) 能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的 這種聚合物太陽(yáng)能電池的陰極界面修飾方法，包括如下步驟 1)配制涂敷溶液
首先以乙腈為溶劑，以有機(jī)鉬化合物為溶質(zhì)，在氮?dú)夥諊?br> 手套箱中配成質(zhì)量濃度為1%~2%的溶液，然后在40 5(TC下，在
磁力攪拌器上攪拌2~4小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液；所述乙 腈溶劑為光譜純級(jí)別；
上述有機(jī)鉬化合物的分子結(jié)構(gòu)為
上式中R為氫基或者正烷烴基，其中所述的正烷烴基的碳直 鏈長(zhǎng)度不超過(guò)6個(gè)； 2)旋涂修飾層
將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述 配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂4-6s，再以
3500 4000r/min的轉(zhuǎn)速旋涂1 3min，將涂敷厚度控制在40~50 nm， 然后將旋涂后的太陽(yáng)能電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲校⒃?加熱臺(tái)上加熱30 50min，加熱溫度為65 85°C ，直至將乙腈溶劑 完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電池活性層上的陰極界面修飾 層。
上述有機(jī)鉬化合物為C3H6M004、 C5H1()M004、 C7H14M004、 CnH22Mo04或者C15H3QM004。
本發(fā)明以旋涂的方式制作太陽(yáng)能陰極界面修飾層的技術(shù)具有如 下有益效果
(a) 以溶液旋涂的方式制作的陰極界面修飾層可以控制修飾層 的厚度和分布的均勻性，利于電子傳輸；
(b) 采用鉬的化合物配成的涂敷溶液所涂敷的陰極界面修飾 層，不會(huì)破壞下層的光活性層并且旋涂制備方法簡(jiǎn)單，制作成本低廉。


圖1為本發(fā)明的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意其中1為玻璃基板；2為陽(yáng)極導(dǎo)電層；3為陽(yáng)極修飾層；4為 光活性層；5為陰極；6為陰極界面修飾層。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述-
參見(jiàn)圖1，為按照本發(fā)明的方法制造的太陽(yáng)能電池構(gòu)造示意圖， 其基本結(jié)構(gòu)不變，都包含有陽(yáng)極和陰極5，其中陽(yáng)極包含玻璃基板l、 陽(yáng)極導(dǎo)電層2 (即ITO-氧化銦錫)和陽(yáng)極修飾層3;光活性層4處于
陽(yáng)極和陰極5之間，本發(fā)明是在光活性層4上涂敷了一層陰極界面修 飾層6，其中涂敷陰極界面修飾層6的涂敷溶液的溶質(zhì)為鉬的化合物， 溶劑為乙腈，乙腈具有極性，大多數(shù)共軛聚合物在這類溶劑中都不溶 解，所以不用擔(dān)心在制備上層陰極界面修飾層6時(shí)會(huì)破壞下層的光活 性層4。
實(shí)施例1
1) 配制涂敷溶液
首先以光譜純級(jí)別的乙腈為溶劑，以C3H6Mo04為溶質(zhì)，在氮
氣氛圍的手套箱中配成質(zhì)量濃度為1%的溶液，然后在4(TC下，在 磁力攪拌器上加熱攪拌2小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液；
2) 旋涂修飾層
將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述 配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂4s，再以3500r/min 的轉(zhuǎn)速旋涂lmin，將涂敷厚度控制在40nm，然后將旋涂后的太陽(yáng)能 電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲?，并在加熱臺(tái)上加熱30min，加熱 溫度為65°C，直至將乙腈溶劑完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電 池活性層上的陰極界面修飾層。 實(shí)施例2
1)配制涂敷溶液
首先以光譜純級(jí)別的乙腈為溶劑，以C諷oM。04為溶質(zhì)，在 氮?dú)夥諊氖痔紫渲信涑少|(zhì)量濃度為1.2%的溶液，然后在43 °C下， 在磁力攪拌器上加熱攪拌2.5小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液； 2)旋涂修飾層
將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述 配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂5s，再以3800r/min 的轉(zhuǎn)速旋涂2min，將涂敷厚度控制在45 nm，然后將旋涂后的太陽(yáng)能 電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲?，并在加熱臺(tái)上加熱40min，加熱 溫度為70°C，直至將乙腈溶劑完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電 池活性層上的陰極界面修飾層。 實(shí)施例3
1) 配制涂敷溶液 首先以光譜純級(jí)別的乙腈為溶劑，以C7HwMo04為溶質(zhì)，在
氮?dú)夥諊氖痔紫渲信涑少|(zhì)量濃度為1.5Q/。的溶液，然后在45-C下， 在磁力攪拌器上加熱攪拌3小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液；
2) 旋涂修飾層
將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述 配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂6s，再以4000r/min 的轉(zhuǎn)速旋涂3min，將涂敷厚度控制在45 nm，然后將旋涂后的太陽(yáng)能 電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲?，并在加熱臺(tái)上加熱45min，加熱 溫度為75°C,直至將乙腈溶劑完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電 池活性層上的陰極界面修飾層。 實(shí)施例4
1)配制涂敷溶液
首先以光譜純級(jí)別的乙腈為溶劑，以CnH22Mo04為溶質(zhì)，在
氮?dú)夥諊氖痔紫渲信涑少|(zhì)量濃度為1.7。/。的溶液，然后在48'C下， 在磁力攪拌器上加熱攪拌3.5小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液； 2)旋涂修飾層
將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述 配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂6s，再以4000r/min 的轉(zhuǎn)速旋涂3min，將涂敷厚度控制在50 nm，然后將旋涂后的太陽(yáng)能 電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲?，并在加熱臺(tái)上加熱50min，加熱 溫度為S(TC，直至將乙腈溶劑完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電 池活性層上的陰極界面修飾層。 實(shí)施例5
1) 配制涂敷溶液
首先以光譜純級(jí)別的乙腈為溶劑，以Q5H3。Mo04為溶質(zhì)，在
氮?dú)夥諊氖痔紫渲信涑少|(zhì)量濃度為2%的溶液，然后在5(TC下， 在磁力攪拌器上加熱攪拌4小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液；
2) 旋涂修飾層
將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述 配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂6s，再以4000r/min 的轉(zhuǎn)速旋涂3min，將涂敷厚度控制在50 nm，然后將旋涂后的太陽(yáng)能 電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲?，并在加熱臺(tái)上加熱50min，加熱 溫度為85°C，直至將乙腈溶劑完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電 池活性層上的陰極界面修飾層。
權(quán)利要求
1.一種聚合物太陽(yáng)能電池的陰極界面修飾方法，其特征在于包括如下步驟1)配制涂敷溶液首先以乙腈為溶劑，以有機(jī)鉬化合物為溶質(zhì)，在氮?dú)夥諊氖痔紫渲信涑少|(zhì)量濃度為1％～2％的溶液，然后在40～50℃下，在磁力攪拌器上攪拌2～4小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液；所述乙腈溶劑為光譜純級(jí)別；上述有機(jī)鉬化合物的分子結(jié)構(gòu)為上式中R為氫基或者正烷烴基，其中所述的正烷烴基的碳直鏈長(zhǎng)度不超過(guò)6個(gè)；2)旋涂修飾層將聚合物太陽(yáng)能電池置于勻膠機(jī)上，給其光活性層旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的轉(zhuǎn)速旋涂4～6s，再以3500～4000r/min的轉(zhuǎn)速旋涂1～3min，將涂敷厚度控制在40～50nm，然后將旋涂后的太陽(yáng)能電池置于充滿氮?dú)夥諊氖痔紫渲?，并在加熱臺(tái)上加熱30～50min，加熱溫度為65～85℃，直至將乙腈溶劑完全揮發(fā)，最后得到涂敷于太陽(yáng)能電池活性層上的陰極界面修飾層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物太陽(yáng)能電池的陰極界面修飾方法，其特征在于: 所述有機(jī)鉬化合物為C3H6M004、 C5H1()M004、 C7H14M004、 C H22M004或 者C15H30MOO4。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種聚合物太陽(yáng)能電池的陰極界面修飾方法，其特征在于，首先以光譜純級(jí)別的乙腈為溶劑，以有機(jī)鉬化合物為溶質(zhì)，在氮?dú)夥諊氖痔紫渲信涑少|(zhì)量濃度為1％～2％的溶液，然后在40～50℃下，在磁力攪拌器上攪拌2～4小時(shí)，得到攪拌均勻的涂敷溶液；然后利用勻膠機(jī)給太陽(yáng)能電池的光活性層旋涂上述配制的涂敷溶液，涂敷厚度控制在40～50nm，最后加熱將乙腈溶劑完全揮發(fā)得到陰極界面修飾層。本發(fā)明的陰極界面修飾層可形成厚度薄且致密性高的陰極界面修飾層，適用于聚合物太陽(yáng)能電池修飾陰極的要求，并且涂敷溶液制備簡(jiǎn)單，實(shí)施旋涂方法制備器件常見(jiàn)。
文檔編號(hào)H01L51/48GK101373815SQ20081023173
公開(kāi)日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
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