專(zhuān)利名稱(chēng)：一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有機(jī)光電領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光 伏電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著全球石油資源的耗盡，新能源的開(kāi)發(fā)顯得日益重要。太陽(yáng)能電池是將光能直 接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。作為解決世界能源危機(jī)的一個(gè)可行的方法，太陽(yáng)能的利用成為一個(gè) 廣泛研究的前沿性課題。因此，大力發(fā)展太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)，利用太陽(yáng)光發(fā)電已經(jīng)成為世界各 國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新能源戰(zhàn)略。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2030年光伏發(fā)電將占到世界發(fā)電總量的 50%。太陽(yáng)能電池的研究與開(kāi)發(fā)始終圍繞以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題而展開(kāi)(1)提高光電轉(zhuǎn)換效 率及壽命(2)新型材料制備以降低成本。到目前為止，以無(wú)機(jī)硅材料為代表的光伏電池通 ?？梢赃_(dá)到10-20%的轉(zhuǎn)換效率。然而，無(wú)機(jī)光伏電池在制備過(guò)程中所需的高溫、高真空使 得無(wú)機(jī)光伏電池的生產(chǎn)成本非常之高，這使得其應(yīng)用受到很大的限制。1992年，N. Sariciftci等首次發(fā)現(xiàn)聚合物/C60之間的光誘導(dǎo)超快電荷傳遞現(xiàn)象。 1995年A.J. Heeger等提出了“本體異質(zhì)結(jié)”(BHJ)的概念，發(fā)明的“本體異質(zhì)結(jié)”型單層聚 合物/C60光伏電池大大提高了 D/A異質(zhì)結(jié)的接觸面積。而共軛聚合物/C60本體異質(zhì)結(jié)太 陽(yáng)能電池由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制備引起了人們的廣泛關(guān)注。圍繞提高有機(jī)光伏電池的效率， 從寬吸收、窄帶隙聚合物的設(shè)計(jì)合成到器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化人們進(jìn)行了大量的探索研究。2002 年C. J. Brabec等通過(guò)在金屬電極和活性層之間插入LiF材料制得了能量轉(zhuǎn)換效率(PCE) 為3. 3%的聚合物太陽(yáng)能電池，2004年又將能量轉(zhuǎn)換效率提高到3. 85%。2005年美國(guó)加州 大學(xué)圣巴巴拉分校的A. J. Heeger教授等通過(guò)熱處理P3HT:PCBM活性層獲得了 5%的效率。 2007年K. Lee等報(bào)道了采用透明的TiOx作為級(jí)聯(lián)材料形成疊層結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)有機(jī)電池，效 率高達(dá)6.5%。華南理工大學(xué)曹鏞院士課題組在P3HT:PCBM中加入油酸(oleic acid)并熱 處理后獲得了 4. 3%的光電轉(zhuǎn)化效率。2008年12月9日，Konarka公司宣布該公司和A J Heeger課題組合作已經(jīng)獲得了 6%的轉(zhuǎn)換效率。2010年8月1日，Solarmer Energy宣布 該公司Li Gang博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組已經(jīng)獲得了 8. 13%有機(jī)聚合物光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，并 通過(guò)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的證實(shí)。中科院北京化學(xué)所李永舫教授課題組報(bào) 道的新受體材料ICBA與P3HT所組成的異質(zhì)結(jié)電池的效率達(dá)6. 5%。有機(jī)光伏電池以其成 本低、無(wú)毒、容易制備、易于實(shí)現(xiàn)柔性器件、可以方便有效地改變有機(jī)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)以控 制最佳的能帶、電荷遷移率、溶解度甚至取向程度來(lái)提高電池的效率等特點(diǎn)而成為近年來(lái) 的研究熱點(diǎn)。如果有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，就有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。器件結(jié)構(gòu)是影響光電池能量轉(zhuǎn)換效率提高的重要因素。太陽(yáng)能電池的性能可通 過(guò)電極修飾或其他界面修飾得到不同程度的改善。電極修飾層的目的是使其功函數(shù)與給 體材料的最高占有軌道(HOMO)或受體材料的最低未占有軌道(LUMO)相匹配，以提高電 荷引出效率和阻擋激子和非收集載流子的傳輸。目前較為普遍的陰極修飾材料是金屬氟化物。Brabec等研究了氟化鋰(LiF)陰極修飾層對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池的影響(Brabec， C. J. ；Shaheen, S. Ε. ；Winder, C. ；Sariciftci, N. S. ；Denk, P. Appl. Phys. Lett. 2002,80, 1288)。LiF的插入增大了器件的填充因子、短路電流及能量轉(zhuǎn)換效率，減小了器件的串 聯(lián)電阻。這是因?yàn)長(zhǎng)iF本身是一種極性較強(qiáng)的離子化合物。它可能在界面上有序排列而 形成一層界面偶極層，從而降低了金屬的功函數(shù)，使得有機(jī)層與電極之間形成良好的歐姆 接觸。這樣就降低了器件的串聯(lián)電阻，增大了太陽(yáng)電池的填充因子與短路電流。其他的 修飾材料包括 TiOx (Hayakawa, A. ；Yoshikawa, 0. ；Fujieda, Τ. ；Uehara, K. ；Yoshikawa, S. Appl. Phys. Lett. 2007，90，163517) ,2,9- 二甲基 _4，7- 二苯基-1，10-鄰二氮雜菲(BCP， bathocproine) (Vogel, M. ；Doka, S. ；Breyer, C. ；Lux-Steiner, M. C. ；Fostiropoulos, K. Appl. Phys. Lett. 2006，89，163501)。這些無(wú)機(jī)物(LiF、TiOx)成膜需要用到昂貴的電子 束和真空蒸鍍裝置，方法較為復(fù)雜，膜厚不易精確控制。有機(jī)材料BCP需要通過(guò)真空蒸鍍 的方法成膜，而且膜厚和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，價(jià)格昂貴，無(wú)法大面積制備。從實(shí)用化的角度來(lái) 看，不利于工業(yè)化批量生產(chǎn)。李永舫等研究了溶液法TIPD陰極修飾層對(duì)MEH-PPV光伏電 池器件性能的影響(Tan，Ζ. ；Yang, C. ；Zhou, Ε. ；Wang，X. ；Li. Y. Appl. Phys. Lett. 2007, 91，023509)。在 AMI. 5G (100mff/cm2)光照下，Jsc、Voc, FF、PCE 分別由原來(lái)的 4. 29mA/cm2、 0. 84V,0. 46、1· 66%增加至 5. 73mA/cm2、0. 87V,0. 51，2. 52%。Lee 等以溶液方法制備的 TiOx 作為光隔離層將光的空間分布與活性層的位置相匹配增加光的吸收，有助于提高器件的光 電流。在 AML 5 光照下，Jsc、Voc, FF、ηρ 分別由原來(lái)的 7. 5mA/cm2、0. 51V、0. 54,2. 3%增 加至 11. lmA/cm2、0. 61V、0. 66、5% (Kim, J. Y. ；Kim, S. H. ；Lee, H. H. ；Lee, K. ；Ma, W. ；Gong, X. ；Heeger，A. J. Adv. Mater. 2006，18，572)。因此，尋找價(jià)格低廉的陰極修飾層材料或溶液 可加工的陰極修飾層材料就成為了有機(jī)光伏電池制備中亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有有機(jī)光伏電池制備中光電轉(zhuǎn)化效率較低、穩(wěn)定性差的問(wèn) 題，提供了一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池的制備方法。本發(fā)明提供的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，具體結(jié)構(gòu)如附圖1所 示，依次包括1)、透明導(dǎo)電襯底(1);2)、位于上述導(dǎo)電玻璃陽(yáng)極層(1)上的陽(yáng)極緩沖層PED0T:PSS(2)；3)、位于上述陽(yáng)極緩沖層PED0T:PSS(2)上的活性層(3)；4)、位于上述活性層(3)上的陰極修飾層(4)，所述陰極修飾層(4)可以通過(guò)熱蒸 鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上；5)、位于上述陰極修飾層(4)上的金屬背電極(5)。上述的透明導(dǎo)電襯底⑴是帶有IT0、FT0、AZ0導(dǎo)電層的玻璃或者柔性襯底。苯甲 酸鋰陰極修飾層(4)可以通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上。旋涂苯甲酸 鋰陰極修飾層的溶劑為無(wú)水乙醇。濃度為0.01-0. 5mg/mL。苯甲酸鋰陰極修飾層(4)的厚 度χ 為 lnm。上述的有機(jī)光伏電池器件的制備方法，包括以下步驟(1)清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干；
(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽(yáng) 極緩沖層(2)，干燥；(3)在PEDOT PSS陽(yáng)極緩沖層(2)旋涂上有機(jī)活性層(3)，干燥；(4)通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰陰極修飾層⑷沉積在活性層(3) 上；(5)在苯甲酸鋰陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極(5)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明提供了一種通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰作為器件的陰極修 飾層，從而顯著地提高了有機(jī)光伏電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性的方法。相對(duì)于傳統(tǒng) 的無(wú)機(jī)氟化鋰(LiF)陰極修飾層相比，苯甲酸鋰作為陰極修飾層可以和活性層之間形成更 良好的界面接觸。通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰作為器件的陰極修飾層可以簡(jiǎn) 化器件制作工藝，成本低，重現(xiàn)性好，提高器件的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。采用溶液加工不 需要高真空的制備條件，制備條件簡(jiǎn)單，適用于未來(lái)的大規(guī)模的滾筒式(roll-to-roll)工 業(yè)化生產(chǎn)有機(jī)太陽(yáng)能電池及其組件。

圖1是器件結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施方式實(shí)施例1(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復(fù)清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽(yáng)極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽(yáng)極緩沖層上旋涂有機(jī)活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)利用真空蒸鍍法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機(jī)光伏電池器件，器件結(jié)構(gòu)IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/苯甲酸鋰/Al。用類(lèi)似辦法制 備以L(fǎng)iF為陰極緩沖層的對(duì)比器件1和不加任何修飾層的對(duì)比器件2。(8)器件制備完成后，將所有條形ITO陽(yáng)極一端接電流表正極，所有條形Al陰極一 端接電流表負(fù)極。測(cè)試結(jié)果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AMI. 5G(100mff/cm2)光 照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 12. 44mA/cm2、0. 65V、0. 51、4. 1%0 器件的半衰期為 IOOOh0 以L(fǎng)iF為陰極緩沖層的對(duì)比器件1在AMI. 5G(100mff/cm2)光照下，Jsc, Voc, FF、PCE分別 為11. 88mA/cm2、0· 65V、0. 48,3. 7%0器件衰減很快，半衰期為800h左右。不加任何修飾層 的對(duì)比器件 2 在 AMI. 5G(100mff/cm2)光照下，Jsc、Voc, FF、PCE 分別為 10. lmA/cm2、0. 65V、 0·47、3· 1%。器件衰減很快，半衰期為400h左右。實(shí)施例2(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復(fù)清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽(yáng)極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽(yáng)極緩沖層上旋涂有機(jī)活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)將苯甲酸鋰溶解在無(wú)水乙醇里，濃度為0. lmg/mL。在3000轉(zhuǎn)每分鐘轉(zhuǎn)速下利 用旋涂法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度約為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機(jī)光伏電池器件。測(cè)試結(jié)果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AM1.5G(100mW/ cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 86mA/cm2、0. 66V、0. 47、3· 4%。實(shí)施例3(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復(fù)清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽(yáng)極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽(yáng)極緩沖層上旋涂有機(jī)活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)將苯甲酸鋰溶解在無(wú)水乙醇里，濃度為0. 3mg/mL。在3000轉(zhuǎn)每分鐘轉(zhuǎn)速下利 用旋涂法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度約為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機(jī)光伏電池器件。測(cè)試結(jié)果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AM1.5G(100mW/ cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 84mA/cm2、0. 65V、0. 47、3.3%。實(shí)施例4(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復(fù)清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽(yáng)極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽(yáng)極緩沖層上旋涂有機(jī)活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)將苯甲酸鋰溶解在無(wú)水乙醇里，濃度為0. 3mg/mL。在3000轉(zhuǎn)每分鐘轉(zhuǎn)速下利 用旋涂法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度約為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機(jī)光伏電池器件。測(cè)試結(jié)果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AM1.5G(100mW/ cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 11. 23mA/cm2、0. 64V、0. 46、3· 3%。
權(quán)利要求
1.一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，該有機(jī)光伏電池依次 包括1)、透明導(dǎo)電襯底(1)；2)、位于上述透明導(dǎo)電襯底(1)上的陽(yáng)極緩沖層PEDOTPSS(2)；3)、位于上述陽(yáng)極緩沖層PED0T:PSS(2)上的活性層(3)；4)、位于上述活性層(3)上的陰極修飾層(4)，所述陰極修飾層(4)可以通過(guò)熱蒸鍍或 溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上；5)、位于上述陰極修飾層(4)上的金屬背電極(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，陰 極修飾層(4)是苯甲酸鋰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，所 述透明導(dǎo)電襯底(1)是帶有IT0、FT0、AZ0導(dǎo)電層的玻璃或者柔性襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，苯 甲酸鋰陰極修飾層(4)通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，旋 涂苯甲酸鋰陰極修飾層(4)的溶劑為無(wú)水乙醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，旋 涂陰極修飾層(4)的苯甲酸鋰乙醇溶液的濃度為0.01-0. 5mg/mL。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池，其特征在于，苯 甲酸鋰陰極修飾層⑷的厚度χ為0. 5彡χ彡1. Onm。
8.—種權(quán)利要求1所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池的制備方法，其特 征在于，該方法包括以下步驟a)清洗透明導(dǎo)電襯底⑴并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底(1)上旋涂PEDOT:PSS陽(yáng)極緩 沖層(2)，干燥；c)在PEDOT:PSS陽(yáng)極緩沖層(2)旋涂上有機(jī)活性層(3)，干燥；d)通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在苯甲酸鋰陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機(jī)光伏電池及其制備方法，屬于有機(jī)光電領(lǐng)域。包括透明導(dǎo)電襯底1、陽(yáng)極緩沖層PEDOT:PSS 2、活性層3、陰極修飾層4和金屬背電極層5。所述陰極修飾層4可以通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層3上。其制備方法包括(1)清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干；(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電襯底1上旋涂PEDOT:PSS陽(yáng)極緩沖層2，等等。本發(fā)明通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰作為有機(jī)光伏器件的陰極修飾層。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)鹽氟化鋰(LiF)陰極修飾層相比，苯甲酸鋰有機(jī)鹽作為陰極修飾層可以和活性層之間形成更良好的界面接觸，從而顯著地提高了有機(jī)光伏電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L51/44GK102005537SQ20101028404
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者印壽根, 姚聰, 徐昊, 楊利營(yíng), 王亞凌, 田慧 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)