專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(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)，涉及一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有 機(jī)光伏電池。
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)。然而，光電轉(zhuǎn)換效率只是制約有機(jī)光伏產(chǎn)業(yè)化道路的瓶頸一。有機(jī)光伏電池的的 穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本以及加工工藝方面仍然有許多基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題需要解決。特別是對(duì)于如何 提高有機(jī)光伏器件的穩(wěn)定性及壽命尚缺乏系統(tǒng)深入的研究工作。2008年12月2日Konarka 公司宣布與德國(guó)聯(lián)邦教育與科研部(BMBF)共同啟動(dòng)資金總額為250萬(wàn)歐元的“有機(jī)光伏的穩(wěn)定性”(OPV stability)的研究課題。器件結(jié)構(gòu)是影響光電池能量轉(zhuǎn)換效率提高的重要 因素之一。研究開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池、為載流子提供連續(xù)有效的傳輸路徑、提高其 穩(wěn)定性就顯得非常重要。在有機(jī)光伏電池器件中，背電極大多為電離能較小的活潑金屬(如鈣、鎂、鋁等)， 它們?cè)诤醯沫h(huán)境中極易被氧化從而導(dǎo)致器件性能的下降；有機(jī)材料對(duì)氧非常敏感，極易 被氧化污染從而降低光電效率；器件工作時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)進(jìn)一步加劇器件中各種材料的 老化，進(jìn)而影響器件的操作壽命。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率較低、穩(wěn)定性差的問(wèn)題， 提供一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(jī)光伏電池及其制備方法。本發(fā)明具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(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)、位于上述透明導(dǎo)電襯底(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)上的摻雜有抗氧化劑的活性層(3)；4)、位于上述具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的活性層(3)上的陰極修飾層(4)；5)、位于上述陰極修飾層⑷上的金屬背電極(5)；上述的透明導(dǎo)電襯底是帶有IT0、FT0、AZ0導(dǎo)電層的玻璃或者柔性襯底。旋涂含有 抗氧化劑的活性層。抗氧化劑是對(duì)苯二酚、2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚或2，2'-亞甲基雙 (4-甲基-6-叔丁基苯酚)。抗氧化劑比例占活性層質(zhì)量的0.1%-0.5%。旋涂所使用的 的溶劑是乙醚、甲苯、氯苯、鄰二氯苯、對(duì)二氯苯、間二氯苯、四氫呋喃、二甲苯、氯仿或丙酮。上述的有機(jī)光伏電池的制備方法，包括以下步驟a)清洗透明導(dǎo)電襯底(1)并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在明導(dǎo)電襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽(yáng)極緩沖 層⑵，干燥；c)在PED0T:PSS陽(yáng)極緩沖層⑵上旋涂摻雜有抗氧化劑的活性層(3)，在氮?dú)獗?護(hù)下熱處理；d)通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬A1背電極(5)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明提供了一種在活性層結(jié)構(gòu)中加入抗氧化劑的方法，大大提高了器件的環(huán)境 穩(wěn)定性。同時(shí)，利用抗氧化劑在不良溶液中形成針狀結(jié)晶的特點(diǎn)，使得共軛聚合物取向結(jié) 晶，為載流子提供連續(xù)有效的傳輸路徑。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。成本低、制備條件簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好。采用溶液加工不需要高真空的制備條件， 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)示意圖；具體實(shí)施方式實(shí)施例1(1)將3mmX3mm的IT0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PED0T:PSS陽(yáng)極緩沖層上旋涂含有對(duì)苯二酚抗氧化劑的有機(jī)活性層 P3HT:PCBM(P3HT 苯二酚=100 0. 1，質(zhì)量比)，在 160 度下熱處理 20min。(4)利用真空蒸鍍法將1. Onm厚陰極緩沖層LiF沉積在活性層上。(5)借助條形掩膜板，真空蒸鍍lOOnm的A1做背電極，從而制成有機(jī)光伏電池器 件。用類(lèi)似辦法制備對(duì)比器件。(6)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A1陰極一 端接電流表負(fù)極。測(cè)試結(jié)果表明具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)活性層的器件在AM1.5G(100mW/cm2)光照 下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 95mA/cm2、0. 61V、49. 1%,3. 28%0 對(duì)比器件在相同條件下， Jsc、Voc、FF、PCE分別為10. 5mA/cm2、0. 63V、38. 7%,2. 57%0具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)活性層的器件 與對(duì)比器件相比，器件衰減明顯變緩。經(jīng)過(guò)340h，器件的PCE下降為初始值的78%;而對(duì)比 器件經(jīng)過(guò)140h，器件的PCE就下降為初始值的31%。實(shí)施例2(1)將3mmX3mm的IT0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PED0T:PSS陽(yáng)極緩沖層上旋涂含有對(duì)苯二酚抗氧化劑的有機(jī)活性層 P3HT:PCBM(P3HT 苯二酚=100 0. 5，質(zhì)量比)，在 160 度下熱處理 20min。。(4)利用真空蒸鍍法將1. Onm厚陰極緩沖層LiF沉積在活性層上。(5)真空蒸鍍lOOnm的A1做背電極，從而制成有機(jī)光伏電池器件。用類(lèi)似辦法制 備正常不交聯(lián)的對(duì)比器件。(6)測(cè)試結(jié)果表明具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)活性層的器件在AMI. 5G(100mff/cm2)光照下， Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 47mA/cm2、0. 62V、46. 1%,2. 99%。
權(quán)利要求
一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(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PEDOT:PSS(2)；3)、位于上述陽(yáng)極緩沖層PEDOT:PSS(2)上的摻雜有抗氧化劑的活性層(3)；4)、位于上述具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的活性層(3)上的陰極修飾層(4)；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所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(jī)光伏電池，其特征在于， 步驟3)所述的抗氧化劑是對(duì)苯二酚、2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚或2，2'-亞甲基雙 (4-甲基6-叔丁基苯酚)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(jī)光伏電池，其特征在于， 抗氧化劑活性層的溶劑是乙醚、甲苯、氯苯、鄰二氯苯、對(duì)二氯苯、間二氯苯、四氫呋喃、二甲 苯、氯仿或丙酮。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(jī)光伏電池，其特征在于， 所加抗氧化劑比例占活性層質(zhì)量的0. -0. 5%。
6.一種權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(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，在明導(dǎo)電襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽(yáng)極緩沖層 (2)，在干燥；c)在PED0T:PSS陽(yáng)極緩沖層(2)上旋涂摻雜有抗氧化劑的活性層(3)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下 熱處理；d)通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬A1背電極(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機(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、摻雜有抗氧化劑的活性層3、陰極修飾層4和金屬背電極層5。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，干燥；(3)在PEDOT:PSS陽(yáng)極緩沖層2上旋涂摻雜有抗氧化劑的活性層3，在惰性氣體保護(hù)下熱處理；(4)通過(guò)熱蒸鍍或溶液旋涂的辦法將陰極修飾層4沉積在活性層3上；(5)采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極5。本發(fā)明通過(guò)在活性層結(jié)構(gòu)中摻雜抗氧化劑，大大提高了器件的環(huán)境穩(wěn)定性。同時(shí)，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)H01L51/42GK101976727SQ201010284050
公開(kāi)日2011年2月16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)