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一種倒置型聚合物太陽能電池及其制備方法

文檔序號:7002093閱讀:144來源:國知局
專利名稱:一種倒置型聚合物太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領域
本發(fā)明涉及電化學領域,尤其涉及一種倒置型聚合物太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)
1982年,Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性質(zhì),制造出了第一個具有真正意義上的太陽能電池,但是當時的光電轉(zhuǎn)換效率極低(10_3% )。緊接著,Glenis等制作了各種聚噻吩的太陽能電池,當時都面臨的問題是極低的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。直到1986年,C. ff. Tang等首次將p型半導體和n型半導體引入到雙層結(jié)構(gòu)的器件中,才使得光電流得到了極大程度的提高,從此以該工作為里程碑,有機聚合物太陽能電池蓬勃發(fā)展起來。1992年Sariciftci 等發(fā)現(xiàn)2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4_苯乙(MEH-PPV)與復合體系中存在快速光誘導電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,引起了人們的極大興趣,而在1995年,Yu等用MEH-PPV與C60衍生物PCBM混合作為活性層制備了有機聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池。 器件在20mW/cm2 430nm的單色光照射下,能量轉(zhuǎn)換效率為2. 9%。這是首個基于聚合物材料與PCBM受體制備的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池,并提出了復合膜中互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的概念。至此,本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在聚合物太陽能電池中的應用得到了迅速的發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)也成為目前人們普遍采用的有機聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)。聚合物太陽能電池的工作原理主要分為四部分(I)光激發(fā)和激子的形成;(2)激子的擴散;⑶激子的分裂;⑷電荷的傳輸和收集。首先,共軛聚合物在入射光照射下吸收光子,電子從聚合物最高占有軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO),形成激子,激子在內(nèi)建電場的作用下擴散到給體/受體界面處分離成自由移動的電子和空穴,然后電子在受體相中傳遞并被陰極收集,空穴則通過給體相并被陽極收集,從而產(chǎn)生光電流,這就形成了一個有效的光電轉(zhuǎn)換過程。目前常用的結(jié)構(gòu)為IT0陽極/空穴緩沖層/活性層/電子緩沖層/陰極。這種結(jié)構(gòu)由于陰極一般采用低功函的活潑金屬;因此,容易與大氣中的氧氣發(fā)生反應,不利于電池的穩(wěn)定性,給應用帶來了很大的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定性好、能量轉(zhuǎn)換率高的倒置型聚合物太陽能電池。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種倒置型聚合物太陽能電池,該電池為層狀結(jié)構(gòu),且該層狀結(jié)構(gòu)依次為襯底、陰極層、電子緩沖層、活性層、空穴緩沖層、保護層、陽極層,即該電池的結(jié)構(gòu)為襯底/陰極層/電子緩沖層/活性層/空穴緩沖層/保護層/陽極層。該倒置型聚合物太陽能電池中,各功能層所用材質(zhì)如下,所述陰極層的材料選用鋁(Al)、銀(Ag)、鈣(Ca)、金(Au)或鉬(Pt)中的任一種;所述電子緩沖層的材料為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)、碳酸銫(Cs2CO3)、氮化銫(CsN3)或氟化銫(CsF)中的任一種;所述活性層的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基_5_(3,7. 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-(2'-乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐](MEH-PPV)分別與富勒烯丁酸甲酯衍生物(PCBM)混合后形成混合物中的任一種;即P3HT PCBM、MDMO-PPV PCBM 或者 MEH-PPV PCBM 混合物中的任一種;所述空穴緩沖層的材料為聚3,4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物;
所述保護層的材料為三氧化鑰(MoO3)、五氧化二釩(V2O5)、并五苯、聚三己基噻吩(P3HT)或聚3,4_ 二氧乙基噻吩(PEDOT)中的任一種,該保護層厚度為10_60nm ;所述陽極層的材料為氧化銦錫(ITO);所述襯底為玻璃。本發(fā)明的另一目的在于提供上述倒置型聚合物太陽能電池的制備方法,其工藝步驟如下SI、先將襯底(如,玻璃)基底依次在洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇、異丙醇中超聲清洗5-15min,去除表面的有機污染物;S2、采用蒸鍍技術(shù),在洗凈干燥的襯底表面蒸鍍厚度為80-200nm的陰極層,在陰極層表面蒸鍍厚度為0. 5-10nm的電子緩沖層;S3、在電子緩沖層表面旋涂厚度為80-300n的活性層,在活性層表面旋涂厚度為20-60nm的空穴緩沖層;S4、在空穴緩沖層表面蒸鍍厚度為10_50nm的保護層。S5、最后,采用濺射工藝,在保護層表面濺鍍厚度為100_200nm的陽極層;完后,得到倒置型聚合物太陽能電池。本發(fā)明的倒置型聚合物太陽能電池,采用陰極層和陽極層倒置結(jié)構(gòu),使光不經(jīng)玻璃一側(cè)而從頂端一側(cè)入射,避免玻璃對光的吸收和反射,而陰極層制備在玻璃襯底上,并沒有暴露在空氣中,這種方法提高了電池的穩(wěn)定性;本發(fā)明在制備完有機層之后,先制備一層保護層保護有機層,使有機層不會受到濺射工藝的影響,最終提高電池的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率。


圖I為本發(fā)明倒置型聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明倒置型聚合物太陽能電池的制備工藝流程圖;圖3為實施例I的倒置型聚合物太陽能電池玻璃/Al/LiF/P3HT PCBM/PEDOT PSS/Mo03/IT0 與對比電池玻璃/IT0/PED0T PSS/P3HT PCBM/LiF/Al 的電流密度與電壓關系圖;其中,曲線I為實施例I的曲線,曲線2為對比例的曲線。
具體實施例方式本發(fā)明提供的一種倒置型聚合物太陽能電池,如圖I所示,該電池為層狀結(jié)構(gòu),且該層狀結(jié)構(gòu)依次為襯底11、陰極層12、電子緩沖層13、活性層14、空穴緩沖層15、保護層16、陽極層17,即該電池的結(jié)構(gòu)依次為襯底11/陰極層12/電子緩沖層13/活性層14/空穴緩沖層15/保護層16/陽極層17。
該倒置型聚合物太陽能電池中,各功能層所用材質(zhì)如下,所述陰極層的材料選用鋁(Al)、銀(Ag)、鈣(Ca)、金(Au)或鉬(Pt)中的任一種;所述電子緩沖層的材料為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)、碳酸銫(Cs2CO3)、氮化銫(CsN3)或氟化銫(CsF)中的任一種;所述活性層的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基_5_(3,7. 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-(2'-乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐](MEH-PPV)分別與富勒烯丁酸甲酯衍生物(PCBM)混合后形成混合物中的任一種;即P3HT PCBM、MDMO-PPV PCBM 或者 MEH-PPV PCBM 混合物中的任一種;
所述空穴緩沖層的材料為聚3,4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物;所述保護層的材料為三氧化鑰(MoO3)、五氧化二釩(V2O5)、并五苯、聚三己基噻吩(P3HT)或聚3,4_ 二氧乙基噻吩(PEDOT)中的任一種,該保護層厚度為10_60nm ;所述陽極層的材料為氧化銦錫(ITO);所述襯底為玻璃。本發(fā)明提供上述倒置型聚合物太陽能電池的制備方法,如圖2所示,其工藝步驟如下SI、先將襯底(如,玻璃)基底依次在洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇、異丙醇中超聲清洗5-15min,去除表面的有機污染物;S2、采用蒸鍍技術(shù),在洗凈干燥的襯底表面蒸鍍厚度為80_200nm的陰極層,在陰極層表面蒸鍍厚度為0. 5-10nm的電子緩沖層;S3、在電子緩沖層表面旋涂厚度為80-300n的活性層,在活性層表面旋涂厚度為20-60nm的空穴緩沖層;S4、在空穴緩沖層表面蒸鍍厚度為10_50nm的保護層;S5、最后,采用濺射工藝,在保護層表面濺鍍厚度為100_200nm的陽極層;完后,得到倒置型聚合物太陽能電池。上述制備方法的步驟S3中,活性層體系為溶液體系,其溶劑為甲苯、二甲苯、氯苯或氯仿中的一種或兩種混合溶劑。每種體系的總濃度控制在8-30mg/ml,而P3HT PCBM的質(zhì)量比控制在0.8 1-1 I的范圍;MDMO-PPV PCBM或者MEH-PPV PCBM的質(zhì)量比控制在I : 1-1 4的范圍,然后在充滿惰性氣體的手套箱中進行旋涂,最后在50-200°C下退火IO-IOOmin,或者在室溫下放置24-48h,厚度控制在80_300nm ;優(yōu)選總濃度為24mg/ml的P3HT PCBM氯苯溶液體系,優(yōu)選P3HT PCBM的質(zhì)量比為I : I,優(yōu)選150°C下退火15min,厚度為120nm。上述制備方法的步驟S3中,空穴緩沖層采用重量比為2 1-6 I的PEDOT PSS水溶液,質(zhì)量百分比為I % -5 %,空穴緩沖層旋涂結(jié)束后,在100-200°C下加熱15-60min,厚度控制在20-80nm;優(yōu)選PEDOT PSS重量比為6 1,質(zhì)量百分比為I. 3%的PEDOT PSS水溶液,優(yōu)選200°C下加熱30min,優(yōu)選厚度為40nm。本發(fā)明的倒置型聚合物太陽能電池,可以使光不經(jīng)玻璃一側(cè)而從頂端一側(cè)入射,避免了吸收和反射;同時,由于是倒置結(jié)構(gòu),陰極層制備在玻璃襯底上,這種方法最終使陰極并沒有暴露在空氣中,提高了器件的穩(wěn)定性;本方面在制備完空穴緩沖層等有機層之后,先制備一層較薄的保護層,起到保護有機層的作用,避免了有機層受到濺射工藝的影響,最終提高電池的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率。下面對本發(fā)明的較佳實施例作進一步詳細說明。下述各實施例中,陽極層為IT0,襯底為玻璃。實施例I :本實施例中倒置型聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)為玻璃/Al/LiF/P3HT PCBM/PEDOT PSS/Mo03/IT0。該倒置型聚合物太陽能電池的制備工藝如下I、將玻璃基底依次用洗潔精,去離子水,丙酮,乙醇,異丙醇清洗,且清洗時各超聲15min,去除玻璃表面的有機污染物; 2、表面處理完后,將玻璃放進真空鍍膜室里面,采用蒸鍍方式進行真空沉積陰極層,材料為Al,厚度為150nm;3、接著在陰極層表面蒸鍍電子緩沖層,材料為LiF,厚度為0. 7nm ;4、隨后,采用旋涂方式,旋涂活性層將P3HT PCBM氯苯溶液體系旋涂在電子緩沖層表面;旋涂完后,在120°C下退火15min,,制得厚度為120nm的活性層;其中,為P3HT PCBM氯苯溶液中,溶劑為氯苯,P3HT與PCBM的總濃度為24mg/ml,P3HT PCBM的質(zhì)量比為1:1;5、然后旋涂空穴緩沖層JfPEDOT PSS水溶液(其中,PEDOT PSS重量比為6 I ;PED0T與PSS的總質(zhì)量百分比為I. 3% )通過旋涂的方式制備在活性層表面;旋涂后在200°C下加熱30min,制得厚度為40nm的空穴緩沖層;6、接著在空穴緩沖層表面蒸鍍保護層,材料為MoO3,厚度為30nm ;7、最后、派射ITO陽極層,厚度為150nm ;8、上述制備工藝完成后,得到所需的倒置型聚合物太陽能電池。附圖3是實施例I的制備倒置型聚合物太陽能電池玻璃/Al/LiF/P3HT PCBM/PEDOT PSS/Mo03/IT0 與對比電池(正置型):玻璃/IT0/PED0T PSS/P3HT PCBM/LiF/Al的電流密度與電壓關系圖;其中,曲線I表示本實施例I的電流密度-電壓曲線;曲線2表示對比例的電流密度-電壓曲線。上述電流密度與電壓的測試,采用美國Keithly公司生成的型號為2602電流-電壓測試儀進行的,測試工藝為用500W氙燈(Osram)與AM I. 5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。從圖3中可以看到,常用的正置器件的電流密度為5. 25mA/cm2,效率為I. 43%,而具有保護層的倒置結(jié)構(gòu)器件電流密度提高到了 8. 44mA/cm2,效率為2. 21%,如表I所示;這說明,加入保護層的倒置結(jié)構(gòu)器件,有更多的光入射到活性層,被活性層利用;同時,保護層起到了保護有機層不被濺射工藝破壞的作用,使器件的能量轉(zhuǎn)換效率得到了增強。表I :實施例I和對比例的光電流測試數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種倒置型聚合物太陽能電池,該電池為層狀結(jié)構(gòu),其特征在于,該層狀結(jié)構(gòu)依次為襯底、陰極層、電子緩沖層、活性層、空穴緩沖層、保護層、陽極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述陰極層的材料為鋁、銀、鈣、金或鉬中的任一種金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述電子緩沖層的材料為氟化鋰、碳酸鋰、碳酸銫、氮化銫或氟化銫中的任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述活性層的材料為聚3-己基噻吩、聚[2-甲氧基-5-(3,7. 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯]或聚[2-甲氧基-5-(2'-乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐]分別與富勒烯丁酸甲酯衍生物混合后形成混合物中的任一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述空穴緩沖層的材料為聚3,4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鈉的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述保護層的材料為三氧化鑰、五氧化二釩、并五苯、聚三己基噻吩或聚3,4- 二氧乙基噻吩中的任一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述保護層的厚度為 10_60nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述陽極層的材料為氧化銦錫。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8任一所述的倒置型聚合物太陽能電池,其特征在于,所述襯底為玻璃。
10.一種如權(quán)利要求I至9任一所述的倒置型聚合物太陽能電池的制備方法,其特征在于,該制備方法包括如下步驟 ·51、對襯底表面進行清洗、干燥后備用; ·52、采用蒸鍍技術(shù),在洗凈干燥的襯底表面依次蒸鍍陰極層、電子緩沖層; ·53、在電子緩沖層表面依次旋涂活性層、空穴緩沖層; ·54、在空穴緩沖層表面蒸鍍保護層; ·55、采用濺射工藝,在保護層表面濺鍍陽極層,制得所述倒置型聚合物太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明屬于電化學領域,其公開了一種倒置型聚合物太陽能電池,該電池為層狀結(jié)構(gòu),該層狀結(jié)構(gòu)依次為襯底、陰極層、電子緩沖層、活性層、空穴緩沖層、保護層、陽極層。本發(fā)明的倒置型聚合物太陽能電池,采用陰極層和陽極層倒置結(jié)構(gòu),使光不經(jīng)玻璃一側(cè)而從頂端一側(cè)入射,避免玻璃對光的吸收和反射,而陰極層制備在玻璃襯底上,并沒有暴露在空氣中,這種方法提高了電池的穩(wěn)定性;同時,本發(fā)明在制備完有機層之后,先制備一層保護層保護有機層,使有機層不會受到濺射工藝的影響,最終提高電池的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L51/42GK102810640SQ20111014283
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者周明杰, 王平, 黃輝, 陳吉星 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司
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