專利名稱:聚合物太陽能電池及其制備方法
技術領域:
本發(fā)明涉及太陽能電池領域,尤其涉及一種聚合物太陽能電池及其制備方。
背景技術:
1982年,Weinberger等研究了聚こ炔的光伏性質,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換效率。直到1986年,
C.ff. Tang等首次將P型半導體和η型半導體引入到雙層結構的器件中,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2-甲氧基-5-(2-こ基-己氧基)-1,4_苯こ(MEH-PPV) 與復合體系中存在快速光誘導電子轉移現象,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結太陽能電池。太陽能電池在20mW/cm2、430nm的単色光照射下,能量轉換效率為2. 9%。這是首個基于聚合物材料與PCBM受體制備的本體異質結太陽能電池,并提出了復合膜中互穿網絡結構的概念。至此,本體異質結結構在聚合物太陽能電池中的應用得到了迅速的發(fā)展。這種結構也成為目前人們普遍采用的有機聚合物太陽能電池結構。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,從而產生光電流;這就形成了一個有效的光電轉換過程。在聚合物太陽能電池中,為了提高空穴注入和傳輸能力,往往在陽極導電薄膜基底(常用材料為ITO玻璃)上旋涂ー層空穴緩沖層來達到目的,這種空穴緩沖層的材料往往是由聚3,4-ニ氧こ烯噻吩(PEDOT)和聚對苯磺酸鹽(PSS)組成的混合材料,這種材料的能級和穩(wěn)定性都比較適合作為空穴注入材料,可降低空穴在活性層注入到ITO的HOMO能級勢壘(空穴是通過HOMO能級進行注入和傳輸),有利于提高聚合物太陽能電池的光電轉換效率。但是,這種PED0T:PSS組成的混合材料呈酸性,對陽極導電薄膜有一定的腐蝕作用,從而影響聚合物太陽能電池的穩(wěn)定性,加快聚合物太陽能電池的光電轉換效率衰減。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供ー種可以保護陽極層、降低光電轉換效率衰減的聚合物太陽能電池?!N聚合物太陽能電池,其包括依次層疊的陽極基底、陽極保護層、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層以及陰極層。所述聚合物太陽能電池中,各功能層的材質如下
所述陽極基底選自銦錫氧化物玻璃(ITO)、摻氟氧化錫玻璃(FTO)、摻鋁氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦氧化鋅玻璃(IZO);所述陽極保護層的材質選自氟化鎂(MgF2)、氟化鈣(CaF2)、氟化銫(CsF)、氟化鋁(AlF3)及氟化鈉(NaF)中的至少ー種;所述空穴緩沖層的材質為重量比為2 : I 6 : I的聚3,4_ ニ氧こ烯噻吩(PEDOT)和聚對苯磺酸鹽(PSS)組成的混合材料,即PED0T:PSS ;所述活性層的材質選自P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM ;所述電子緩沖層的材質選自氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3 )、碳酸銫(Cs2CO3)、氮化銫(CsN3)、氯化鋰(LiCl)、碘化鋰(LiI)及溴化鋰(LiBr)中的至少ー種;所述陰極層的材質選自鋁(Al)、銀(Ag)、鈣(Ca)、銅(Cu)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少ー種。本發(fā)明的另一目的在于提供上述聚合物太陽能電池的制備方法,包括如下步驟SI、清洗陽極基底,隨后對所述陽極基底的陽極層表面進行表面處理;S2、在經表面處理過的所述陽極層表面蒸鍍陽極保護層;其中,所述陽極保護層的材質為金屬氟化物;S3、在所述陽極保護層表面旋涂空穴緩沖層,隨后進行烘干處理;S4、在所述空穴緩沖層表面旋涂活性層,隨后進行干燥處理;S5、在所述活性層的表面蒸鍍電子緩沖層;S6、在所述電子緩沖層表面蒸鍍陰極層;上述エ藝步驟完成后,制得所述聚合物太陽能電池。上述制備方法中,步驟SI中,陽極基底的清洗處理包括依次用洗潔精、去離子水、丙酮、こ醇、異丙醇各超聲清洗15min,去除玻璃表面的有機污染物。上述制備方法中,步驟S4中,所述干燥處理包括惰性氣氛中,在50 200°C下,對所述活性層進行退火處理10 IOOmin ;或者室溫下將所述活性層放置處理24 48h。本發(fā)明的聚合物太陽能電池,通過增加陽極保護層,將空穴緩沖層與陽極基底上的陽極層相隔絕;該陽極保護層的加入,可極大提高陽極層的平整度,使電流的分布更均勻,從而可以避免表面粗糙的陽極層因出現空穴陷阱而產生暗點,達到保護陽極層的作用;同時,陽極保護層可以進一歩降低空穴的注入勢壘,使空穴的注入效率得到提高,有效地降低了光電轉換效率的衰減。
圖I為本發(fā)明的聚合物太陽能電池的結構示意圖;圖2為本發(fā)明的聚合物太陽能電池的制備エ藝流程圖;圖3為實施例I的聚合物太陽能電池與對比例中未加陽極保護層的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的一種聚合物太陽能電池,如圖I所示,其包括依次層疊的陽極基底
11、陽極保護層12、空穴緩沖層13、活性層14、電子緩沖層15以及陰極層16。
所述聚合物太陽能電池中所述陽極基11底選自銦錫氧化物玻璃(ITO)、摻氟氧化錫玻璃(FTO)、摻鋁氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦氧化鋅玻璃(IZO);這些陽極基底中,基底均為玻璃,而陽極層分別為銦錫氧化物、摻氟氧化錫、摻鋁氧化鋅、摻銦氧化鋅;所述陽極保護層12的材質為金屬氟化物,如,氟化鎂(MgF2)、氟化鈣(CaF2)、氟化銫(CsF)、氟化鋁(AlF3)及氟化鈉(NaF)中的至少ー種;所述陽極保護層12的厚度為O. 4 5nm ;所述空穴緩沖層13的材質為重量比為2 : I 6 : I的PEDOT PSS ;所述空穴緩沖層的厚度為20 80nm ;其中,PEDOT為聚3,4- ニ氧こ撐噻吩,PSS為聚苯こ烯磺酸鈉;所述活性層14 的材質選自 P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM 或者 MEH-PPV:PCBM ;所述活性層的厚度為80 300nm ;其中,P3HT為聚3-己基噻吩,MDMO-PPV為聚[2-甲氧基-5-(3,7. ニ甲基辛氧基)對苯撐こ烯],MEH-PPV為聚[2-甲氧基-5-(2'-こ烯基-己 氧基)聚對苯こ烯撐],PCBM為[6,6]_苯基-C61-丁酸甲酯;所述電子緩沖層15的材質選自氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)、碳酸銫(Cs2CO3)、氮化銫(CsN3)、氯化鋰(LiCl)、碘化鋰(LiI)及溴化鋰(LiBr)中的至少ー種;所述電子緩沖層的厚度為O. 5 IOnm ;所述電子緩沖層中,材質優(yōu)選LiF,厚度優(yōu)選O. 7nm ;所述陰極層16的材質選自鋁(Al)、銀(Ag)、鈣(Ca)、銅(Cu)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少ー種;所述陰極層的厚度為80 200nm ;所述陰極層中,材質優(yōu)選Al,厚度優(yōu)選150nmo上述聚合物太陽能電池的制備方法,如圖2所示,包括如下步驟SI、先將陽極基底進行光刻處理,剪裁成所需要的大?。籗2、依次用洗潔精、去離子水、丙酮、こ醇、異丙醇各超聲清洗陽極基底15min,去除玻璃表面的有機污染物;S3、對所述陽極基底的陽極層表面進行表面處理,如,功率為10 50W條件下氧等離子處理5 15min ;或者UV-臭氧處理5 20min ;S4、在經步驟S3表面處理的所述陽極層表面蒸鍍陽極保護層;其中,所述陽極保護層的材質為金屬氟化物;S5、在陽極保護層旋表面涂空穴緩沖層,隨后進行烘干處理;S6、在所述空穴緩沖層的表面旋涂活性層,隨后進行干燥處理;S7、在所述活性層的表面依次層疊蒸鍍電子緩沖層;S8、在電子緩沖層表面蒸鍍陰極層;上述エ藝步驟完成后,制得所述聚合物太陽能電池。上述制備方法中,步驟S5中,所述空穴緩沖層的旋涂エ藝中將PED0T:PSS水溶液通過旋涂的方式制備在陽極基底的陽極層表面,并控制厚度在20 80nm,制得空穴緩沖層;空穴緩沖層旋涂完后,在100 20(TC下加熱烘干處理15 60min ;優(yōu)選,加熱烘干處理溫度200°C,加熱烘干處理時間30min ;其中,PEDOT:PSS水溶液中,PED0T:PSS為溶質,其質量百分比為I 5%,且PEDOT PSS的重量比為2 I 6 I;優(yōu)選地,PEDOT PSS的重量比為6 LPEDOT PSS的質量百分比為I. 3%,厚度為 40nm。
上述制備方法中,步驟S6中,所述活性層的旋涂エ藝中將P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM溶液體系旋涂在所述空穴緩沖層的表面;隨后,惰性氣氛中,在50 200°C下,對所述活性層進行退火處理10 lOOmin,或者室溫下將所述活性層放置處理24 48h,制得干燥的活性層;其中在 P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM 溶液體系中,溶質分別為P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM,溶劑為甲苯、ニ甲苯、氯苯或氯仿的ー種或兩種混合溶剤,且溶質P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或MEH_PPV:PCBM的總濃度控制在8 30mg/ml ;當活性層的材質選自P3HT:PCBM溶液體系時,P3HT PCBM的質量比控制在·I : O. 8 I : I的范圍;當活性層的材質選自MDMO-PPV: PCBM或者MEH_PPV:PCBM溶液體系時,MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV PCBM的質量比控制在I : I I : 4的范圍。本發(fā)明的聚合物太陽能電池,通過增加金屬氟化物的陽極保護層,將空穴緩沖層與陽極基底上的陽極層相隔絕;該陽極保護層的加入,可極大提高陽極層的平整度,使電流的分布更均勻,從而可以避免表面粗糙的陽極層因出現空穴陷阱而產生暗點,達到保護陽極層的作用;同時,這種金屬氟化物可以進一歩降低空穴的注入勢壘,使空穴的注入效率得到提高,有效地降低了光電轉換效率的衰減。下面結合附圖,對本發(fā)明的較佳實施例作進ー步詳細說明。實施例I本實施例I中的聚合物太陽能電池的結構為IT0/MgF/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al。該聚合物太陽能電池的制備エ藝步驟如下I、先將ITO進行光刻處理,剪裁成所需要的大?。?、對步驟I得到的ITO依次用洗潔精、去離子水、丙酮、こ醇、異丙醇各超聲清洗15min,去除玻璃表面的有機污染物;3、在功率為30W條件下,對清洗干凈的ITO的陽極層表面進行氧等離子5min的表面處理;4、在經表面處理過的陽極層表面蒸鍍陽極保護層材料為MgF,厚度為I. 5nm ;5、在所述陽極保護層表面旋涂空穴緩沖層材料為PED0T:PSS水溶液,PEDOT PSS的重量比為6 LPEDOT PSS的質量百分比為I. 3%,旋涂PED0T:PSS水溶液后,于200°C下加熱30min,控制空穴緩沖層的厚度為40nm ;6、在空穴緩沖層的表面旋涂活性層材料為P3HT:PCBM的甲苯溶液體系,P3HT PCBM質量比為I : 1,P3HT:PCBM的總濃度為24mg/ml ;活性層是在充滿惰性氣體的手套箱中進行旋涂完成的,旋涂結束后,活性層需在150°C下退火15min,并控制活性層厚度為140nm ;7、在所述活性層表面蒸鍍電子緩沖層材料為LiF,厚度為O. Ixm ;8、接著在電子緩沖層表面蒸鍍陰極層材料為Al,厚度為150nm ;上述エ藝結束后,得到所需要的聚合物太陽能電池。圖3為實施例I的聚合物太陽能電池與對比例中未加陽極保護層的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系曲線圖;其中,曲線I為實施例I的聚合物太陽能電池的電流密度-電壓曲線,曲線2為對比例中的未加陽極保護層的聚合物太陽能電池(其結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/A)的電流密度-電壓曲線。由圖3可知,在不同電壓下,實施例I的電流密度都比對比例的要高,在O. 6V的電壓下,實施例I的電流密度為3. 19mA · cm2,而對比例僅為I. 35mA · cm_2,在O. 3V的電壓下,實施例的電流密度增加到6. 17mA · cm_2,而對比例的僅為3. 89mA ^nT2;因此,聚合物太陽能電池加入了金屬氟化物(MgF)陽極保護層之后,金屬氟化物能使空穴注入勢壘降低,聚合物太陽能電池的短路電流増大。實施例I和對比例的光電流測試數據,如表I所示表I
權利要求
1.一種聚合物太陽能電池,其特征在于,其包括依次層疊的陽極基底、陽極保護層、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層以及陰極層。
2.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池,其特征在于,所述陽極基底選自銦錫氧化物玻璃、摻氟氧化錫玻璃、摻鋁氧化鋅玻璃或摻銦氧化鋅玻璃。
3.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池,其特征在于,所述陽極保護層的材質選自氟化鎂、氟化鈣、氟化銫、氟化鋁及氟化鈉中的至少ー種。
4.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池,其特征在于,所述空穴緩沖層的材質為重量比為2 : I 6 : I的聚3,4-ニ氧こ烯噻吩與聚對苯磺酸鹽組成的混合材料。
5.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池,其特征在于,所述活性層的材質選自P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM。
6.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池,其特征在于,所述電子緩沖層的材質選自氟化鋰、碳酸鋰、碳酸銫、氮化銫、氯化鋰、碘化鋰及溴化鋰中的至少ー種。
7.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池,其特征在于,所述陰極層的材質選自鋁、銀、鈣、銅、金及鉬中的至少ー種。
8.一種聚合物太陽能電池的制備方法,其特征在于,包括如下步驟 51、清洗陽極基底,隨后對所述陽極基底的陽極層表面進行表面處理; 52、在經表面處理過的所述陽極層表面蒸鍍陽極保護層; 53、在所述陽極保護層表面旋涂空穴緩沖層,隨后進行烘干處理; 54、在所述空穴緩沖層表面旋涂活性層,隨后進行干燥處理; 55、在所述活性層的表面蒸鍍電子緩沖層; 56、在所述電子緩沖層表面蒸鍍陰極層; 上述エ藝步驟完成后,制得所述聚合物太陽能電池。
9.根據權利要求8所述的聚合物太陽能電池的制備方法,其特征在于,所述步驟SI中,所述陽極基底的清洗處理包括依次用洗潔精、去離子水、丙酮、こ醇、異丙醇各超聲清洗15min。
10.根據權利要求8所述的聚合物太陽能電池的制備方法,其特征在于,所述步驟S4中,所述干燥處理包括惰性氣氛中,在50 200°C下,對所述活性層進行退火處理10 IOOmin ;或者室溫下將所述活性層放置處理24 48h。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池領域,其公開了一種聚合物太陽能電池及其制備方法;該聚合物太陽能電池依次層疊的陽極基底、陽極保護層、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層以及陰極層。本發(fā)明的聚合物太陽能電池,通過增設陽極保護層,將空穴緩沖層與陽極基底上的陽極層相隔絕;該陽極保護層的加入,可極大提高陽極層的平整度,使電流的分布更均勻,從而可以避免表面粗糙的陽極層因出現空穴陷阱而產生暗點,達到保護陽極層的作用;同時,這種金屬氟化物可以進一步降低空穴的注入勢壘,使空穴的注入效率得到提高,有效地降低了光電轉換效率的衰減。
文檔編號H01L51/42GK102983276SQ20111026414
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權日2011年9月7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有限公司