CN101373815B - 一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法 - Google Patents

一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法，其特征在于，首先以光谱纯级别的乙腈为溶剂，以有机钼化合物为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1％～2％的溶液，然后在40～50℃下，在磁力搅拌器上搅拌2～4小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；然后利用匀胶机给太阳能电池的光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，涂敷厚度控制在40～50nm，最后加热将乙腈溶剂完全挥发得到阴极界面修饰层。本发明的阴极界面修饰层可形成厚度薄且致密性高的阴极界面修饰层，适用于聚合物太阳能电池修饰阴极的要求，并且涂敷溶液制备简单，实施旋涂方法制备器件常见。

Description

一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cells；PSCs)的修饰技术，尤其是一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法。
背景技术
聚合物太阳能电池是一种利用太阳光中波长不大于材料禁带宽度的光子，当太阳光照射到聚合物半导体上时，聚合物材料吸收光子后产生束缚在一起的电子--空穴对(激子)，激子扩散到金属阴极和聚合物界面时离解为电子和空穴(载流子)。在半导体内建电场的作用下，载流子向相反电极方向移动并在电极上得以收集，从而在外电路产生光电流，其特点是制备方法简单，造价低廉，可以制成超薄、大面积的柔性器件。
公知的聚合物太阳能电池，其结构至少包含阳极和阴极，其中阳极至少包含阳极玻璃基板、阳极导电层ITO(氧化铟锡)和阳极修饰层；阴极至少包含金属电极。阳极和阴极之间的夹心层为光活性层，其功能为吸收太阳光子，产生激子并分离成电子和空穴，在正负电极的内建电场作用下，电子和空穴传输进入外电路产生光电流。该聚合物太阳能电池，阳极修饰层PEDOT:PSS(聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸))厚度在30nm左右，金属阴极厚度在100nm左右，即可得到较好的太阳能电池器件，至于中间的光活性层材料特性则依所选用的光伏材料而定。
在通过溶液旋涂制备的聚合物太阳能电池中，光活性层制备后，在转移到真空蒸镀室时需暴露于空气中，阴极结构即为不同功函数的金属，通过真空蒸镀的方式沉积在光活性层上。电极材料的功函数是非常重要的，因为它能根据半导体材料的LUMO/HOMO(在分子轨道中，电子未占有的能量最低的分子轨道叫做最低未占有分子轨道LUMO，电子占有的能量最高的分子轨道叫做最高占有分子轨道LUMO)和费米能级确定电极是否与电子、空穴(导带电子、价带空穴)形成欧姆接触或阻断接触。有机层和金属层界面的接触情况将直接影响太阳能电池器件即有机光伏器件的性能。
为了提高电子的传输效率，要求选用功函数尽可能低的材料作阴极。实验证明，有机光伏器件的效率、使用寿命与阴极的功函数有密切的联系。
公知技术制作的聚合物太阳能电池，在阴极蒸镀之前光活性层会与周围环境接触，水蒸气和氧气有可能影响光活性层，阴极蒸镀时金属原子很容易打进光活性层的聚合物中，破环光活性层的形貌，金属阴极和光活性层的界面串联电阻较大，导致太阳能电池的能量转换效率降低，而且金属阴极均是采用真空蒸镀的方式沉积在光活性层上。因此需要提供一种简单及低成本的阴极界面的修饰材料，以利于隔绝周围环境与光活性层的接触，提高电池的稳定性；并且可以保护光活性层不在金属蒸镀时被破环，改善界面的性能，降低界面串联电阻，提高电池的能量转化效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法，此方法可以改善太阳能电池阴极界面的性能，降低金属阴极和聚合物界面的电阻，从而提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法，包括如下步骤：
1)配制涂敷溶液
首先以乙腈为溶剂，以有机钼化合物为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1％～2％的溶液，然后在40～50℃下，在磁力搅拌器上搅拌2～4小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；所述乙腈溶剂为光谱纯级别；
上述有机钼化合物的分子结构为：
Figure G2008102317345D00031
上式中R为氢基或者正烷烃基，其中所述的正烷烃基的碳直链长度不超过6个；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂4～6s，再以3500～4000r/min的转速旋涂1～3min，将涂敷厚度控制在40～50nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热30～50min，加热温度为65～85℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。
上述有机钼化合物为C3H6MOO4、C5H10MOO4、C7H14MOO4、C11H22MOO4或者C15H30MOO4。
本发明以旋涂的方式制作太阳能阴极界面修饰层的技术具有如下有益效果：
(a)以溶液旋涂的方式制作的阴极界面修饰层可以控制修饰层的厚度和分布的均匀性，利于电子传输；
(b)采用钼的化合物配成的涂敷溶液所涂敷的阴极界面修饰层，不会破坏下层的光活性层并且旋涂制备方法简单，制作成本低廉。
附图说明
图1为本发明的太阳能电池结构示意图；
其中：1为玻璃基板；2为阳极导电层；3为阳极修饰层；4为光活性层；5为阴极；6为阴极界面修饰层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为按照本发明的方法制造的太阳能电池构造示意图，其基本结构不变，都包含有阳极和阴极5，其中阳极包含玻璃基板1、阳极导电层2(即ITO-氧化铟锡)和阳极修饰层3；光活性层4处于阳极和阴极5之间，本发明是在光活性层4上涂敷了一层阴极界面修饰层6，其中涂敷阴极界面修饰层6的涂敷溶液的溶质为钼的化合物，溶剂为乙腈，乙腈具有极性，大多数共轭聚合物在这类溶剂中都不溶解，所以不用担心在制备上层阴极界面修饰层6时会破坏下层的光活性层4。
实施例1
1)配制涂敷溶液
首先以光谱纯级别的乙腈为溶剂，以C3H6MOO4为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1％的溶液，然后在40℃下，在磁力搅拌器上加热搅拌2小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂4s，再以3500r/min的转速旋涂1min，将涂敷厚度控制在40nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热30min，加热温度为65℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。
实施例2
1)配制涂敷溶液
首先以光谱纯级别的乙腈为溶剂，以C5H10MOO4为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1.2％的溶液，然后在43℃下，在磁力搅拌器上加热搅拌2.5小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂5s，再以3800r/min的转速旋涂2min，将涂敷厚度控制在45nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热40min，加热温度为70℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。
实施例3
1)配制涂敷溶液
首先以光谱纯级别的乙腈为溶剂，以C7H14MOO4为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1.5％的溶液，然后在45℃下，在磁力搅拌器上加热搅拌3小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂6s，再以4000r/min的转速旋涂3min，将涂敷厚度控制在45nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热45min，加热温度为75℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。
实施例4
1)配制涂敷溶液
首先以光谱纯级别的乙腈为溶剂，以C11H22MOO4为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1.7％的溶液，然后在48℃下，
在磁力搅拌器上加热搅拌3.5小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂6s，再以4000r/min的转速旋涂3min，将涂敷厚度控制在50nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热50min，加热温度为80℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。
实施例5
1)配制涂敷溶液
首先以光谱纯级别的乙腈为溶剂，以C15H30MOO4为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为2％的溶液，然后在50℃下，在磁力搅拌器上加热搅拌4小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂6s，再以4000r/min的转速旋涂3min，将涂敷厚度控制在50nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热50min，加热温度为85℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。

Claims (2)

1.一种聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法，其特征在于包括如下步骤：
1)配制涂敷溶液
首先以乙腈为溶剂，以有机钼化合物为溶质，在氮气氛围的手套箱中配成质量浓度为1％～2％的溶液，然后在40～50℃下，在磁力搅拌器上搅拌2～4小时，得到搅拌均匀的涂敷溶液；所述乙腈溶剂为光谱纯级别；
上述有机钼化合物的分子结构为：
Figure FA20189861200810231734501C00011
上式中R为氢基或者正烷烃基，其中所述的正烷烃基的碳直链长度不超过6个；
2)旋涂修饰层
将聚合物太阳能电池置于匀胶机上，给其光活性层旋涂上述配制的涂敷溶液，其中先以500r/min的转速旋涂4～6s，再以3500～4000r/min的转速旋涂1～3min，将涂敷厚度控制在40～50nm，然后将旋涂后的太阳能电池置于充满氮气氛围的手套箱中，并在加热台上加热30～50min，加热温度为65～85℃，直至将乙腈溶剂完全挥发，最后得到涂敷于太阳能电池活性层上的阴极界面修饰层。
2.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池的阴极界面修饰方法，其特征在于：所述有机钼化合物为C3H6MOO4、C5H10MOO4、C7H14MOO4、C11H22MOO4或者C15H30MOO4。
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