CN101937973A - 一种具有交联结构活性层的有机光伏电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有交联结构活性层的有机光伏电池及其制备方法，属于有机光电领域。包括透明导电衬底1、阳极缓冲层PEDOT:PSS 2、具有交联结构的活性层3、阴极修饰层4和金属背电极层5。其制备方法包括：(1)清洗透明导电衬底并烘干；(2)在空气中或在惰性气体保护下，在透明导电衬底1上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层2，干燥；(3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层2旋涂上带有交联剂成份的有机活性层3，热处理；(4)通过热蒸镀或溶液旋涂的办法将阴极修饰层4沉积在活性层3上；(5)采用热蒸镀的办法蒸镀金属Al背电极5。本发明通过在活性层结构中加入交联剂的方法形成具有交联结构活性层，提高了载流子传输速率。具有交联结构的活性层提高了活性层的形貌稳定性，显著地提高了有机光伏电池器件的光电转化效率和稳定性。

Description

一种具有交联结构活性层的有机光伏电池及其制备方法

【技术领域】：

本发明涉及有机光电领域，具体地说，涉及一种具有交联结构活性层的有机光伏电池。

【背景技术】：

随着全球石油资源的耗尽，新能源的开发显得日益重要。太阳能电池是将光能直接转化为电能的装置。作为解决世界能源危机的一个可行的方法，太阳能的利用成为一个广泛研究的前沿性课题。因此，大力发展太阳电池产业，利用太阳光发电已经成为世界各国经济可持续发展的新能源战略。专家预测，到2030年光伏发电将占到世界发电总量的50％。太阳能电池的研究与开发始终围绕以下两个关键问题而展开：(1)提高光电转换效率及寿命(2)新型材料制备以降低成本。到目前为止，以无机硅材料为代表的光伏电池通常可以达到10-20％的转换效率。然而，无机光伏电池在制备过程中所需的高温、高真空使得无机光伏电池的生产成本非常之高，这使得其应用受到很大的限制。

1992年，N.Sariciftci等首次发现聚合物/C60之间的光诱导超快电荷传递现象。1995年A.J.Heeger等提出了“本体异质结”(BHJ)的概念，发明的“本体异质结”型单层聚合物/C60光伏电池大大提高了D/A异质结的接触面积。而共轭聚合物/C60本体异质结太阳能电池由于结构简单、容易制备引起了人们的广泛关注。围绕提高有机光伏电池的效率，从宽吸收、窄带隙聚合物的设计合成到器件结构的优化人们进行了大量的探索研究。2002年C.J.Brabec等通过在金属电极和活性层之间插入LiF材料制得了能量转换效率(PCE)为3.3％的聚合物太阳能电池，2004年又将能量转换效率提高到3.85％。2005年美国加州大学圣巴巴拉分校的A.J.Heeger教授等通过热处理P3HT:PCBM活性层获得了5％的效率。2007年K.Lee等报道了采用透明的TiOx作为级联材料形成叠层结构的异质结有机电池，效率高达6.5％。华南理工大学曹镛院士课题组在P3HT:PCBM中加入油酸(oleic acid)并热处理后获得了4.3％的光电转化效率。2008年12月9日，Konarka公司宣布该公司和A J Heeger课题组合作已经获得了6％的转换效率。2010年8月1日，Solarmer Energy宣布该公司Li Gang博士领导的研究组已经获得了8.13％有机聚合物光伏电池的转换效率，并通过美国国家可再生能源实验室(NREL)的证实。中科院北京化学所李永舫教授课题组报道的新受体材料ICBA与P3HT所组成的异质结电池的效率达6.5％。有机光伏电池以其成本低、无毒、容易制备、易于实现柔性器件、可以方便有效地改变有机材料的化学结构以控制最佳的能带、电荷迁移率、溶解度甚至取向程度来提高电池的效率等特点而成为近年来的研究热点。如果有机光伏电池的光电转换效率达到10％，就有可能实现商业化生产。

然而，光电转换效率只是制约有机光伏产业化道路的瓶颈之一。有机光伏电池的的稳定性、生产成本以及加工工艺方面仍然有许多基础科学问题需要解决。特别是对于如何提高有机光伏器件的稳定性及寿命尚缺乏系统深入的研究工作。2008年12月2日Konarka公司宣布与德国联邦教育与科研部(BMBF)共同启动资金总额为250万欧元的“有机光伏的稳定性”(OPV stability)的研究课题。器件结构是影响光电池能量转换效率提高的重要因素之一。研究开发新型结构的有机光伏电池就显得非常重要。所以，设计合理并调控异质结微观结构的形态及其形貌稳定性，为载流子提供连续有效的传输路径，进而提高激子的有效扩散和有效解离是提高有机光伏电池光电转换效率及寿命的一条重要途径。

在有机光伏电池中，异质结的厚度一般控制在100nm左右(太薄将导致光吸收率下降、太厚会增加电池的内电阻)。构筑连续完整的给体/受体异质结的微结构是提高光伏效率的一个重要环节。通过物理混合得到的给体(D)/受体(A)异质结较大地提高了激子的有效迁移和解离效率。但是由有机半导体材料组成的给体/受体异质结受其本征特性的影响，给体和受体分子在体相中会随着时间的增加，温度的变化有可能发生团聚，形成许多非连续完整的“岛状”相(如D-D、A-A、D-D/A-A等团簇)，这些因素会大大降低D/A的接触面积、影响光生激子的迁移与解离效率。如果异质结层能够为电子和空穴提供持续通畅的传输路径，就会降低再复合的几率。所以控制微观结构的有序性及稳定性将有利于载流子进行定向迁移，使电子和空穴更快、更直接地传输到电极上，进而提高光电转化效率和稳定性。通过在可溶石墨上引入可交联侧基，构筑连续完整的载流子传输路径，就可以降低非连续完整的“岛状”相的形成、有利于载流子定相传输。

【发明内容】：

本发明的目的是针对现有有机光伏电池的光电转化效率较低、稳定性差的问题，提供一种在活性层结构中加入交联剂，形成具有交联结构的活性层的有机光伏电池及其制备方法。

本发明提供的具有交联结构活性层的有机光伏电池，具体结构如附图1所示，依次包括：

1)、透明导电衬底(1)；

2)、位于上述透明导电衬底(1)上的阳极缓冲层PEDOT:PSS(2)；

3)、位于上述阳极缓冲层PEDOT:PSS(2)上的具有交联结构的活性层(3)；

4)、位于上述具有交联结构的活性层(3)上的阴极修饰层(4)；

5)、位于上述阴极修饰层(4)上的金属背电极(5)。

上述的透明导电衬底是带有ITO、FTO、AZO导电层的玻璃或者柔性衬底。旋涂含有交联剂成份的活性层形成交联结构的活性层。交联剂成份是偶氮类自由基引发剂(AIBN、ABVN)、过氧化物自由基引发剂(过氧化二苯甲酰、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、叔丁基过氧化物)。所加交联剂成分只会使构成活性层的导电共轭聚合物的侧基交联而不影响主链的共轭程度。交联剂比例占活性层质量的0.1％-2％。旋涂所使用的溶剂是甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、间二氯苯、四氢呋喃、二甲苯、氯仿或丙酮。

上述的有机光伏电池器件的制备方法，包括以下步骤：

a)清洗透明导电衬底(1)并烘干；

b)在空气中或在惰性气体保护下，在明导电衬底(1)上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层(2)，干燥；

c)在PEDOT:PSS阳极缓冲层(2)上旋涂带有交联剂成份的有机活性层(3)，热处理；

d)通过热蒸镀或溶液旋涂的方法将阴极修饰层(4)沉积在活性层(3)上；

e)在阴极修饰层(4)上采用热蒸镀的办法蒸镀金属Al背电极(5)。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供了一种在活性层结构中加入交联剂的方法，形成具有交联结构的活性层的有机光伏电池。通过构筑连续完整、持续通畅的载流子传输路径，可以降低非连续完整的“岛状”相的形成、有利于载流子定相传输。该方法可以提高载流子传输速率和活性层的形貌稳定性，从而显著地提高了有机光伏电池器件的光电转化效率和稳定性。成本低、制备条件简单、重现性好。采用溶液加工不需要高真空的制备条件，适用于未来的大规模的滚筒式(roll-to-roll)工业化生产有机太阳能电池及其组件。

【附图说明】：

图1是具有交联结构活性层的有机光伏电池结构示意图。

【具体实施方式】：

实施例1

(1)将3mm×3mm的ITO玻璃在清洁剂中反复清洗后，再分别经异丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超声清洗，最后在红外烘箱中干燥待用；

(2)在空气中或在惰性气体保护下，在透明导电玻璃衬底上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，在120度下干燥10分钟；

(3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层上旋涂含有叔丁基过氧化物交联剂的有机活性层P3HT:PCBM(P3HT∶叔丁基过氧化物＝100∶0.5，质量比)，在160度下热处理20min。

(4)利用真空蒸镀法将1.0nm厚阴极缓冲层LiF沉积在活性层上。

(5)借助条形掩膜板，真空蒸镀100nm的Al做背电极，从而制成有机光伏电池器件。用类似办法制备正常不交联的对比器件。

(6)器件制备完成后，将所有条形ITO阳极一端接电流表正极，所有条形Al阴极一端接电流表负极。测试结果表明：具有交联结构活性层的器件在AM1.5G(100mW/cm²)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE分别为13.0mA/cm²、0.63V、58.2％、4.781％。对比器件在相同条件下，Jsc、Voc、FF、PCE分别为9.9mA/cm²、0.66V、49.5％、3.23％。具有交联结构活性层的器件与对比器件相比，器件衰减明显变缓。经过300h，器件的PCE仅下降为初始值的90％；而对比器件则下降为初始值的70％。

实施例2

(1)将3mm×3mm的ITO玻璃在清洁剂中反复清洗后，再分别经异丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超声清洗，最后在红外烘箱中干燥待用；

(2)在空气中或在惰性气体保护下，在透明导电玻璃衬底上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，在120度下干燥10分钟；

(3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层上旋涂含有叔丁基过氧化物交联剂的有机活性层P3HT:PCBM(P3HT∶叔丁基过氧化物＝100∶1，质量比)，在160度下热处理20min。

(4)利用真空蒸镀法将1.0nm厚阴极缓冲层LiF沉积在活性层上。

(5)真空蒸镀100nm的Al做背电极，从而制成有机光伏电池器件。用类似办法制备正常不交联的对比器件。

(6)测试结果表明：具有交联结构活性层的器件在AM1.5G(100mW/cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE分别为11.5mA/cm2、0.64V、46.7％、3.45％。对比器件在相同条件下，Jsc、Voc、FF、PCE分别为10.0mA/cm2、0.61V、42.1％、2.58％。

Claims (8)

1.一种具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，该有机光伏电池器件包括：

1)、透明导电衬底(1)；

2)、位于上述透明导电衬底(1)上的阳极缓冲层PEDOT:PSS(2)；

3)、位于上述阳极缓冲层PEDOT:PSS(2)上的具有交联结构的活性层(3)；

4)、位于上述具有交联结构的活性层(3)上的阴极修饰层(4)；

5)、位于上述阴极修饰层(4)上的金属背电极(5)。

2.根据权利要求1所述的具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，所述透明导电衬底(1)是带有ITO、FTO、AZO导电层的玻璃或者柔性衬底。

3.根据权利要求1所述的具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，所述的具有交联结构的活性层(3)通过旋涂上带有交联剂成份的活性层形成。

4.根据权利要求3所述的具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，所述的交联剂成份是偶氮类自由基引发剂、过氧化物自由基引发剂。

5.根据权利要求3所述的具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，所述的偶氮类自由基引发剂是AIBN或ABVN，所述的过氧化物自由基引发剂是过氧化二苯甲酰、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯或叔丁基过氧化物。

6.根据权利要求3所述的具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，带有交联剂成份的活性层的溶剂是甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、间二氯苯、四氢呋喃、二甲苯、氯仿或丙酮。

7.根据权利要求3所述的具有交联结构活性层的有机光伏电池，其特征在于，所加交联剂比例占活性层质量的0.1％-2％。

8.一种权利要求1所述的一种具有交联结构活性层的有机光伏电池的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)清洗透明导电衬底(1)并烘干；

b)在空气中或在惰性气体保护下，在明导电衬底(1)上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层(2)，干燥；

c)在PEDOT:PSS阳极缓冲层(2)上旋涂带有交联剂成份的有机活性层(3)，热处理；

d)通过热蒸镀或溶液旋涂的方法将阴极修饰层(4)沉积在活性层(3)上；

e)在阴极修饰层(4)上采用热蒸镀的办法蒸镀金属Al背电极(5)。

Images