CN102364715A - 一种反向结构聚合物太阳电池及其制备方法 - Google Patents

一种反向结构聚合物太阳电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于聚合物太阳电池技术领域的一种反向结构聚合物太阳电池及其制备方法以及乙酰丙酮氧化钛作为电子收集层材料在反向结构聚合物太阳电池中的应用。本发明所提供的反向结构聚合物太阳电池，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物电极层、电子收集层、光电活性层、空穴收集层和高功函阳极层，其中，所述电子收集层为乙酰丙酮氧化钛。可采用旋涂等溶液加工的方法制备电子收集层，将乙酰丙酮氧化钛引入反向结构聚合物太阳电池中，实现了电子的高效收集；并且与现有的溶胶凝胶法制备的二氧化钛、氧化锌相比，本发明也具有光电转换效率高、工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合于大规模工业化生产等特点。

Description

一种反向结构聚合物太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物太阳电池技术领域，特别涉及一种反向结构聚合物太阳电池及其制备方法以及乙酰丙酮氧化钛作为电子收集层材料在反向结构聚合物太阳电池中的应用。
背景技术
有机和聚合物薄膜太阳电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成大面积柔性器件等突出优点而备受关注。通过优化设计合成新型的聚合物给体材料和富勒烯衍生物受体材料以及优化活性层中给受体的微相分离结构，使本体异质结聚合物太阳电池光电转化效率显著提高到5-8％，接近非晶硅电池的水平。但是传统本体异质结聚合物太阳电池因正极接触的PEDOT:PSS会腐蚀ITO、低功函的负极易氧化，致使电池的稳定性不佳，不利于器件的稳定性和寿命的提高。因此用稳定的电子和空穴收集层修饰的反向结构聚合物太阳电池备受关注。在反向结构聚合物太阳电池中，目前广泛使用的电子收集层Cs2CO3需要真空蒸镀或高温热退火以分解成Cs2O；TiOx、ZnO需要溶胶-凝胶化学合成和高温热退火以提高迁移率。高温工艺不利于与柔性塑料太阳电池的制备。
如图1，反向结构聚合物太阳电池主要包含依次层叠的衬底1，透明导电金属氧化物电极层2，电子收集层3，光电活性层4，空穴收集层5以及高功函阳极层6等，电池以金属导线8与负载或测试装置7连接，入射光9从衬底1方向射入。
乙酰丙酮氧化钛，又名双(乙酰基丙酮酸基)钛氧化物，是一种淡黄色固体粉末，其分子式为C10H14O5Ti，相对分子量或原子量为262.082，结构如式1所示。其熔点为200℃，闪点为71.9℃，在760mmHg下的沸点为187.6℃；25℃时蒸汽压为0.174mmHg。该材料20℃时的水溶性为6.6g/L，同时可溶于异丙醇，苯、甲苯和氯仿等有机溶剂。该材料主要用作树脂交联剂和固化促进剂；用作有机合成催化剂等。
Figure BDA0000102468430000021
(式1)
发明内容
本发明的目的是提供一种反向结构聚合物太阳电池及其制备方法。本发明首次将乙酰丙酮氧化钛应用于反向结构聚合物太阳电池中。
本发明所提供的反向结构聚合物太阳电池，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物电极层、电子收集层、光电活性层、空穴收集层和高功函阳极层，其中，所述电子收集层为乙酰丙酮氧化钛膜。
在本发明中，乙酰丙酮氧化钛膜的优选厚度为
Figure BDA0000102468430000022
其中，本发明太阳电池的衬底可选用玻璃或聚酯薄膜；透明导电金属氧化物电极层为In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其复合多元氧化物；光电活性层为电子给体和电子受体共混膜，其中所述的电子给体材料选自：聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、卟啉类、酞菁类或者选自由吸电子共轭单元如吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)、噻吩并吡咯二酮(TP)与给电子共轭单元如咔唑(Cz)、芴(F)、苯并二噻吩(BDT)、二噻吩并苯(BDP)等偶联组成的共聚物等，电子受体材料选自：富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物、醌类或者选自III-V族和II-VI族半导体纳米晶等；所述空穴收集层为Mo、V、W、Ni的氧化物或其复合多元氧化物；所述高功函阳极层为Al、Ag、Au或其复合电极。
上述反向结构聚合物太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底上制备透明导电金属氧化物电极层；
(2)将乙酰丙酮氧化钛与溶剂混合形成混合溶液，在透明导电金属氧化物电极层上述混合溶液，经烘烤，得到电子收集层；
(3)在电子收集层上依次制备光电活性层、空穴收集层和高功函阳极层，得到所述反向结构聚合物太阳电池。
在制备过程中，主要利用旋涂的转速来控制乙酰丙酮氧化钛膜的厚度，转速优选800-5000rpm。烘烤的温度可为20-250℃，时间可为1分钟到48小时。
步骤(2)中，混合溶液中乙酰丙酮氧化钛的浓度优选1-100mg/mL。
所述乙酰丙酮氧化钛溶液的溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的任意一种或它们的组合。
本发明的有益效果为：电子收集层为乙酰丙酮氧化钛为电子收集层材料，将其引入反向结构聚合物太阳电池中，实现了电子的高效收集；并且与现有的溶胶凝胶法制备的二氧化钛相比，本发明也具有光电转换效率高、工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合于大规模工业化生产等特点。
本发明应用乙酰丙酮氧化钛膜作为电子收集层，可以有效的实现电子的收集，在反向结构聚合物太阳电池中表现出优异的性能。
附图说明
图1为反向结构聚合物太阳电池结构示意图；
图2为Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图3为ITO/乙酰丙酮氧化钛/P3HT:PC60BM/MoO3/Al的电流-电压特性曲线；
图4为ITO/乙酰丙酮氧化钛/P3HT:PC70BM/MoO3/Al的电流-电压特性曲线；
图5为ITO/乙酰丙酮氧化钛/P9001:PC70BM/MoO3/Al的电流-电压特性曲线；
图1中标号：
1-衬底；2-透明导电金属氧化物层；3-电子收集层；4-光电活性层；5-空穴收集层；6-高功函阳极层；7-负载或测试装置；8-金属导线；9-入射光。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1(对比例)
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到空穴收集层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM 1∶1(质量比)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于上述空穴收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-5Pa下真空蒸镀20nm的金属钙，得到电子收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。图2给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.59伏，短路电流为9.45毫安每平方厘米，填充因子为0.618，转换效率为3.45％。
实施例2
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在1000rpm的转速下旋涂5.8mg/mL的乙酰丙酮氧化钛异丙醇溶液，140℃烘烤5分钟，自然冷却，得到电子收集层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM 1∶1(质量比)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀24nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，乙酰丙酮氧化钛膜的厚度为
Figure BDA0000102468430000051
图3给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.59伏，短路电流为11.85毫安每平方厘米，填充因子为0.542，转换效率为3.79％。与实施例1相比，本申请所设计的反向结构具有更高的光电转换效率。
实施例3
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在3000rpm的转速下旋涂5.8mg/mL的乙酰丙酮氧化钛异丙醇溶液，140℃烘烤5分钟，自然冷却，得到电子收集层。将20mg/mL的P3HT与PC70BM 1∶1(质量比)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀24nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，乙酰丙酮氧化钛膜的厚度为图4给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.570伏，短路电流为11.94毫安每平方厘米，填充因子为0.517，转换效率为3.52％。
实施例4
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在5000rpm的转速下旋涂5.4mg/mL的乙酰丙酮氧化钛异丙醇溶液，140℃烘烤5分钟，自然冷却，得到电子收集层。将10mg/mL的P9001与PC70BM 1∶1.5(质量比)的混合溶液中加入3％的添加剂二碘辛烷，然后将该溶液在1500rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀24nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，乙酰丙酮氧化钛膜的厚度为
Figure BDA0000102468430000062
图5给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.65伏，短路电流为15.14毫安每平方厘米，填充因子为0.522，转换效率为5.14％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种反向结构聚合物太阳电池，包括依次层叠的衬底(1)、透明导电金属氧化物电极层(2)、电子收集层(3)、光电活性层(4)、空穴收集层(5)和高功函阳极层(6)，其特征在于：所述电子收集层为乙酰丙酮氧化钛膜。
2.根据权利要求1所述的反向结构聚合物太阳电池，其特征在于：所述乙酰丙酮氧化钛膜的厚度为
Figure FDA0000102468420000011
3.根据权利要求1所述的反向结构聚合物太阳电池，其特征在于：
所述衬底选用玻璃或聚酯薄膜；
所述透明导电金属氧化物电极层为In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其复合多元氧化物；
所述光电活性层为电子给体和电子受体共混膜；
所述空穴收集层为Mo、V、W、Ni的氧化物或其复合多元氧化物；
所述高功函阳极层为Al、Ag、Au或其复合电极。
4.根据权利要求1所述的反向结构聚合物太阳电池，其特征在于：所述光电活性层中，电子给体材料选自：聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、卟啉类、酞菁类或者选自由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物，电子受体材料选自：富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物、醌类或者选自III-V族和II-VI族半导体纳米晶。
5.根据权利要求4所述的反向结构聚合物太阳电池，其特征在于：所述吸电子共轭单元为吡咯并吡咯二酮、苯并噻二唑或者噻吩并吡咯二酮，所述给电子共轭单元为咔唑、芴、苯并二噻吩或者二噻吩并苯。
6.权利要求1至5任意一个权利要求所述的反向结构聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在衬底上制备透明导电金属氧化物电极层；
(2)将乙酰丙酮氧化钛与溶剂混合形成混合溶液，在透明导电金属氧化物电极层上旋涂上述混合溶液，经烘烤，得到电子收集层；
(3)在电子收集层上依次制备光电活性层、空穴收集层和高功函阳极层，得到所述反向结构聚合物太阳电池。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在制备过程中，利用旋涂的转速来控制乙酰丙酮氧化钛膜的厚度，转速为800-5000rpm，烘烤的温度为20-250℃，时间为1分钟到48小时。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，混合溶液中乙酰丙酮氧化钛的浓度为2-100mg/mL。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的任意一种或它们的组合。
10.乙酰丙酮氧化钛作为电子收集层材料在反向结构聚合物太阳电池中的应用。
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