CN102412370A - 聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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张文庆
徐琦
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Abstract

本发明公开了聚合物太阳能电池技术领域的一种聚合物太阳能电池及其制备方法。本发明中的聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层(也可以没有)和低功函阴极层，其中，所述阳极修饰层为醋酸镍薄膜。在衬底上制备阳极层；在阳极层上旋涂水合醋酸镍与溶剂的混合溶液，经烘烤，得到阳极修饰层；在阳极修饰层上依次制备光电活性层和低功函阴极层，或者在阳极修饰层上依次制备光电活性层、阴极修饰层(也可以没有)和低功函阴极层，即可。本发明中的阳极界面修饰层可形成厚度薄且致密性高的阳极界面修饰层，适用于聚合物太阳能电池修饰阳极的要求。

Description

聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成，具有结构和制备工艺简单、重量轻、造价低廉、容易制备大面积柔性器件等优点而受到广泛关注。结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。在传统的本体异质结聚合物太阳能电池中，由于阳极ITO的功函较低(4.7eV)，不能与大多数共轭聚合物光伏材料的最高占据分子轨道能级(5.0eV左右)匹配，常用PEDOT:PSS做为阳极修饰层以提高阳极的功函，从而增加空穴的收集能力。但是PEDOT:PSS本身具有一定的酸性，长期使用会腐蚀阳极ITO，从而造成阳极界面的不稳定，最终影响太阳能电池的长期稳定性；另外，现今PEDOT合成工艺复杂、成本相对较高。因此选用廉价高功函的中性溶液来制备阳极修饰层越来越引起人们的关注。如图1，聚合物太阳能电池主要包含依次层叠的衬底1，阳极层2，阳极修饰层3，光电活性层4，阴极修饰层(也可以没有)5以及低功函阴极层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。
水合醋酸镍为绿色结晶或粉末，微带乙酸气味，溶于水和乙醇。化学式Ni(CH3COO)2·xH2O，x的取值范围为1～4，其结构如式1所示。相对密度1.744。主要用作织物媒染剂，也用于电镀、阳极铝封闭剂等。
Figure BDA0000118304680000021
(式1)
发明内容
本发明公开了一种聚合物太阳能电池及其制备方法。本发明首次将水合醋酸镍引入聚合物太阳能电池中作为阳极修饰材料。
本发明所提供的聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层(也可以没有)和低功函阴极层，即：该聚合物太阳能电池包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层和低功函阴极层，或者该聚合物太阳能电池包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层和低功函阴极层，其中，所述阳极修饰层为醋酸镍薄膜。
在本发明中，醋酸镍薄膜的优选厚度为
Figure BDA0000118304680000022
其中，本发明聚合物太阳能电池的衬底可选用玻璃或聚酯薄膜；
所述阳极层为透明导电金属氧化物电极层，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，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；
所述阴极修饰层为碱金属的氟化物、碱土金属的氟化物、Ti或Zn的氧化物或其复合多元氧化物；
所述低功函阴极层为Ca、Mg、Cs、Al或其复合电极。
上述聚合物太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底上制备阳极层；
(2)将水合醋酸镍与溶剂混合制得混合溶液，在阳极层上旋涂上述混合溶液，经烘烤，得到阳极修饰层；
(3)在阳极修饰层上依次制备光电活性层和低功函阴极层，或者在阳极修饰层上依次制备光电活性层、阴极修饰层和低功函阴极层，得到所述聚合物太阳能电池。
在制备过程中，主要利用旋涂的转速来控制醋酸镍薄膜的厚度，转速优选为1000～4000r/min。烘烤温度可为50～150℃，烘烤时间可为10min～6h。
步骤(2)中，混合溶液中水合醋酸镍的浓度优选为0.5mg/mL～5mg/mL。
步骤(2)中，所述溶剂为去离子水或乙醇。
本发明的有益效果为：将醋酸镍引入聚合物太阳能电池中作为阳极修饰材料，实现了空穴的有效收集；并且与现有的PEDOT:PSS相比，本发明还具有修饰层不腐蚀阳极、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。
本发明中的阳极界面修饰层可形成厚度薄且致密性高的阳极界面修饰层，适用于聚合物太阳能电池修饰阳极的要求。
附图说明
图1为聚合物太阳能电池结构示意图；
图2为ITO/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图3为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC70BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图4为ITO/醋酸镍/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图5为ITO/醋酸镍/P3HT:PC70BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图6为ITO/醋酸镍/P3HT:IC60BA/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图中标号：
1-衬底；2-透明导电金属氧化物层；3-阳极修饰层；4-光电活性层；5-阴极修饰层；6-低功函阴极层；7-负载或测试装置；8-金属导线；9-入射光。
具体实施方式
实施例1(ITO上无任何修饰层，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、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干。然后将20mg/mL的P3HT与PC60BM1∶1(质量比)的混合溶液在800r/min的转速下直接旋涂于阳极层上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。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0.40伏，短路电流为9.48毫安每平方厘米，填充因子为56.9％，转换效率为2.16％。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。
实施例2(PEDOT:PSS修饰ITO，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、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在2000r/min的转速下旋涂PEDOT:PSS，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将20mg/mL的P3HT与PC70BM 1∶1(质量比)的混合溶液在800r/min的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。所制备的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.60伏，短路电流为9.47毫安每平方厘米，填充因子为70.8％，转换效率为4.03％。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。
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、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在2000r/min的转速下旋涂1mg/mL的四水合醋酸镍的水溶液，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到作为阳极修饰层的醋酸镍薄膜。然后将20mg/mL的P3HT与PC60BM 1∶1(质量比)的混合溶液在800r/min的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。所制备的聚合物太阳能电池中，醋酸镍膜的厚度为所制备的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.49伏，短路电流为11.16毫安每平方厘米，填充因子为63.9％，转换效率为3.49％。如图4所示。
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、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在2000r/min的转速下旋涂1.5mg/mL的四水合醋酸镍的水溶液，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到作为阳极修饰层的醋酸镍薄膜。然后将20mg/mL的P3HT与PC70BM 1∶1(质量比)的混合溶液在800r/min的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。所制备的聚合物太阳能电池中，醋酸镍膜的厚度为
Figure BDA0000118304680000061
所制备的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.50伏，短路电流为11.36毫安每平方厘米，填充因子为66.2％，转换效率为3.76％。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。如图5所示。
实施例5
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在4000r/min的转速下旋涂1mg/mL的四水合醋酸镍的乙醇溶液，100℃烘烤20分钟，自然冷却，得到作为阳极修饰层的醋酸镍薄膜。然后将17mg/mL的P3HT与IC60BA 1∶1(质量比)的混合溶液在800r/min的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。在5×10-5帕下真空蒸镀1纳米的氟化锂阴极修饰层，最后，在5×10-5帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。所制备的聚合物太阳能电池中，醋酸镍膜的厚度为
Figure BDA0000118304680000062
所制备的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.79伏，短路电流为10.45毫安每平方厘米，填充因子为67.6％，转换效率为5.58％。
实施例6
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在1000r/min的转速下旋涂5mg/mL的四水合醋酸镍的水溶液，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到作为阳极修饰层的醋酸镍薄膜。然后将17mg/mL的P3HT与IC60BA 1∶1(质量比)的混合溶液在800r/min的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。所制备的聚合物太阳能电池中，醋酸镍膜的厚度为
Figure BDA0000118304680000071
所制备的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.78伏，短路电流为11.74毫安每平方厘米，填充因子为66.4％，转换效率为6.08％。图6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。
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)

1.一种聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层和低功函阴极层，或者包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层和低功函阴极层，其特征在于：所述阳极修饰层为醋酸镍薄膜。
2.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于：醋酸镍薄膜的厚度为
Figure FDA0000118304670000011
3.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述衬底选用玻璃或聚酯薄膜；
所述阳极层为透明导电金属氧化物电极层，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；
所述阴极修饰层为碱金属的氟化物、碱土金属的氟化物、Ti或Zn的氧化物或其复合多元氧化物；
所述低功函阴极层为Ca、Mg、Cs、Al或其复合电极。
4.根据权利要求3所述的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述光电活性层中，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所述的聚合物太阳能电池，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聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在衬底上制备阳极层；
(2)将水合醋酸镍与溶剂混合制得混合溶液，在阳极层上旋涂上述混合溶液，经烘烤，得到阳极修饰层；
(3)在阳极修饰层上依次制备光电活性层和低功函阴极层，或者在阳极修饰层上依次制备光电活性层、阴极修饰层和低功函阴极层，得到所述聚合物太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在制备过程中，主要利用旋涂的转速来控制醋酸镍薄膜的厚度，转速为1000～4000r/min。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：烘烤的温度为50～150℃，时间为10min～6h。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，混合溶液中水合醋酸镍的浓度优选为0.5mg/mL～5mg/mL。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述溶剂为去离子水或乙醇。
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