CN102646794A - 一种p-i-n型聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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谭占鳌
徐琦
钱德平
王福芝
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Abstract

本发明公开了属于聚合物太阳能电池技术领域的一种P-I-N型聚合物太阳能电池及其制备方法。此种P-I-N型聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层、P型电子给体P层、由电子给体P和受体N共混而成的光电活性I层、N型电子受体N层、阴极修饰层(或者没有)、低功函阴极层、金属导线和负载装置。本发明采用先溶液加工再交联的方法在聚合物太阳能电池结构中引入P型的电子给体材料和N型的电子受体材料，大大的降低了载流子在阳极和阴极界面的复合，显著的提高了器件的性能。本发明还具有制备工艺简单，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P-I-N型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，具体涉及一种P-I-N型聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年兴起的有机和聚合物薄膜太阳能电池具有成本低、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能电池光电转化效率显著提高到8％，接近非晶硅电池的水平。但是在传统的本体异质结聚合物太阳能电池中，由于共混层中的电子给体与阴极界面接触，使得在阴极界面处的空穴不能有效的传输到阳极而在阴极界面处复合。  同样，共混层中的受体与阳极界面接触，使得在该界面处产生的电子不能传输的阴极而在阳极界面处复合。因此，传统的本体异质结结构存在载流子在电极界面复合几率大得缺点。
为了有效的克服载流子在电极界面处的复合，可以在阴极和阳极界面处分别插入N型的电子传输材料和P型的空穴传输材料。但是普通的电子传输材料和空穴传输材料不具备抗溶剂的特点，往往在制备上层膜时会溶解掉下层膜，从而达不到减小载流子复合的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种P-I-N型聚合物太阳能电池及其制备方法。
一种P-I-N型聚合物太阳能电池，包括从下至上依次为衬底(1)、透明导电金属氧化物阳极层(2)、阳极修饰层(3)、P型电子给体P层(4)、由P型电子给体和N型电子受体共混而成的光电活性I层(5)、N型电子受体N层(6)、有或者没有阴极修饰层(7)和低功函阴极层(8)，在透明导电金属氧化物阳极层(2)的一端上沉积有金属导线(9)，金属导线(9)连接负载或测试装置(10)的一端，低功函阴极层(8)连接负载或测试装置(10)的另一端。
上述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，步骤如下：
(1)透明导电金属氧化物阳极层的制备：在玻璃或聚酯薄膜的衬底上溅射金属氧化物制备透明导电金属氧化物阳极层；
(2)阳极修饰层的制备：在透明导电金属氧化物阳极层上旋涂聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸水溶液，涂膜厚度为10nm-50nm，经烘烤，得到阳极修饰层；
(3)P型电子给体P层的制备：将P型电子给体材料溶解在溶剂中，在1000-6000rpm的转速下旋涂于阳极修饰层上面，通过热交联或者紫外光照交联中的一种或两种使其交联，其中涂膜厚度为
Figure BDA0000156265300000021
(4)光电活性I层的制备：将P型电子给体材料与N型电子受体材料的混合溶液，其中P型电子给体材料与N型电子受体材料的质量比为1∶0.5-5，在1000-6000rpm的转速下直接旋涂于P型电子给体P层上，作为光电活性I层；其中涂膜厚度为
Figure BDA0000156265300000022
(5)N型电子受体N层的制备：将N型电子受体材料溶解在溶剂中，在1000-6000rpm的转速下旋涂于光电活性I层上，涂膜厚度为：
Figure BDA0000156265300000023
(6)低功函阴极层的制备：在N型电子受体N层上真空蒸镀金属材料作为阴极层。
步骤(1)中所述的金属氧化物为In、Sn、Zn或Cd的中的一种或一种以上。
步骤(3)、(4)中的P型电子给体材料为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、酞菁类或者为由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的带有交联基团的共轭聚合物；
上述的吸电子共轭单元为吡咯并吡咯二酮、苯并噻二唑或噻吩并吡咯二酮；给电子共轭单元为咔唑、芴、苯并二噻吩或二噻吩并苯；带有交联基团的共轭聚合物的交联的官能团为以下结构中的一种或一种以上，
Figure BDA0000156265300000031
其中k的值为0-16。
步骤(3)中的热交联的处理方式为：烘烤的温度为20-250℃，时间为0.5分钟-48小时；紫外光照交联的处理方式为：紫外光的波长为180-380nm，光照时间为0.5分钟-24小时。
步骤(4)、(5)中的N型电子受体材料为可溶性富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物、醌类、III-V族或II-VI族半导体纳米晶。
上述的溶解P型电子给体材料的溶剂为异丙醇、甲苯、二甲苯、氯仿、氯苯、二氯苯的一种或一种以上；溶解N型电子受体材料的溶剂为正己烷、环己烷、四氢呋喃、甲苯、二甲苯的中的一种或者一种以上。
在N型电子受体N层上制备阴极修饰层，材料为氟化锂、钛氧化物、氧化锌或乙酰丙酮氧化钛。
上述的低功函阴极层的材料为碱金属或碱土金属中的一种或两种。
本发明的有益效果为：采用溶液加工再交联的方法在聚合物太阳能电池结构中引入P型的电子给体材料和N型的电子受体材料，大大的降低了载流子在阳极和阴极界面的复合，有效提高材料的抗溶剂性能，显著的提高了器件的性能。本发明还具有制备工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合于大规模工业化生产等特点。
附图说明
图1为P-I-N型聚合物太阳能电池结构图；图中标号分别为：1-衬底；2-透明导电金属氧化物阳极层；3-阳极修饰层；4-电子给体P层；5-光电活性I层；6-电子受体N层；7-阴极修饰层；8-低功函阴极层；9-金属导线；10-负载或测试装置；11-入射光。
图2为ITO/PEDOT:PSS/P088:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
图3为ITO/PEDOT:PSS/P088:PC70BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
图4为ITO/PEDOT:PSS/P088/P088:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
图5为ITO/PEDOT:PSS/P088/P088:PC70BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
图6为ITO/PEDOT:PSS/P088:PC60BM/PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
图7为ITO/PEDOT:PSS/P088:PC70BM/PC70BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
图8为ITO/PEDOT:PSS/P088/P088:PC60BM/PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
本发明提供一种P-I-N型聚合物太阳能电池及其制备方法。下面的将结合附图和实施例来说明本发明。
图1所示为P-I-N型聚合物太阳能电池结构图；该P-I-N型聚合物太阳能电池结构是从下至上依次层叠的衬底1、透明导电金属氧化物阳极层2、阳极修饰层3、P型电子给体P层4、由P型电子给体和N型电子受体共混而成的光电活性I层5、N型电子受体N层6、有或者没有阴极修饰层7和低功函阴极层8，在透明导电金属氧化物阳极层2的一端上沉积有金属导线9，金属导线9连接负载或测试装置10的一端，低功函阴极层8连接负载或测试装置10的另一端。
实施例1(实施例3的对比例)
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水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。将10mg/mL的P088与PC60BM 1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极极。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0.620伏，短路电流为7.47毫安每平方厘米，填充因子为0.629，转换效率为2.91％。
实施例2(实施例4的对比例)
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水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。将10mg/mL的P088与PC70BM 1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm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4×10-4pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。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0.630伏，短路电流为7.55毫安每平方厘米，填充因子为0.598，转换效率为2.85％。
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2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将12mg/mL的P088溶液在4000rpm的转速下旋涂在其上面，150℃烘烤10min，随即用紫外线照射2min，再将10mg/mL的P088与PC60BM 1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm的转速下旋涂于其上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。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0.640伏，短路电流为10.07毫安每平方厘米，填充因子为0.615，转换效率为3.96％。
实施案例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2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将12mg/mL的P088溶液在4000rpm的转速下旋涂在其上面，150℃烘烤10min，随即用紫外线照射2min，再将10mg/mL的P088与PC70BM 1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm的转速下旋涂于其上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。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0.610伏，短路电流为11.23毫安每平方厘米，填充因子为0.592，转换效率为4.05％。
实施案例5
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水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将10mg/mL的P088与PC60BM1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm的转速下旋涂于其上，作为光电活性层。再将0.1mg/ml的PC60BM溶液在2000rpm的转速下旋涂于其上。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。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。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0.670伏，短路电流为6.63毫安每平方厘米，填充因子为0.516，转换效率为2.29％。
实施案例6
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水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将10mg/mL的P088与PC70BM1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm的转速下旋涂于其上，作为光电活性层。再将0.1mg/ml的PC70BM溶液在1500rpm的转速下旋涂于其上。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。图7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0.650伏，短路电流为5.06毫安每平方厘米，填充因子为0.588，转换效率为1.93％。
实施案例7
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水溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将12mg/mL的P088溶液在4000rpm的转速下旋涂在其上面，150℃烘烤10min，随即用紫外线照射2min，再将10mg/mL的P088与PC60BM 1∶1.3(质量比)的混合溶液(滴加3％的添加剂1-8二碘辛烷)在1500rpm的转速下旋涂于其上，作为光电活性层。再将0.1mg/ml的PC60BM溶液在2000rpm的转速下旋涂于其上。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作阴极。图8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0.660伏，短路电流为8.51毫安每平方厘米，填充因子为0.541，转换效率为3.04％。

Claims (10)

1.一种P-I-N型聚合物太阳能电池，其特征在于，包括从下至上依次为衬底(1)、透明导电金属氧化物阳极层(2)、阳极修饰层(3)、P型电子给体P层(4)、由P型电子给体和N型电子受体共混而成的光电活性I层(5)、N型电子受体N层(6)、有或者没有阴极修饰层(7)和低功函阴极层(8)，在透明导电金属氧化物阳极层(2)的一端上沉积有金属导线(9)，金属导线(9)连接负载或测试装置(10)的一端，低功函阴极层(8)连接负载或测试装置(10)的另一端。
2.权利要求1的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)透明导电金属氧化物阳极层的制备：在玻璃或聚酯薄膜的衬底上溅射金属氧化物制备透明导电金属氧化物阳极层；
(2)阳极修饰层的制备：在透明导电金属氧化物阳极层上旋涂聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸水溶液，涂膜厚度为10nm-50nm，经烘烤，得到阳极修饰层；
(3)P型电子给体P层的制备：将P型电子给体材料溶解在溶剂中，在1000-6000rpm的转速下旋涂于阳极修饰层上面，通过热交联或者紫外光照交联中的一种或两种使其交联，其中涂膜厚度为 
Figure FDA0000156265290000011
(4)光电活性I层的制备：将P型电子给体材料与N型电子受体材料的混合溶液，其中P型电子给体材料与N型电子受体材料的质量比为1∶0.5-5，在1000-6000rpm的转速下直接旋涂于P型电子给体P层上，作为光电活性I层；其中涂膜厚度为 
(5)N型电子受体N层的制备：将N型电子受体材料溶解在溶剂中，在1000-6000rpm的转速下旋涂于光电活性I层上，涂膜厚度为： 
Figure FDA0000156265290000013
(6)低功函阴极层的制备：在N型电子受体N层上真空蒸镀金属材料作为阴极层。
3.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的金属氧化物为In、Sn、Zn或Cd的中的一种或一种以上。
4.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特 征在于，步骤(3)、(4)中的P型电子给体材料为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、酞菁类或者为由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的带有交联基团的共轭聚合物。
5.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的吸电子共轭单元为吡咯并吡咯二酮、苯并噻二唑或噻吩并吡咯二酮；给电子共轭单元为咔唑、芴、苯并二噻吩或二噻吩并苯；带有交联基团的共轭聚合物的交联的官能团为以下结构中的一种或一种以上，
Figure FDA0000156265290000021
其中k的值为0-16。
6.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的热交联的处理方式为：烘烤的温度为20-250℃，时间为0.5分钟-48小时；紫外光照交联的处理方式为：紫外光的波长为180-380nm，光照时间为0.5分钟-24小时。
7.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)、(5)中的N型电子受体材料为可溶性富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物、醌类、III-V族或II-VI族半导体纳米晶。
8.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的溶解P型电子给体材料的溶剂为异丙醇、甲苯、二甲苯、氯仿、氯苯、二氯苯的一种或一种以上；溶解N型电子受体材料的溶剂为正己烷、环己烷、四氢呋喃、甲苯、二甲苯的中的一种或者一种以上。
9.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，在N型电子受体N层上制备阴极修饰层，材料为氟化锂、钛氧化物、氧化锌或乙酰丙酮氧化钛。 
10.根据权利要求2所述的一种P-I-N型聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的低功函阴极层的材料为碱金属或碱土金属中的一种或两种。 
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