CN102769102A

CN102769102A - 一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法

Info

Publication number: CN102769102A
Application number: CN2012102410938A
Authority: CN
Inventors: 谭占鳌; 李舒生; 何少剑; 林俊
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2012-11-07

Abstract

本发明公开了属于聚合物太阳能电池技术领域的一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法。此太阳能电池为聚合物太阳能电池，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、光电活性层、有或者没有阴极修饰层和低功函阴极层，所述阳极修饰层为乙酰丙酮镍膜。在透明导电金属氧化物阳极层上旋涂乙酰丙酮镍溶液，经烘烤，得到阳极修饰层。将乙酰丙酮镍膜作为阳极修饰层，可以有效的实现空穴的收集，提高ITO的功函，在聚合物太阳能电池中表现出优异的性能。本发明也具有工艺简单，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

一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法

技术领域

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法。

背景技术

随着近年来能源危机和环境污染的逐渐加剧，对可再生能源的需求愈来愈大。作为一种清洁的可再生能源，太阳能电池的研究和应用在过去的几十年中取得了巨大的发展。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。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已经超过8%，接近非晶硅电池的水平。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（4.7 eV），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（5.0 eV 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。因此用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。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法。

乙酰丙酮镍又称双-（2,4-戊二酮基-）镍，是翡翠绿色结晶。其分子式为C₁₀H₁₆O₄Ni，分子量是258.92。熔点229～230℃。沸点220～235℃（1466.3帕--11mmHg），密度（17℃）1.455g/cm3。可溶于水、乙醇、氯仿和苯，不溶于乙醚。主要用作有机合成的催化剂。可由乙酰丙酮与二氯化镍反应制得。结构式为式（Ⅰ）所示，本发明首次将其用作阳极修饰材料应用于聚合物太阳能电池中。

一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料，此太阳能电池为聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层和光电活性层，光电活性层上设置低功函阴极层或者光电活性层上层叠阴极修饰层后再设置低功函阴极层，所述阳极修饰层由阳极修饰材料乙酰丙酮镍制备而成。

一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料的修饰方法，包括如下步骤：

（1）在透明导电金属氧化物阳极层上旋涂乙酰丙酮镍溶液，涂膜厚度为10 -500Å，旋涂时的转速为800-5000rpm；

（2）将步骤（1）中旋涂的乙酰丙酮镍膜在20-250℃下烘烤1分钟到48小时，然后经过紫外臭氧处理1-60分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。

步骤（1）中，乙酰丙酮镍溶液中乙酰丙酮镍的浓度为0.5-10mg/mL。

步骤（1）中，乙酰丙酮镍溶液中的溶剂为异丙醇、水、乙醇、氯仿或二氯苯中的一种或一种以上。

本发明的有益效果为：阳极修饰层为乙酰丙酮镍为阳极修饰材料，将其引入聚合物太阳能电池中，实现了空穴的高效收集；并且与现有的PEDOT：PSS相比，本发明还具有修饰层不腐蚀阳极、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。

附图说明

图1为聚合物太阳能电池结构示意图；

图中标号：1-衬底；2-透明导电金属氧化物阳极层；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。

图2为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC₆₀BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。

图3为ITO/乙酰丙酮镍/P3HT:PC₆₀BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线。

图4为ITO/乙酰丙酮镍/P3HT: PC₇₀BM /Ca/Al的电流-电压特性曲线。

图5为ITO/PEDOT:PSS/ P3HT:IC₆₀BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线。

图6为ITO/乙酰丙酮镍/P3HT:IC₆₀BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线。

图7为ITO/乙酰丙酮镍/ P3HT:IC₇₀BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，此太阳能电池为聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底1、透明导电金属氧化物阳极层2、阳极修饰层3和光电活性层4，光电活性层上设置低功函阴极层6或者光电活性层上层叠阴极修饰层5后再设置低功函阴极层6，负载或测试装置7以及金属导线8。

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、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，150℃烘烤退火15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将20mg/mL的P3HT与PC₆₀BM 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，PEDOT:PSS的厚度为300Å。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0.61伏，短路电流为9.21毫安每平方厘米，填充因子为66.49%，转换效率为3.73%。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

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1500rpm的转速下旋涂0.7mg/ml的乙酰丙酮镍二氯苯溶液，180℃烘烤10分钟，再次进行紫外臭氧处理（UVO)15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将20mg/mL的P3HT与PC₆₀BM 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，乙酰丙酮镍膜的厚度为150Å。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0.60伏，短路电流为9.30毫安每平方厘米，填充因子为57.1%，转换效率为3.19%。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2500rpm的转速下旋涂1mg/ml的乙酰丙酮镍乙醇溶液，180℃烘烤15分钟，再次进行紫外臭氧处理（UVO)15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800 rpm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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，乙酰丙酮镍膜的厚度为200Å。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0.61伏，短路电流为9.53毫安每平方厘米，填充因子为61.9%，转换效率为3.60%。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。

实施例4 (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2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS的溶液，150℃烘烤退火10分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将17mg/mL的P3HT与IC₆₀BM 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，PEDOT:PSS膜的厚度为300Å。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0.85伏，短路电流为10.18毫安每平方厘米，填充因子为67.7%，转换效率为5.85%。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。

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2500rpm的转速下旋涂5mg/ml的乙酰丙酮镍异丙醇溶液，250℃烘烤10分钟，再次进行紫外臭氧处理（UVO)20分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将17mg/mL的P3HT与IC₆₀BA 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm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。所得的聚合物太阳能电池中，乙酰丙酮镍膜的厚度为50Å。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0.85伏，短路电流为10.25毫安每平方厘米，填充因子为68.4%，转换效率为5.96%。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。

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1000rpm的转速下旋涂10mg/ml的乙酰丙酮镍二氯苯溶液，120℃烘烤10分钟，再次进行紫外臭氧处理（UVO)30分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将17mg/mL的P3HT与IC₇₀BA 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm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。所得的聚合物太阳能电池中，乙酰丙酮镍膜的厚度为150Å。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0.85伏，短路电流为8.43毫安每平方厘米，填充因子为67.8%，转换效率为4.85%。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。

Claims

1.一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料，此太阳能电池为聚合物太阳能电池，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层和光电活性层，光电活性层上设置低功函阴极层或者光电活性层上层叠阴极修饰层后再设置低功函阴极层，其特征在于，所述阳极修饰层由阳极修饰材料乙酰丙酮镍制备而成。

2.权利要求1所述的一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料的修饰方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料的修饰方法，其特征在于，步骤（1）中，乙酰丙酮镍溶液中乙酰丙酮镍的浓度为0.5-10mg/mL。

4.根据权利要求2所述的一种可溶液加工的太阳能电池阳极修饰材料的修饰方法，其特征在于，步骤（1）中，乙酰丙酮镍溶液中的溶剂为异丙醇、水、乙醇、氯仿或二氯苯中的一种或一种以上。