CN102769103A

CN102769103A - 一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法

Info

Publication number: CN102769103A
Application number: CN2012102413230A
Authority: CN
Inventors: 谭占鳌; 徐琦; 李良杰; 孙刚; 屠逍鹤
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聚合物太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法。此聚合物太阳能电池，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铜膜。在阳极层上旋涂乙酰丙酮铜的溶液，得到阳极修饰层。将乙酰丙酮铜膜作为阳极修饰层，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。

Description

一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法

技术领域

本发明公开了属于聚合物太阳能电池技术领域的一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法。

背景技术

由于传统化石能源不可再生，资源量不断减少，成本不断上升，能源供应安全问题日益突出，并且化石能源的使用是造成目前世界严重环境污染和气候变暖，环境恶化已经是人类面临严峻的生存危机。因而，人们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10%，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。

乙酰丙酮铜为蓝色针状晶体或粉末，难溶于水，微溶于乙醇，易溶于苯、氯苯、氯仿、四氯化碳，其中溶解在二氯苯时的溶液呈现浅绿色。通常用作有机合成催化剂、树脂交联剂和固化促进剂，橡胶添加剂，燃料油添加剂等。本发明将它用于聚合物太阳能电池，它的分子量是261.76，分子式C₁₀H₁₄CuO₄，分子式为Cu(C₅H₇O₂)₂，其结构如式（Ⅰ）所示。

一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料，此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，其中阳极修饰层由阳极修饰材料乙酰丙酮铜制备而成。

一种聚合物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铜溶液，旋涂厚度为10 -500Å，旋涂时的转速为1000-5000rpm；

（2）将步骤（1）中旋涂的乙酰丙酮铜膜在20-250℃下烘烤1分钟到48小时，自然冷却，得到阳极修饰层。

步骤（1）中乙酰丙酮铜溶液中乙酰丙酮铜的浓度为0.1-10mg/mL。

步骤（1）中乙酰丙酮铜溶液的溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚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铜为阳极修饰材料，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，器件更薄、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铜膜作为阳极修饰层，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。

附图说明

图1为聚合物太阳能电池结构示意图；

图中标号为：

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/ P3HT:PC₆₁BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；

图3为ITO/乙酰丙酮铜/P3HT:PC₆₁BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；

图4为ITO/乙酰丙酮铜/P3HT:PC₆₁BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；

图5为ITO/乙酰丙酮铜/P3HT: PC₇₁BM /Ca/Al的电流-电压特性曲线；

图6为ITO/乙酰丙酮铜/ P3HT:IC₆₁BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线；

图7为ITO/PEDOT:PSS/ P3HT:IC₆₁BA /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进一步说明本发明的技术内容。

如图1所示，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后再设置低功函阴极层，然后设置负载或测试装置7及金属导线8。

实施例1 (无修饰层的对比例)

将溅射有氧化铟锡（ITO）的透明导电玻璃依次用洗洁精、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PC₆₁BM 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1×10^-4帕下真空蒸镀20纳米的钙和100nm的铝作为阴极。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0.59伏，短路电流为8.44毫安每平方厘米，填充因子为44.1%，转换效率为2.20%。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4000rpm的转速下旋涂1.0mg/mL的乙酰丙酮铜异丙醇溶液，80℃在空气中烘烤20分钟，自然冷却后立即放入紫外臭氧表面处理设备（UVO）中处理10~20min，得到阳极修饰层。然后将20mg/mL的P3HT与PC₆₁BM 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1×10^-4帕下真空蒸镀20纳米的钙和100nm的铝作为阴极。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0.60伏，短路电流为9.04毫安每平方厘米，填充因子为61.7%，转换效率为3.34%。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3000rpm的转速下旋涂5.0mg/mL的乙酰丙酮铜乙醇溶液，50℃在空气中烘烤40分钟，自然冷却后得到阳极修饰层。然后将20mg/mL的P3HT与PC₆₁BM 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1×10^-4帕下真空蒸镀20纳米的钙和100nm的铝作为阴极。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0.55伏，短路电流为8.83毫安每平方厘米，填充因子为5.58%，转换效率为2.71%。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

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5000rpm的转速下旋涂0.5mg/mL的乙酰丙酮铜乙酸乙酯溶液，100℃在空气中烘烤10分钟，自然冷却后立即放入紫外臭氧表面处理设备（UVO）中处理10~20min，得到阳极修饰层。然后将20mg/mL的P3HT与PC₇₁BM 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1×10^-4帕下真空蒸镀20纳米的钙和100nm的铝作为阴极。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0.60伏，短路电流为10.38毫安每平方厘米，填充因子为59.3%，转换效率为3.69%。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2000rpm的转速下旋涂5.0mg/mL的乙酰丙酮铜石油醚溶液，80℃在空气中烘烤20分钟，自然冷却后立即放入紫外臭氧表面处理设备（UVO）中处理10~20min，得到阳极修饰层。然后将17mg/mL的P3HT与IC₆₁BA 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1×10^-4帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作为阴极。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0.84伏，短路电流为10.17毫安每平方厘米，填充因子为71.2%，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。

实施例6 (与PEDOT:PSS修饰层形成对比例)

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水溶液，150℃在空气中烘烤15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将17mg/mL的P3HT与IC₆₁BA 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1×10^-4帕下真空蒸镀20nm的钙和100nm的铝作为阴极。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0.85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

1.一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料，此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，阳极修饰层由阳极修饰材料乙酰丙酮铜制备而成。

2.权利要求1所述的一种聚合物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：

（1）在透明导电金属氧化物阳极层上旋涂乙酰丙酮铜溶液，涂膜厚度为10 -500Å，旋涂时的转速为1000-5000rpm；

3.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料的修饰方法，其特征在于，步骤（1）中乙酰丙酮铜溶液中乙酰丙酮铜的浓度为0.1-10mg/mL。

4.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料的修饰方法，其特征在于，步骤（1）中乙酰丙酮铜溶液的溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的一种或一种以上。