CN102810641B - 一种聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学领域,其公开了一种聚合物太阳能电池,该电池为层状结构,该层状结构依次为:阳极基底、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层、阴极层、保护层、钝化层。本发明的聚合物太阳能电池,通过在阴极层上面制备一层钝化层,使阴极并没有暴露在空气中,提高了器件的稳定性,而钝化层的材料可以起到高反射的作用,使一部分会穿透阴极的光到达钝化层而发生反射,使活性层可以捕获更多的太阳能,最终提高器件的稳定性和能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及电化学领域,尤其涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
1982年,Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性质,制造出了第一个具有真正意义上的太阳能电池,但是当时的光电转换效率极低(10-3%)。紧接着,Glenis等制作了各种聚噻吩的太阳能电池,当时都面临的问题是极低的开路电压和光电转换效率。直到1986年,C.W.Tang等首次将p型半导体和n型半导体引入到双层结构的器件中,才使得光电流得到了极大程度的提高,从此以该工作为里程碑,有机聚合物太阳能电池蓬勃发展起来。
1992年Sariciftci等发现2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-苯乙(MEH-PPV)与复合体系中存在快速光诱导电子转移现象,引起了人们的极大兴趣,而在1995年,Yu等用MEH-PPV与C60衍生物PCBM混合作为活性层制备了有机聚合物体异质结太阳能电池。器件在20mW/cm2430nm的单色光照射下,能量转换效率为2.9%。这是首个基于聚合物材料与PCBM受体制备的本体异质结太阳能电池,并提出了复合膜中互穿网络结构的概念。至此,本体异质结结构在聚合物太阳能电池中的应用得到了迅速的发展。这种结构也成为目前人们普遍采用的有机聚合物太阳能电池结构。
聚合物太阳能电池的工作原理主要分为四部分:(1)光激发和激子的形成;(2)激子的扩散;(3)激子的分裂;(4)电荷的传输和收集。首先,共轭聚合物在入射光照射下吸收光子,电子从聚合物最高占有轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO),形成激子,激子在内建电场的作用下扩散到给体/受体界面处分离成自由移动的电子和空穴,然后电子在受体相中传递并被阴极收集,空穴则通过给体相并被阳极收集,从而产生光电流,这就形成了一个有效的光电转换过程。
目前常用的结构为:ITO阳极/空穴缓冲层/活性层/电子缓冲层/阴极。这种结构由于阴极一般采用低功函的活泼金属;因此,容易与大气中的氧气发生反应,不利于电池的稳定性,给应用带来了很大的制约。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定性好、能量转换率高的聚合物太阳能电池。
本发明的技术方案如下:
一种聚合物太阳能电池,该电池为层状结构,且该层状结构依次为:阳极基底、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层、阴极层、保护层、钝化层,即该电池的结构为:阳极基底/空穴缓冲层/活性层/电子缓冲层/阴极层/保护层/钝化层。
该聚合物太阳能电池中,各功能层所用材质如下,
导电阳极基底为铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺铟氧化锌玻璃(IZO)、掺氟氧化锡玻璃(FTO)或掺铝氧化锌玻璃(AZO)中的任一种;
空穴缓冲层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)与聚苯磺酸钠(PSS)的混合物;
活性层的材料为聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基-5-(3,7.二甲基辛氧基)对苯撑乙烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-(2′-乙烯基-己氧基)聚对苯乙烯撑](MEH-PPV)分别与富勒烯丁酸甲酯衍生物(PCBM)混合后形成混合物中的任一种;即P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM混合物中的任一种;
电子缓冲层的材料为氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸铯(Cs2CO3)、氮化铯(CsN3)或氟化铯(CsF)中的任一种;
阴极层的材料为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)中的任一种金属;
保护层的材料为并五苯、C60或C70(即60或70个碳原子的有机物)的任一种;
钝化层的材料为Al2O3、SiO2、SiO、SiCl4或Si3N4中的任一种。
本发明的另一目的在于提供上述聚合物太阳能电池的制备方法,其工艺步骤如下:
S1、将阳极基底依次在洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇中超声清洗,去除表面的有机污染物,清洗干净后对其进行氧等离子处理,氧等离子处理时间为5-15min,功率为10-50W;
S2、在阳极基底的阳极表面旋涂厚度为20-80nm的空穴缓冲层,干燥后再在空穴缓冲层表面旋涂厚度为0.5-10nm的活性层,然后干燥处理;
S3、在活性层表面蒸镀厚度为0.5-10nm的电子缓冲层;完后接着蒸镀厚度为80-200nm的阴极层;随后再在阴极层表面蒸镀厚度为1-10nm的保护层;
S4、利用溅射工艺,在保护层表面溅镀厚度为50-200nm的钝化层,最后得到聚合物太阳能电池。
本发明的聚合物太阳能电池,通过在阴极层上面制备一层钝化层,使阴极并没有暴露在空气中,提高了器件的稳定性,而钝化层的材料可以起到高反射的作用,使一部分会穿透阴极的光到达钝化层而发生反射,使活性层可以捕获更多的太阳能,最终提高器件的稳定性和能量转换效率。
附图说明
图1为本发明聚合物太阳能电池结构示意图;
图2为本发明聚合物太阳能电池的制备工艺流程图;
图3为实施例1的聚合物太阳能电池:ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag/并五苯/Si3N4与对比电池:ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag的电流密度与电压关系图;其中,曲线1为实施例1的曲线,曲线2为对比例的曲线。
具体实施方式
本发明的一种聚合物太阳能电池,如图1所示,该电池为层状结构,且该层状结构依次为:阳极基底11、空穴缓冲层12、活性层13、电子缓冲层14、阴极层15、保护层16、钝化层17,即该电池的结构为:阳极基底11/空穴缓冲层12/活性层13/电子缓冲层14/阴极层15/保护层16/钝化层17。
该聚合物太阳能电池中,各功能层所用材质如下,
导电阳极基底为铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺铟氧化锌玻璃(IZO)、掺氟氧化锡玻璃(FTO)或掺铝氧化锌玻璃(AZO)中的任一种;
空穴缓冲层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)与聚苯磺酸钠(PSS)的混合物;
活性层的材料为聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基-5-(3,7.二甲基辛氧基)对苯撑乙烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-(2′-乙烯基-己氧基)聚对苯乙烯撑](MEH-PPV)分别与富勒烯丁酸甲酯衍生物(PCBM)混合后形成体系中的任一种;即P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM混合物中的任一种。
电子缓冲层的材料为氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸铯(Cs2CO3)、氮化铯(CsN3)或氟化铯(CsF)中的任一种;
阴极层的材料为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)中的任一种金属;
保护层的材料为并五苯、60个碳原子的有机物(C60)或70个碳原子的有机物(C70)中的任一种;
钝化层的材料为Al2O3、SiO2、SiO、SiCl4或Si3N4中的任一种;
上述聚合物太阳能电池的制备方法,如图2所示,其工艺步骤如下:
S1、将阳极基底依次在洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇中超声清洗,去除表面的有机污染物,清洗干净后对其进行氧等离子处理,氧等离子处理时间为5-15min,功率为10-50W;
S2、在阳极基底的阳极表面旋涂厚度为20-80nm的空穴缓冲层,干燥后再在空穴缓冲层表面旋涂厚度为0.5-10nm的活性层,然后干燥处理;
S3、在活性层表面蒸镀厚度为0.5-10nm的电子缓冲层;完后接着蒸镀厚度为80-200nm的阴极层;随后再在阴极层表面蒸镀厚度为1-10nm的保护层;
S4、利用溅射工艺,在保护层表面溅镀厚度为50-200nm的钝化层,最后得到聚合物太阳能电池。
上述制备方法的步骤S2中,活性层的材料为溶液体系,其溶剂为甲苯、二甲苯、氯苯或氯仿中的一种或两种混合溶剂。每种体系的总浓度控制在8-30mg/ml,而P3HT∶PCBM的质量比控制在0.8∶1-1∶1的范围;MDMO-PPV∶PCBM或者MEH-PPV∶PCBM的质量比控制在1∶1-1∶4的范围,然后在充满惰性气体的手套箱中进行旋涂,最后在50-200℃下退火10-100min,或者在室温下放置24-48h,厚度控制在80-300nm;优选总浓度为24mg/ml的P3HT∶PCBM氯苯溶液体系,优选P3HT∶PCBM的质量比为1∶1,优选100℃下退火15min,厚度为100nm。
上述制备方法的步骤S2中,空穴缓冲层采用重量比为2∶1-6∶1的PEDOT∶PSS水溶液,质量百分比为1-5wt%,空穴缓冲层旋涂结束后,在100-200℃下加热15-60min,厚度控制在20-80nm;优选PEDOT∶PSS重量比为6∶1,质量百分比为1.3wt%的PEDOT∶PSS水溶液,优选200℃下加热30min,优选厚度为40nm。
本发明的聚合物太阳能电池,通过在阴极层上面制备一层钝化层,使阴极并没有暴露在空气中,提高了器件的稳定性,而钝化层的材料可以起到高反射的作用,使一部分会穿透阴极的光到达钝化层而发生反射,使活性层可以捕获更多的太阳能,最终提高器件的稳定性和能量转换效率。
下面对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
本实施例中聚合物太阳能电池的结构为:
ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag/并五苯/Si3N4。
该聚合物太阳能电池的制备工艺如下:
1、将ITO基底依次用洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇清洗,且清洗时各超声15min,去除玻璃表面的有机污染物,清洗干净后对ITO基底的ITO层于功率为10W条件下氧等离子表面处理5min;
2、将PEDOT∶PSS水溶液(其中,PEDOT∶PSS重量比为6∶1;PEDOT与PSS的总质量百分比为1.3wt%)通过旋涂的方式制备在ITO基底的ITO层表面;旋涂后在200℃下加热30min,制得厚度为60nm的空穴缓冲层;
3、将P3HT∶PCBM氯苯溶液体系旋涂在空穴缓冲层表面,旋涂完后,在100℃下退火15min,制得厚度为100nm的活性层;其中,P3HT∶PCBM氯苯溶液体系中,溶剂为氯苯,P3HT与PCBM的总浓度为24mg/ml,P3HT∶PCBM的质量比为1∶1;
4、通过蒸镀工艺,在活性层表面蒸镀电子缓冲层,材料为LiF,厚度为0.7nm;
5、在活性层表面蒸镀阴极层,材料为Ag,厚度为150nm;
6、在阴极层表面蒸镀保护层,材料为并五苯,厚度为2nm;
7、最后,通过溅射工艺,在保护层表面溅镀钝化层,材料为Si3N4,厚度为150nm;
8、上述制备工艺完成后,得到所需的聚合物太阳能电池。
附图3是实施例1的制备聚合物太阳能电池(结构为:ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag/并五苯/Si3N4)与对比电池(结构为:ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag)的电流密度与电压关系;其中,曲线1为实施例1的曲线,曲线2为对比例的曲线。
上述电流密度与电压的测试,采用美国Keithly公司生成的型号为2602电流-电压测试仪进行的,测试工艺为:用500W氙灯(Osram)与AM1.5的滤光片组合作为模拟太阳光的白光光源。
从图3中可以看到,对比太阳能电池的效率为0.98%,而实施例1中加入保护层和钝化层的太阳能电池的效率为1.40%;这说明,采用了本发明的结构后,阴极得到了保护,同时,并没有被制备钝化层的溅射工艺所破坏,加强了太阳能电池的稳定性,最终使太阳能电池的能量转换效率得到了增强。
表1:实施例1和对比例的光电流测试数据
表1
电流密度(mA cm-2) | 电压(V) | 效率(%) | 填充因子 | |
曲线1 | 6.14 | 0.71 | 1.40 | 0.32 |
曲线2 | 4.22 | 0.65 | 0.98 | 0.35 |
实施例2
本实施例中聚合物太阳能电池的结构为:
IZO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Li2CO3/Al/C60/Al2O3。
该聚合物太阳能电池的制备工艺如下:
1、将IZO基底依次用洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇清洗,且清洗时各超声15min,去除玻璃表面的有机污染物,清洗干净后对IZO基底的IZO层于功率为10W条件下氧等离子表面处理5min;
2、将PEDOT∶PSS水溶液(其中,PEDOT∶PSS重量比为2∶1;PEDOT与PSS的总质量百分比为5wt%)通过旋涂的方式制备在IZO基底的IZO层表面;旋涂后在200℃下加热30min,制得厚度为20nm的空穴缓冲层;
3、将P3HT∶PCBM氯苯/甲苯溶液体系旋涂在空穴缓冲层表面,旋涂完后,在200℃下退火5min,制得厚度为80nm的活性层;其中,为P3HT∶PCBM氯苯/甲苯溶液体系中,溶剂为氯苯/甲苯混合溶剂,P3HT与PCBM的总浓度为30mg/ml,P3HT∶PCBM的质量比为1∶0.8;
4、通过蒸镀工艺,在活性层表面蒸镀电子缓冲层,材料为Li2CO3,厚度为0.5nm;
5、在活性层表面蒸镀阴极层,材料为Al,厚度为200nm;
6、在阴极层表面蒸镀保护层,材料为C60,厚度为1nm;
7、最后,通过溅射工艺,在保护层表面溅镀钝化层,材料为Al2O3,厚度为200nm;
8、上述制备工艺完成后,得到所需的聚合物太阳能电池。
实施例3
本实施例中聚合物太阳能电池的结构为:
AZO基底/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/Cs2CO3/Au/C70/SiO2。
该聚合物太阳能电池的制备工艺如下:
1、将IZO基底依次用洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇清洗,且清洗时各超声15min,去除玻璃表面的有机污染物,清洗干净后对IZO基底的IZO层于功率为10W条件下氧等离子表面处理5min;
2、将PEDOT∶PSS水溶液(其中,PEDOT∶PSS重量比为2∶1;PEDOT与PSS的总质量百分比为1wt%)通过旋涂的方式制备在IZO基底的IZO层表面;旋涂后在200℃下加热30min,制得厚度为80nm的空穴缓冲层;
3、将MEH-PPV∶PCBM氯仿溶液体系旋涂在空穴缓冲层表面,旋涂完后,在200℃下退火15min,制得厚度为140nm的活性层;其中,为MEH-PPV∶PCBM氯仿溶液体系中,溶剂为氯仿,MEH-PPV与PCBM的总浓度为8mg/ml,MEH-PPV∶PCBM的质量比为1∶4;
4、通过蒸镀工艺,在活性层表面蒸镀电子缓冲层,材料为Cs2CO3,厚度为10nm;
5、在活性层表面蒸镀阴极层,材料为Au,厚度为80nm;
6、在阴极层表面蒸镀保护层,材料为C70,厚度为1nm;
7、最后,通过溅射工艺,在保护层表面溅镀钝化层,材料为SiO2,厚度为50nm;
8、上述制备工艺完成后,得到所需的聚合物太阳能电池。
实施例4
本实施例中聚合物太阳能电池的结构为:
FTO基底/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/CsF/Au/C70/SiO。
该聚合物太阳能电池的制备工艺如下:
1、将FTO基底依次用洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇清洗,且清洗时各超声15min,去除玻璃表面的有机污染物,清洗干净后对FTO基底的FTO层于功率为10W条件下氧等离子表面处理5min;
2、将PEDOT∶PSS水溶液(其中,PEDOT∶PSS重量比为2∶1;PEDOT与PSS的总质量百分比为3wt%)通过旋涂的方式制备在FTO基底的FTO层表面;旋涂后在200℃下加热30min,制得厚度为40nm的空穴缓冲层;
3、将MDMO-PPV∶PCBM甲苯溶液体系旋涂在空穴缓冲层表面,旋涂完后,在200℃下退火15min,制得厚度为140nm的活性层;其中,为MDMO-PPV∶PCBM甲苯溶液体系中,溶剂为甲苯,MDMO-PPV与PCBM的总浓度为8mg/ml,MDMO-PPV∶PCBM的质量比为1∶4;
4、通过蒸镀工艺,在活性层表面蒸镀电子缓冲层,材料为CsF,厚度为2nm;
5、在活性层表面蒸镀阴极层,材料为Pt,厚度为120nm;
6、在阴极层表面蒸镀保护层,材料为C70,厚度为10nm;
7、最后,通过溅射工艺,在保护层表面溅镀钝化层,材料为SiO,厚度为150nm;
8、上述制备工艺完成后,得到所需的聚合物太阳能电池。
实施例5
本实施例中聚合物太阳能电池的结构为:
ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/CsN3/Pt/C60/SiCl4。
该聚合物太阳能电池的制备工艺如下:
1、将ITO基底依次用洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇清洗,且清洗时各超声15min,去除玻璃表面的有机污染物,清洗干净后对ITO基底的ITO层于功率为10W条件下氧等离子表面处理5min;
2、将PEDOT∶PSS水溶液(其中,PEDOT∶PSS重量比为2∶1;PEDOT与PSS的总质量百分比为3wt%)通过旋涂的方式制备在ITO基底的ITO层表面;旋涂后在200℃下加热30min,制得厚度为40nm的空穴缓冲层;
3、将P3HT∶PCBM二甲苯溶液体系旋涂在空穴缓冲层表面,旋涂完后,在50℃下退火100min,制得厚度为120nm的活性层;其中,为P3HT∶PCBM二甲苯溶液体系中,溶剂为二甲苯,P3HT与PCBM的总浓度为20mg/ml,P3HT∶PCBM的质量比为1∶2;
4、通过蒸镀工艺,在活性层表面蒸镀电子缓冲层,材料为CsN3,厚度为5nm;
5、在活性层表面蒸镀阴极层,材料为Pt,厚度为150nm;
6、在阴极层表面蒸镀保护层,材料为C60,厚度为10nm;
7、最后,通过溅射工艺,在保护层表面溅镀钝化层,材料为SiCl4,厚度为120nm;
8、上述制备工艺完成后,得到所需的聚合物太阳能电池。
应当理解的是,上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种聚合物太阳能电池,该电池为层状结构,其特征在于,该层状结构依次为:阳极基底、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层、阴极层、保护层、钝化层;
阳极基底为ITO基底;
空穴缓冲层的材料为重量比为6:1的PEDOT和PSS的混合物,空穴缓冲层的厚度为60nm;
活性层的材料为质量比为1:1的P3HT和PCBM的混合物,活性层的厚度为100nm;
电子缓冲层的材料为LiF,电子缓冲层的厚度为0.7nm;
阴极层的材料为Ag,阴极层的厚度为150nm;
保护层的材料为并五苯,保护层的厚度为2nm;
钝化层的材料为Si3N4,钝化层的厚度为150nm。
2.一种如权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法,其特征在于,该制备方法包括如下步骤:
将ITO基底依次用洗洁精,去离子水,丙酮,乙醇,异丙醇清洗,且清洗时各超声15min,去除玻璃表面的有机污染物,清洗干净后对ITO基底的ITO层于功率为10W条件下氧等离子表面处理5min;
将PEDOT:PSS水溶液,其中,PEDOT:PSS重量比为6:1,PEDOT与PSS的总质量百分比为1.3wt%,通过旋涂的方式制备在ITO基底的ITO层表面;旋涂后在200℃下加热30min,制得厚度为60nm的空穴缓冲层;
将P3HT:PCBM氯苯溶液体系旋涂在空穴缓冲层表面,旋涂完后,在100℃下退火15min,制得厚度为100nm的活性层;其中,P3HT:PCBM氯苯溶液体系中,溶剂为氯苯,P3HT与PCBM的总浓度为24mg/ml,P3HT:PCBM的质量比为1:1;
通过蒸镀工艺,在活性层表面蒸镀电子缓冲层,材料为LiF,厚度为0.7nm;
在活性层表面蒸镀阴极层,材料为Ag,厚度为150nm;
在阴极层表面蒸镀保护层,材料为并五苯,厚度为2nm;
最后,通过溅射工艺,在保护层表面溅镀钝化层,材料为Si3N4,厚度为150nm;
上述制备工艺完成后,得到所需的聚合物太阳能电池。
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