CN102945926B - 一种聚合物太阳能电池阳极修饰材料及其修饰方法 - Google Patents

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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电极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层（可以没有）和低功函阴极层，所述阳极修饰层为甲基三氧化铼膜。在衬底上制备透明导电金属氧化物电极层，作为电池的阳极；在透明导电阳极上旋涂甲基三氧化铼与溶剂的混合溶液，经烘烤，得到阳极修饰层；或者在阳极修饰层上依次制备光电活性层、阴极修饰层（可以没有）和低功函阴极层，得到所述聚合物太阳能电池。将甲基三氧化铼膜作为阳极修饰层，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
本发明属于聚合物太阳能电池制备技术领域，具体涉及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
现阶段随着常规能源的有限性及环保压力的增加，诸多国家掀起了开发和利用新能源的热潮，其中，太阳能作为一种可再生清洁能源在全球范围内得到快速的发展，特别是利用光伏效应提供绿色新能源的太阳能电池具有广阔的应用前景。聚合物太阳能电池由于利用聚合物有机材料作为光活性材料，因而具有材料来源广泛、价格低廉、易于加工、适于制作大面积柔性器件等优点，近年来倍受关注，成为新概念太阳能电池的研究热点之一。聚合物太阳能电池的工作原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料电极表面进行多层复合，制成单向导电装置。虽然目前聚合物太阳能电池的使用寿命和电池效率都不能和无机材料特别是硅系太阳能电池相比，但是由于其具有和无机硅光伏电池相同的最高理论转换效率，而且具有重量轻、制备方法简单和易成型等优点，因此具有广阔的应用前景。
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。聚合物太阳能电池主要包含依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层、光电活性层、有或没有阴极修饰层以及低功函阴极层，电池以金属导线与负载或测试装置连接。
甲基三氧化铼为白色至蓝灰色结晶，极易溶于水，也溶于异丙醇，氯苯等有机溶剂。熔点38-42℃。其异丙醇溶液为无色液体。常用于化学反应的催化剂。分子式CH3ReO3，其结构如式1所示。分子量249.24。
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。
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，所述阳极修饰层由阳极修饰材料甲基三氧化铼制备而成，甲基三氧化铼膜的厚度为10 -500?。
上述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）在透明导电阳极层上以转速为1000-5000rpm旋涂甲基三氧化铼溶液，形成甲基三氧化铼膜；
（2）将上述旋涂好的甲基三氧化铼膜在20-250℃下烘烤1分钟到48小时，然后经紫外臭氧处理1分钟到1小时，得到阳极修饰层；
步骤（1）中，甲基三氧化铼溶液中甲基三氧化铼的浓度为1-10mg/mL；其中溶剂为异丙醇、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：阳极修饰层为甲基三氧化铼为阳极修饰材料制备而成，将其引入聚合物太阳能电池中，实现了空穴的高效收集；提高ITO的功函，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ITO/甲基三氧化铼/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图2为ITO/甲基三氧化铼/P3HT: PC70BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图3为ITO/甲基三氧化铼/P3HT:IC60BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图4为ITO/甲基三氧化铼/ P3HT:IC60BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图5为ITO/甲基三氧化铼/ P3HT:IC60BA /Ca/Al的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
实施例1
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，对基片进行UVO处理，在5000rpm的转速下旋涂浓度为1mg/ml的甲基三氧化铼异丙醇溶液，空气中常温放置25min，空气中110℃烘烤10分钟，自然冷却，然后再进行紫外臭氧（UVO）处理1分钟，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，甲基三氧化铼膜的厚度为100?。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0.58伏，短路电流为10.28毫安每平方厘米，填充因子为67.5%，转换效率为4.02%。图1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，对基片进行UVO处理，在1000rpm的转速下旋涂浓度为10mg/ml的甲基三氧化铼异丙醇溶液，空气中常温放置25min，空气中110℃烘烤10分钟，自然冷却，然后再进行UVO处理15分钟，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，甲基三氧化铼膜的厚度为100?。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10.40毫安每平方厘米，填充因子为70%，转换效率为4.29%。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，对基片进行UVO处理，在4000rpm的转速下旋涂浓度为7.5mg/ml的甲基三氧化铼异丙醇溶液，空气中常温放置25min，空气中110℃烘烤10分钟，自然冷却，然后再进行UVO处理1小时，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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，甲基三氧化铼膜的厚度为100?。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0.83伏，短路电流为11.527毫安每平方厘米，填充因子为68.76%，转换效率为6.58%。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，对基片进行UVO处理，在3000rpm的转速下旋涂浓度为1.5mg/ml的甲基三氧化铼异丙醇溶液，空气中常温放置25min，空气中110℃烘烤10分钟，自然冷却，然后再进行UVO处理3分钟，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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，甲基三氧化铼膜的厚度为100?。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10.32毫安每平方厘米，填充因子为77.5%，转换效率为6.72%。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，对基片进行UVO处理，在2500rpm的转速下旋涂浓度为2mg/ml的甲基三氧化铼异丙醇溶液，空气中常温放置25min，空气中110℃烘烤10分钟，自然冷却，然后再进行UVO处理5分钟，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20纳米的钙和100nm的铝作阴极。所得的聚合物太阳能电池中，甲基三氧化铼膜的厚度为100?。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11.32毫安每平方厘米，填充因子为72.3%，转换效率为6.96%。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。

Claims (3)

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：所述阳极修饰层由阳极修饰材料甲基三氧化铼制备而成，甲基三氧化铼膜的厚度为
2.权利要求1所述的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)在透明导电阳极层上以转速为1000-5000rpm旋涂甲基三氧化铼溶液，形成甲基三氧化铼膜；
(2)将上述旋涂好的甲基三氧化铼膜在110℃下烘烤10分钟，然后经紫外臭氧处理1分钟到1小时，得到阳极修饰层。
3.根据权利要求2所述的修饰方法，其特征在于：步骤(1)中，甲基三氧化铼溶液中甲基三氧化铼的浓度为1-10mg/mL；其中溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的一种以上。
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