CN102983275A

CN102983275A - 具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN102983275A
Application number: CN2012105629913A
Authority: CN
Inventors: 郭文滨; 武建; 沈亮; 阮圣平; 刘彩霞; 董玮; 张歆东; 陈维友
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明属于聚合物太阳能电池领域，具体涉及一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池。本发明所述结构的器件，由阴极、电子传输层、有源层、空穴传输层和阳极构成，其特点在于所用的空穴传输层不采用传统的真空热蒸镀方法，而是采用溶液处理的方法旋涂在有源层之上。所用的空穴传输层材料为五氧化二钒，其经过水热法处理后能够形成纳米线结构，并且能够较好的分散到异丙醇溶液中，从而可以通过旋涂成膜的方式作为聚合物太阳能电池的空穴传输层。利用本方法制备的太阳能电池器件，制备工艺更加简单方便，可制备大面积的太阳能电池器件，而且可以极大的减少制备过程中对能源的消耗。

Description

具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的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，具体涉及一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池由于其材料来源广泛、低成本、柔性、可大面积制备等优点成为近年来极具吸引力的研究课题。传统反型聚合物太阳能电池结构由阴极、电子传输层、有源层、空穴传输层和阳极构成，而空穴传输层都采用真空热蒸镀的方法蒸镀到有源层的表面。但是真空热蒸镀空穴传输层有很多缺点，例如在蒸镀的过程将极大的消耗能源，并且蒸镀空穴传输层后蒸镀腔体内不可避免还将残存空穴传输层材料的小颗粒，这将对下一步阳极的蒸镀造成一定的影响。另外空穴传输层一般比较薄，在几纳米左右，热蒸镀时速度相对难于控制，厚度的控制相对不容易掌握，很容易蒸厚，从而使得器件的串联电阻增大，导致光生电流减少，器件能量转换效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池及其制备方法，经水热合成法合成的五氧化二钒溶于异丙醇后采用旋涂成膜的方式来取代真空热蒸镀法蒸镀五氧化二钒薄膜，从而使操作更加简单方便，而且极大降低能源的消耗。

本发明所制备的聚合物太阳能电池，从下至上，依次由作为衬底和阴极的ITO导电玻璃、TiO₂电子传输层、P3HT:PCBM有源层、V₂O₅空穴传输层、Ag阳极组成，即结构为ITO/TiO₂/P3HT:PCBM/V₂O₅/Ag。

本发明中的空穴传输层五氧化二钒采用水热合成法制得，制得的产物具有纳米线状结构，能增大空穴传输层与有源层之间的接触面积，从而更利于传输空穴。得到的五氧化二钒溶于异丙醇溶液后，将其旋涂到活性层后进行退火处理，退火后形成良好的薄膜，与有源层接触良好，可以减少太阳能电池的串联电阻。本发明中用旋涂成膜的方法得到空穴传输层薄膜，与传统的真空热蒸镀法比较，操作更加简单方便，并且能够减少能源的消耗。

本发明所述的水溶性五氧化二钒的制备方法，其步骤与条件如下：

在室温条件下，将0.3~0.4g五氧化二钒（北京化工厂）粉末与30~40mL去离子水混合，磁力搅拌5~10min，然后倒入5~8mL、质量分数30%的过氧化氢（北京化工厂）溶液，再持续搅拌30~40min，得到橙黄色的溶液；将得到的溶液倒入50mL反应釜中，放入烘箱中在180℃下反应70~80h；将得到的产物分别用无水乙醇（北京化工厂）和去离子水离心清洗多次，然后在真空烘箱中80~100℃下干燥10~12h，最后在空气中400~500℃下退火1~2h得到淡黄色的水溶性的五氧化二钒；制得的五氧化二钒具有纳米线状结构，能很好地分散到异丙醇（北京化工厂）溶液中，溶液呈淡黄色。

本发明所述具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池的制备方法，其步骤与条件如下：

1)将ITO导电玻璃（深圳南玻集团）放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20~30min，清洗后用氮气吹干，放入培养皿中；

2)室温下将10~20mL的钛酸四丁酯（北京益利化工厂）滴加到90~100mL的无水乙醇（北京化工厂）中，再滴加10~20mL的冰乙酸（北京化工厂），磁力搅拌30~40min，得到均匀透明的淡黄色溶液；然后加入10~20mL的乙酰丙酮（天津化学试剂厂），搅拌20~30min，再将10~20mL去离子水以2~4mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌1~2h，得到均匀透明的淡黄色溶胶，放置陈化6~8h，制得的TiO₂溶胶；将制得的TiO₂溶胶旋涂在步骤1）的ITO玻璃表面，旋涂速度为3000~5000rpm；然后将带有TiO₂溶胶的ITO导电玻璃放入马弗炉中，在450~600℃条件下焙烧2~3h，随后关闭电源让炉内自然降温10～12h，即可在ITO上制得TiO₂电子传输层，电子传输层的厚度为30~50nm；

3)室温条件下，将给体材料P3HT（Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，聚3己基噻吩，Nichem精密科技有限公司）与受体材料PCBM（[6,6]-phenyl-C61–butyric acid methyl ester，富勒烯衍生物，Nichem精密科技有限公司）按照质量比1：1溶于有机溶剂二氯苯（北京百灵威公司）中，配置成15~20mg/mL的溶液，然后在600~1000rpm的速度下搅拌24~48h，即可配置成P3HT:PCBM的混合溶液；

4)在TiO₂电子传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液，转速为800～1200rpm；然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以160~200℃退火30~50min，从而在TiO₂电子传输层上制得P3HT:PCBM有源层，厚度为200~300nm；

5)在P3HT:PCBM有源层上旋涂制得的水溶性五氧化二钒，转速为800～1200rpm；然后将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以80~120℃退火10~20min，从而在P3HT:PCBM有源层上制得五氧化二钒空穴传输层，空穴传输层的厚度为10～30nm；

6)将样品取出，放入SD400B型多源控温有机气相分子沉积系统中，在压强为1×10^-4~5×10^-4Pa下，在五氧化二钒空穴传输层上蒸镀Ag（国药集团化学试剂有限公司）电极，厚度为80~120nm，生长速度为

从而制备得到具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池。

附图说明

图1：本发明所述聚合物太阳能电池的结构示意图；

图2：本发明实施例1制备的五氧化二钒纳米线的扫描电镜图；

图3：本发明实施例1制备的聚合物太阳能电池的光电流曲线；

图4：本发明实施例1制备的不同浓度五氧化二钒空穴传输层聚合物太阳能电池光电流曲线。

如图1所示，1为ITO导电玻璃作为衬底和阴极，2为TiO₂电子传输层、3为P3HT:PCBM有源层、4为V₂O₅空穴传输层、5为Ag电极。

如图2所示，是V₂O₅电镜图片。从图中可以明显的看出所合成的五氧化二钒形成了纳米现状结构，这有利于增大空穴传输层与有源层之间的接触面积，从而更利于传输空穴。

如图3所示，在100mw/cm²的氙灯光照下测得了V-I特性曲线，我们使用的是Keithley，SMU2601数字源表。曲线a为没有五氧化二钒空穴传输层的太阳能电池的光电流曲线，曲线b为旋涂了浓度为300μg/mL的五氧化二钒空穴传输层（厚度为15nm）的太阳能电池的光电流曲线。从图中我们可以清晰地比较出，本发明制备的太阳能电池，水溶性五氧化二钒空穴传输层使得太阳能电池的性能有了很大的提高。

如图4所示，在100mw/cm²的氙灯光照下测得了V-I特性曲线，我们使用的是Keithley，SMU2601数字源表。本发明为了优化电池性能，对不同浓度空穴传输层旋涂后的器件性能进行了比较。曲线a、b、c、d分别代表旋涂100μg/mL、200μg/mL、300μg/mL、400μg/mL（成膜厚度分别为5nm、10nm、15nm、22nm）的五氧化二钒溶液成膜后器件的光电流曲线。从图中我们可以看出，当五氧化二钒浓度从100μg/mL到300μg/mL增加时，器件的性能也随之增加。当五氧化二钒浓度为300μg/mL时器件的性能最佳。而当五氧化二钒浓度增加到400μg/mL时，器件的性能开始下降。

具体实施方式

实施例1：

1)切割15mm×20mm的ITO导电玻璃，将其放入烧杯中，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20min，清洗后用氮气吹干，放入培养皿中；

2)室温25℃下将10mL的Ti(OC₄H₉)₄滴加到90mL的无水乙醇中，再滴加10mL的冰乙酸，磁力搅拌40min，得到均匀透明的淡黄色溶液；然后加入10mL的乙酰丙酮，搅拌30min，再将10mL去离子水以3mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌1h，得到均匀透明的淡黄色溶胶，防止陈化7h；

3)将TiO₂溶胶旋涂在干净的ITO玻璃表面制备TiO₂薄膜，旋涂速度为3000rpm；然后将带有TiO₂薄膜的ITO导电玻璃放入马弗炉中，在450℃条件下焙烧2h，随后关闭电源让炉内自然降温12h，即可在ITO上制得TiO₂薄膜；

4)室温条件下，将P3HT和PCBM按照质量比1:1溶于有机溶剂二氯苯中，配置成15mg/mL的溶液，然后在600rpm的搅拌速度下搅拌36h，即可配置成质量比为1:1的P3HT:PCBM的混合溶液；

5)在TiO2薄膜上旋涂P3HT:PCBM混合溶液，转速为1000rpm；然后，将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以150℃退火35min，从而在TiO₂薄膜上制得P3HT:PCBM有源层，厚度为200nm；

6)在室温25℃下，将0.36g五氧化二钒粉末与30mL去离子水混合，磁力搅拌10min，然后倒入5mL30%的过氧化氢溶液，再持续搅拌40min，得到橙黄色的溶液；将得到的溶液倒入50mL反应釜中，放入烘箱中在180℃下反应80h；将得到的产物分别用乙醇和去离子水离心清洗多次，然后在真空烘箱中100℃下干燥12h，最后在空气中400℃下退火2h得到淡黄色的水溶性的五氧化二钒；

7)在P3HT:PCBM有源层上旋涂制得的水溶性五氧化二钒，转速为1200rpm；然后将样品放入充满氩气的手套箱中，在热台上以100℃退火15min，从而在P3HT:PCBM有源层上制得五氧化二钒薄膜；

8)将样品取出，放入SD400B型多源控温有机气相分子沉积系统中，在压强为5×10^-4Pa下，在五氧化二钒薄膜上蒸镀Ag电极，厚度为100nm，生长速度为

Claims

1.一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池依次由作为衬底和阴极的ITO导电玻璃、TiO₂电子传输层、P3HT:PCBM有源层、V₂O₅空穴传输层、Ag阳极组成，其中V₂O₅空穴传输层是将由水热合成法合成的V₂O₅溶于异丙醇后采用旋涂成膜的方式制备得到。

2.如权利要求1所述的一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池，其特征在于：TiO₂电子传输层的厚度为30~50nm，P3HT:PCBM有源层的厚度为200~300nm；V₂O₅空穴传输层的厚度为10～30nm，Ag阳极的厚度为80~120nm。

3.一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池的制备方法，其步骤如下：

1)将ITO导电玻璃分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗20~30min，清洗后用氮气吹干；

2)室温下将TiO₂溶胶旋涂在步骤1）的ITO玻璃表面，旋涂速度为3000~5000rpm；然后将带有TiO₂溶胶的ITO导电玻璃放入马弗炉中，在450~600℃条件下焙烧2~3h，随后自然降温10~12h，即可在ITO上制得TiO₂电子传输层，电子传输层的厚度为30~50nm；

3)室温条件下，将P3HT与PCBM按照质量比1：1溶于有机溶剂二氯苯中，配置成15~20mg/mL的溶液，然后在600～1000rpm的速度下搅拌24~48h，即可配置成P3HT:PCBM的混合溶液；

4)在TiO₂电子传输层上旋涂P3HT:PCBM混合溶液，转速为800～1200rpm；然后，将样品以160~200℃退火30~50min，从而在TiO₂电子传输层上制得P3HT:PCBM有源层，厚度为200~300nm；

5)在P3HT:PCBM有源层上旋涂水溶性五氧化二钒，转速为800～1200rpm；然后将样品在80～120℃条件下退火10~20min，从而在P3HT:PCBM有源层上制得五氧化二钒空穴传输层，空穴传输层的厚度为10～30nm；

6)将样品取出，在压强为1×10^-4~5×10^-4Pa下，在五氧化二钒空穴传输层上蒸镀Ag阳极，厚度为80～120nm，生长速度为从而制备得到具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池。

4.如权利要求3所述的一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：TiO₂溶胶的制备是在室温下将10~20mL的钛酸四丁酯滴加到90~100mL的无水乙醇中，再滴加10~20mL的冰乙酸，磁力搅拌30~40min，得到均匀透明的淡黄色溶液；然后加入10~20mL的乙酰丙酮，搅拌20~30min，再将10~20mL去离子水以2~4mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌1~2h，得到均匀透明的淡黄色溶胶，放置陈化6~8h，制得的TiO₂溶胶。

5.如权利要求3所述的一种具有水溶性五氧化二钒空穴传输层的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：水溶性五氧化二钒的制备是在室温下，将0.3~0.4g五氧化二钒粉末与30~40mL去离子水混合，磁力搅拌5~10min，然后倒入5~8mL、质量分数30%的过氧化氢溶液，再持续搅拌30~40min，得到橙黄色的溶液；将得到的溶液倒入50mL反应釜中，在180℃下反应70~80h；将得到的产物分别用无水乙醇和去离子水离心清洗多次，然后在真空烘箱中80~100℃下干燥10~12h，最后在空气中400~500℃下退火1~2h得到淡黄色的水溶性的五氧化二钒。