CN103227288B - 一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法，其结构包括衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，表面修饰层，光活性层，阴极缓冲层，金属电极。在有机薄膜太阳能电池的阳极缓冲层表面制备了一层表面修饰层；喷涂光活性层过程中采用原位退火工艺对薄膜进行处理。解决了有机薄膜太阳能电池阳极缓冲层与光活性层之间附着性差的问题；基于喷涂工艺制备的光活性层表面粗糙度大的问题，有效地提高了器件的光电转换效率及器件的制备效率。

Description

一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球能源需求量的逐年增加，能源问题己成为各国经济发展所要面临的首要难题。国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。与无机材料相比，有机材料不仅材料本身的生产条件相对温和，有机分子的化学结构容易修饰，而且以此来制作光电池时，也满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求，目前己经成为国内外研究的热点之一。20世纪80年代中期，C. W. Tang等人提出了用双层异质结器件结构模仿无机太阳能电池，效率达到1%，有机太阳能电池的研究出现了一个里程碑式的突破。20 世纪90 年代随着薄膜技术的迅猛发展，例如喷涂制膜技术在薄膜塑料工业中的应用，有机太阳能电池的研究进入了一个新的时代，电池的制备与光电转换效率得到了有效地改善和提高。有机薄膜太阳能电池使用最为广泛的制备方法是旋涂法。但此方法材料浪费严重，无法实现大规模集成化器件的生产。因此，随着对薄膜太阳能电池工业化生产的需求愈加强烈，喷涂法相比较于其他湿法制膜技术(如滴涂法、卷对卷印刷法)，拥有设备需求简单、可应用于大面积太阳能电池制备、生产效率高等优势，近几年被人们所重点关注。
目前，喷涂工艺的研究尚处于初级阶段，主要问题有：喷涂所成薄膜表面粗糙度大，难于控制；喷涂所成薄膜均匀性差，空隙较多。最近通过我们的研究表明，通过引入原位退火工艺，对薄膜形貌进行了有效的优化。相比于传统的后退火或溶剂退火工艺，原位退火工艺主要的优势：提高器件制作效率；平衡薄膜表面溶剂挥发的速度，使薄膜表面粗糙度降低，提高器件性能。但原位退火仍存在以下问题：由于阳极缓冲层和光活性层亲水性不同，导致光活性层液滴在阳极缓冲层表面分散不均匀或团聚，导致器件性能的下降；原位退火过程中不同溶剂挥发的速率不同，导致光活性层溶质在与阳极缓冲层接触的的界面分布不均匀，附着力差，影响载流子的传输，降低器件的短路电流。因此，基于原位退火工艺，对阳极缓冲层与光活性层界面进行修饰，对提高喷涂有机薄膜太阳能电池起到了至关重要的作用。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法，目的是：(1)降低喷涂的光活性层的表面粗糙度;(2)提高阳极缓冲层和光活性层的附着力;(3)修饰光活性层薄膜形貌，提高器件效率；(4)提高器件制备效率。
本发明的技术方案为：一种有机薄膜太阳能电池，该太阳能电池结构从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，表面修饰层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述表面修饰层厚度为0.5～5nm，表面修饰层材料的质量百分比组成为：
阴离子表面活性剂0.1~5%
二甲基亚砜      1~10%
聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)   85~98%。
进一步地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基聚氧乙醚硫酸钠、乙氧基烷基硫酸钠、乙氧基烷基硫酸铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸铵、十二烷基硫酸三乙醇胺、N-酰基谷氨酸钠、醇醚羧酸钠、单烷基醚磷酸酯钠、直链烷基苯磺酸钠、a-烯基磺酸钠、单价羧酸钠、脂酰基乳酰乳酸钠、单烷基磷酸酯、己基甲基萘磺酸钠、辛基甲基萘磺酸钠、癸基甲基萘磺酸钠、十二烷基甲基萘磺酸钠或十四烷基甲基萘磺酸钠中的一种或多种。
进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT︰PSS，厚度为10~80 nm。
进一步地，所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM混合制备而成，所述P3HT︰PCBM混合溶液质量组分比为1:20~5:1，所述溶液浓度为1~20 mg/ml，厚度为50~300 nm。
进一步地，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen或LiF，厚度为1~10 nm。
进一步地，所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu，金属阴极厚度为100~300 nm。
进一步地，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
本发明还公开了一种上述所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；
在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂PEDOT︰PSS溶液制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；
在阳极缓冲层上旋转涂覆、印刷或喷涂表面修饰层；
在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液制备光活性层，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理；
在光活性层表面蒸镀，旋转涂覆或喷涂阴极缓冲层；
在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。
进一步地，喷涂光活性层过程中，将基片置于恒温热台上，调控温度保持恒定。
进一步地，喷涂P3HT:PCBM溶液，根据溶剂不同，设定不同的热台温度，其范围在20℃~150℃。
本发明的优点在于：（1）在阳极缓冲层与光活性层中间插入一层表面修饰层，通过表面修饰层降低喷涂光活性层与阳极缓冲层的接触压力，降低了光活性层表面的粗糙度；(2)通过表面修饰层的双极性，有效地提高了阳极缓冲层和光活性层直接的附着力；(3)采用原位退火工艺，有效地改善光活性层的结晶性，提高载流子传输能力，提高器件的光电转换效率；(4)传统喷涂工艺中需对光活性层进行后退火处理，占用大量时间。而采用原位退火工艺，在喷涂制备薄膜的同时对光活性层进行退火处理，节约了后退火工艺的处理时间，大大地提高了器件制备的效率。(5)本发明所制备的器件超薄，除去衬底厚度外，器件总厚度不超过500 nm。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种有机薄膜太阳能电池结构，从下到上依次为：衬底(1)，透明导电阳极ITO(2)，阳极缓冲层(3)，表面修饰层(4)，光活性层(5)，阴极缓冲层(6)，金属阴极(7)。
图2（a）是喷涂有机薄膜太阳能电池光活性层表面粗糙度曲线（无表面修饰层），图2（b）是喷涂有机薄膜太阳能电池光活性层表面粗糙度曲线（表面修饰层）；从图2(a)与图2(b)的对比看出，没有经表面修饰层修饰的光活性层表面粗糙度大，高低落差为16 nm；而经表面修饰层修饰的光活性层表面粗糙度大大下降，高低落差仅为2 nm。
图3是太阳能电池电流电压特性曲线。原位退火工艺在改善光活性层结晶特性，提高了器件光电转换效率，同时提高了器件制作的效率。
具体实施方式
本发明器件的具体结构如图1所示，器件结构从下到上依次为：衬底(1)，透明导电阳极ITO(2)，阳极缓冲层(3)，表面修饰层(4)，光活性层(5)，阴极缓冲层(6)，金属阴极(7); 所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种；所述阳极缓冲层材料为PEDOT︰PSS，薄层厚度为10~80nm；所述的表面修饰层制备溶液为以下质量百分比的组分：
阴离子表面活性剂      01~5%
二甲基亚砜      1~10%
聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)   85~98%
所述表面修饰层厚度为0.5~5 nm；光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM混合制备而成，所述P3HT:PCBM混合溶液质量组分为：1:20~5:1，所述溶液浓度为1~20 mg/ml，所制备薄层厚度为50~300 nm；所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen或LiF，所述薄层厚度为1~10 nm；所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu，薄层厚度为100~300 nm。测量时，太阳光从衬底面入射，电极阴阳极与测试电路阴阳极相连，测试器件的电压电流测试曲线。
实施例1：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆PEDOT︰PSS溶液(2500rpm,60s)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰（阴离子表面活性剂组分为：十二烷基硫酸钠）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,二氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(55 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.62V，短路电流(JSC)=0.93 mA/cm2，填充因子(FF)=0.53，光电转换效率(PCE)=3.11%。
实施例2：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆PEDOT︰PSS溶液(2500rpm,60s)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰层（阴离子表面活性剂组分为：十二烷基苯磺酸钠）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,二氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(45 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.6V，短路电流(JSC)=0.9 mA/cm2，填充因子(FF)=0.53，光电转换效率(PCE)=2.86%。
实施例3：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆PEDOT︰PSS溶液(2500rpm,60s)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰层（阴离子表面活性剂组分为：十二烷基硫酸钠）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,二氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(65 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.6V，短路电流(JSC)=0.77 mA/cm2，填充因子(FF)=0.52，光电转换效率(PCE)=2.40%。
实施例4：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆PEDOT︰PSS溶液(2500rpm,60s)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰层（阴离子表面活性剂组分为：十二烷基硫酸铵）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(35 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.65V，短路电流(JSC)=0.88 mA/cm2，填充因子(FF)=0.55，光电转换效率(PCE)=3.15%。
实施例5：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆PEDOT︰PSS溶液(2500rpm,60s)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰层（阴离子表面活性剂组分为：十二烷基苯磺酸钠）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(45 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.62V，短路电流(JSC)=0.82 mA/cm2，填充因子(FF)=0.53，光电转换效率(PCE)=2.69%。
实施例6：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆PEDOT︰PSS溶液(2500rpm,60s)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰层（阴离子表面活性剂组分为：乙氧基烷基硫酸钠）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(55 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.60V，短路电流(JSC)=0.78 mA/cm2，填充因子(FF)=0.50，光电转换效率(PCE)=2.34%。
实施例7：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面喷涂PEDOT︰PSS溶液制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；在阳极缓冲层上喷涂表面修饰层（阴离子表面活性剂组分为：十二烷基硫酸钠）(3 nm)；在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液(质量比1:1,氯苯为溶剂)制备光活性层(200 nm)，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理(35 ℃)；在光活性层表面蒸镀阴极缓冲层BPhen(7 nm)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.62V，短路电流(JSC)=0.85 mA/cm2，填充因子(FF)=0.52，光电转换效率(PCE)=2.74%。
表1：基于不同表面活性剂的器件性能参数表
阴离子表面活性剂 光活性层质量配比 光活性层溶剂 Voc（V） Jsc(mA/cm2) FF PCE(%)
十二烷基硫酸钠 01:01 二氯苯 0.62 0.93 0.53 3.11
十二烷基苯磺酸钠 01:01 二氯苯 0.6 0.9 0.53 2.86
十二烷基硫酸钠 01:01 二氯苯 0.6 0.77 0.52 2.4
十二烷基硫酸铵 01:01 氯苯 0.65 0.88 0.55 3.15
十二烷基苯磺酸钠 01:01 氯苯 0.62 0.82 0.53 2.69
乙氧基烷基硫酸钠 01:01 氯苯 0.6 0.78 0.5 2.34
十二烷基硫酸钠 01:01 氯苯 0.62 0.85 0.52 2.74

Claims (10)

1.一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池结构从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，表面修饰层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述表面修饰层厚度为0.5～5nm，表面修饰层材料的质量百分比组成为：
阴离子表面活性剂0.1～5%
二甲基亚砜      1～10%
聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)   85～98%。
2.根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基聚氧乙醚硫酸钠、乙氧基烷基硫酸钠、乙氧基烷基硫酸铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸铵、十二烷基硫酸三乙醇胺、N-酰基谷氨酸钠、醇醚羧酸钠、单烷基醚磷酸酯钠、直链烷基苯磺酸钠、α-烯基磺酸钠、单价羧酸钠、脂酰基乳酰乳酸钠、单烷基磷酸酯、己基甲基萘磺酸钠、辛基甲基萘磺酸钠、癸基甲基萘磺酸钠、十二烷基甲基萘磺酸钠或十四烷基甲基萘磺酸钠中的一种或多种。
3. 根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层材料为PEDOT︰PSS，厚度为10～80 nm。
4. 根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM混合制备而成，所述P3HT︰PCBM混合溶液质量组分比为1:20～5:1，所述混合溶液浓度为1～20 mg/ml，厚度为50～300 nm。
5. 根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen或LiF，厚度为1～10 nm。
6.根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu，金属阴极厚度为100～300 nm。
7. 根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
8. 一种根据权利要求1-7任一项所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基片进行清洗，清洗后用氮气吹干；
在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂PEDOT︰PSS溶液制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤；
在阳极缓冲层上旋转涂覆、印刷或喷涂表面修饰层；
在表面修饰层上喷涂P3HT:PCBM有机溶液制备光活性层，在喷涂溶液的过程中对基片进行原位退火处理；
在光活性层表面蒸镀，旋转涂覆或喷涂阴极缓冲层；
在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。
9.根据权利要求8所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：喷涂光活性层过程中，将基片置于恒温热台上，调控温度保持恒定。
10. 根据权利要求9所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：喷涂P3HT:PCBM溶液，根据溶剂不同，设定不同的热台温度，其范围在20℃～150℃。
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《significant conductivity enhancement of condutive poly(3,4-ethlenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) films by adding anionic surfactants into solution》;Benhu Fan, et al.;《Macromolecules》;20080723;第41卷(第16期);5971-5973 *

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