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Abstract

一种倒结构聚合物太阳电池，由玻璃衬底、掺锡氧化铟透明导电膜、电子传输层、界面修饰层、有机活性层和MoO3/Ag复合电极依次组成叠层结构，其中电子传输层为掺铝氧化锌薄膜，界面修饰层为聚乙烯吡咯烷酮薄膜，有机活性层为聚3‑已基噻吩‑富勒烯衍生物薄膜。本发明的优点是：采用聚乙烯吡咯烷酮作为倒结构聚合物太阳电池的界面修饰层，使有机活性层材料与无机电子传输层材料之间形成紧密的接触，可有效降低器件的串联电阻并提升并联电阻，使载流子被有效的收集，减少载流子复合，显著提高电池填充因子以及电池的能量转换效率；在不增加成本的前提下，有利于实现商业化大面积生产，从而加快该类型太阳电池的产业化进程，满足社会需求。

Description

一种倒结构聚合物太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是一种倒结构聚合物太阳电池及其制备方法。
背景技术
近年来，有机倒结构聚合物太阳电池，多采用无机金属氧化物，如ZnO、掺铝氧化锌(AZO），作为电子传输层，由于其无毒，价格低廉，出色的稳定性，高电子迁移率和可见光波段的高透过特性，参见J. Huang, Z. Yin, Q. Zheng, Applications of ZnO in organicand hybrid solar cells, Energy & Environmental Science,4(2011) 3861–3877。由于ZnO（或AZO）与有机活性层材料的表面能不同，两者之间的接触界面质量差，使得倒结构聚合物太阳电池的串联电阻增加，电池填充因子低下。为了优化接触界面质量，采用自主装单分子层(self-assembled monolayer, SAM), 或采用磷酸根修饰的 (phosphonic acid-anchored) C60 SAMs修饰ZnO（或AZO）电子传输层, 能够通过改变不同材料之间的可湿性或附着力来控制材料界面特性，参见H.-L. Yip, S.K. Hau, N.S. Baek, et al. Appl.Phys. Lett. 92(2008)193313和T. Stubhan, M. Salinas, A. Ebel, et al. Adv.Energy Mater. 2 (2012) 532-535，从而有效改善界面的接触质量，提高倒结构聚合物太阳电池的填充因子和能量转换效率。然而，这些界面修饰材料需要进行分子设计和化学合成，不但增加电池的制备成本，而且部分自主装单分子层具有腐蚀性，与其上下层接触材料之间的相互兼容性在制备电池器件时，特别需要谨慎考虑，参见S.K. Hau, Y.-J. Cheng,H.-L. Yip, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2 (2010) 1892-1902。 因此，提高有机聚合物倒结构太阳电池性能迫切需要价格低廉、制备工艺简单并且安全无腐蚀性的界面修饰材料。
本发明根据聚合物倒结构太阳电池界面修饰材料的研究现状，提供一种无需分子设计化学合成，制备方法方便快捷，价格低廉，并且可在室温下空气中大面积制备的界面修饰材料——聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。聚乙烯吡咯烷酮是一种水溶性聚合物，具有两亲特性(amphiphilic character)。 由于具有出色的溶解性、成膜性、生理相容性、黏合性、一定的表面活性以及安全无毒、无腐蚀性等特性，聚乙烯吡咯烷酮在医疗卫生，日用化妆以及工业生产等领域已经得到了广泛的应用，参见F. Fischer, S. Bauer, Chem. in unsererZeit, 43 (2009) 376-383和C. Doneux, R. Caudano, J. Delhalle, et al. Langmuir,13 (1997) 4898-4905。
本发明提供了聚乙烯吡咯烷酮薄膜应用于倒结构聚合物太阳电池的制备方法，区别于其他界面修饰材料，主要有三个显著优势：第一，聚乙烯吡咯烷酮已经得到商业化量产、价格低廉，无需分子设计与化学合成；第二，聚乙烯吡咯烷酮安全无毒、无腐蚀性，与上层有机活性层材料和下层ITO电极之间能够兼容；第三，溶液过程的聚乙烯吡咯烷酮薄膜可以在室温下空气中制备，制备成本低廉，并与大面积卷对卷(roll-to-roll)商业化生产工艺相兼容。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种制备方法简单、易控制、制造成本低、并能在室温下空气中大面积制备的倒结构聚合物太阳电池及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种倒结构聚合物太阳电池，由玻璃衬底、掺锡氧化铟（ITO）透明导电膜、电子传输层、界面修饰层、有机活性层和MoO3/Ag复合电极依次组成叠层结构，其中电子传输层为掺铝氧化锌薄膜，界面修饰层为聚乙烯吡咯烷酮薄膜，有机活性层为聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜。
所述掺铝氧化锌(AZO）薄膜的掺杂量为1.0 at%，薄膜厚度为20nm；聚乙烯吡咯烷酮薄膜的厚度为9 nm；聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜的厚度为180nm，聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜中聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物的质量比为 1:0.8；MoO3/Ag复合电极中MoO3厚度为3 nm，Ag电极厚度为100 nm。
一种所述倒结构聚合物太阳电池的制备方法，步骤如下：
1）将Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和Al (NO3)3• 9H2O 溶解在浓度为3.4wt%d 乙醇溶液中，加入稳定剂乙醇胺，将配置好的混合液在70 ℃下搅拌2 h，待溶液清澈透明后继续在室温下陈化24 h，制得前驱液，将该前驱液旋涂在掺锡氧化铟（ITO）透明导电膜-玻璃衬底上，在转速为2000 rpm下旋涂为40 s，然后在300 ℃热板上加热10 min，制得电子传输层掺铝氧化锌薄膜；
2）将聚乙烯吡咯烷酮溶解在浓度为0.2wt%d 乙醇溶液中, 50 ℃ 条件下搅拌30min ，将得到的的溶液旋涂在上述掺铝氧化锌薄膜上，在转速为 800 rpm 下旋涂为20 s，制得界面修饰层聚乙烯吡咯烷酮薄膜；
3）将聚3-已基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)溶解在氯仿中配置成活性层溶液，再将活性层溶液旋涂在上述聚乙烯吡咯烷酮薄膜上，在转速为600 pm 下旋涂20 s，然后在120 ℃热板上退火处理10 min,制得有机活性层聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜，再将其放入镀膜机中，采用常规蒸镀方式在10-4 Pa条件下蒸镀MoO3/Ag电极，即可制得倒结构聚合物太阳电池。
所述Zn (CH3CO2)2• 2H2O)、Al (NO3)3• 9H2O、乙醇溶液和乙醇胺的用量比为0.5g、0.001g、20mL和0.1mL。
所述聚乙烯吡咯烷酮与乙醇溶液的用量比为0.016g：10mL。
所述聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物的质量比为 1:0.8；聚3-已基噻吩与氯仿用量比为10mg：1mL。
本发明的有益效果是：采用聚乙烯吡咯烷酮作为倒结构聚合物太阳电池的界面修饰层，使有机活性层材料与无机电子传输层材料之间形成紧密的接触，可有效降低器件的串联电阻并提升并联电阻，使载流子被有效的收集，减少载流子复合，显著提高电池填充因子以及电池的能量转换效率；在不增加成本的前提下，有利于实现商业化大面积生产，从而加快该类型太阳电池的产业化进程，满足社会需求。
【附图说明】
附图为倒结构聚合物太阳电池结构示意图。
图中：1.玻璃衬底 2. 掺锡氧化铟透明导电膜 3.电子传输层
4.界面修饰层 5.有机活性层 6. MoO3/Ag复合电极。
【具体实施方式】
实施例：
一种倒结构聚合物太阳电池，如附图所示，由玻璃衬底1、掺锡氧化铟透明导电膜2、电子传输层3、界面修饰层4、有机活性层5和MoO3/Ag复合电极6依次组成叠层结构，其中电子传输层3为掺铝氧化锌薄膜，界面修饰层4为聚乙烯吡咯烷酮薄膜，有机活性层5为聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜；所述掺铝氧化锌薄膜的掺杂量为1.0 at%，薄膜厚度为20nm；聚乙烯吡咯烷酮薄膜的厚度为9 nm；聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜的厚度为180nm，聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜中聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物的质量比为 1:0.8；MoO3/Ag复合电极中MoO3厚度为3 nm，Ag电极厚度为100 nm。
所述倒结构聚合物太阳电池的制备方法，步骤如下：
1）将0.5克Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和0.001克Al (NO3)3• 9H2O 溶解在浓度为3.4wt%d 乙醇溶液中，加入0.1 mL稳定剂乙醇胺，将配置好的混合液在70 ℃下搅拌2 h，待溶液清澈透明后继续在室温下陈化24 h，制得前驱液，将该前驱液旋涂在掺锡氧化铟（ITO）透明导电膜-玻璃衬底上，在转速为2000 rpm下旋涂为40 s，然后在300 ℃热板上加热10min，制得厚度为20nm的电子传输层掺铝氧化锌薄膜；
2）将0.016克聚乙烯吡咯烷酮溶解在10 mL浓度为0.2wt%d 乙醇溶液中, 50 ℃条件下搅拌30 min ，将得到的的溶液旋涂在上述掺铝氧化锌薄膜上，在转速为 800 rpm下旋涂为20 s，制得厚度为9 nm的界面修饰层聚乙烯吡咯烷酮薄膜；
3）将聚3-已基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)溶解在氯仿中配置成活性层溶液，聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物的质量比为 1:0.8，聚3-已基噻吩与氯仿用量比为10mg：1mL，再将活性层溶液旋涂在上述聚乙烯吡咯烷酮薄膜上，在转速为600 pm 下旋涂20 s，然后在120 ℃热板上退火处理10 min,制得厚度为180nm的有机活性层聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜，再将其放入镀膜机中，采用常规蒸镀方式在10-4 Pa条件下蒸镀MoO3/Ag电极，即可制得倒结构聚合物太阳电池。
检测表明：该倒结构聚合物太阳电池的能量转换效率达到4.08%（Jsc=11.57 mA/cm2，Voc=0.63 V, FF=0.56），该电池的能量转换效率得到显著的提高。

Claims (6)

1.一种倒结构聚合物太阳电池，其特征在于：由玻璃衬底、掺锡氧化铟透明导电膜、电子传输层、界面修饰层、有机活性层和MoO3/Ag复合电极依次组成叠层结构，其中电子传输层为掺铝氧化锌薄膜，界面修饰层为聚乙烯吡咯烷酮薄膜，有机活性层为聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜。
2.根据权利要求1所述倒结构聚合物太阳电池，其特征在于：所述掺铝氧化锌薄膜的掺杂量为1.0 at%，薄膜厚度为20nm；聚乙烯吡咯烷酮薄膜的厚度为9 nm；聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜的厚度为180nm，聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜中聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物的质量比为 1:0.8；MoO3/Ag复合电极中MoO3厚度为3 nm，Ag电极厚度为100 nm。
3.一种如权利要求1所述倒结构聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）将Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和Al (NO3)3• 9H2O 溶解在浓度为3.4wt%d 乙醇溶液中，加入稳定剂乙醇胺，将配置好的混合液在70 ℃下搅拌2 h，待溶液清澈透明后继续在室温下陈化24 h，制得前驱液，将该前驱液旋涂在掺锡氧化铟透明导电膜-玻璃衬底上，在转速为2000 rpm下旋涂为40 s，然后在300 ℃热板上加热10 min，制得电子传输层掺铝氧化锌薄膜；
2）将聚乙烯吡咯烷酮溶解在浓度为0.2wt%d 乙醇溶液中, 50 ℃ 条件下搅拌30 min，将得到的的溶液旋涂在上述掺铝氧化锌薄膜上，在转速为 800 rpm 下旋涂为20 s，制得界面修饰层聚乙烯吡咯烷酮薄膜；
3）将聚3-已基噻吩和富勒烯衍生物溶解在氯仿中配置成活性层溶液，再将活性层溶液旋涂在上述聚乙烯吡咯烷酮薄膜上，在转速为600 pm 下旋涂20 s，然后在120 ℃热板上退火处理10 min,制得有机活性层聚3-已基噻吩-富勒烯衍生物薄膜，再将其放入镀膜机中，采用常规蒸镀方式在10-4 Pa条件下蒸镀MoO3/Ag电极，即可制得倒结构聚合物太阳电池。
4.根据权利要求3所述倒结构聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述Zn(CH3CO2)2• 2H2O)、Al (NO3)3• 9H2O、乙醇溶液和乙醇胺的用量比为0.5g、0.001g、20mL和0.1mL。
5.根据权利要求3所述倒结构聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮与乙醇溶液的用量比为0.016g：10mL。
6.根据权利要求3所述倒结构聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物的质量比为 1:0.8；聚3-已基噻吩与氯仿用量比为10mg：1mL。
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