CN104022167A - 一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料及其修饰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚合物太阳电池材料领域，特别涉及一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料及其修饰方法。本发明通过旋涂将甲醇钽溶液加工在光电活性层或阴极层之上，形成甲醇钽膜，得到阴极修饰层。本发明将甲醇钽引入太阳能电池中取代原有活泼低功函金属，可选择性的收集电子，阻挡空穴，与活性层之间可形成欧姆接触，使器件的开路电压达到最优值，且具有光学间隔作用，使得内部光电场重新分配，从而增强光吸收，在聚合物太阳能电池中表现出优异的性能。本发明的聚合物太阳电池阴极修饰层的制备也具有工艺简单，成本低廉，实验重复性好，适合于大规模工业化生产等特点。

Description

一种醇溶性聚合物太阳电池阴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电池材料领域，特别涉及一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料及其修饰方法。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的物质基础。近几十年，能源问题一直是举世瞩目的重大问题。无论短时期内常规能源供求关系发生什么变化，从未来较长的时期考虑，目前储量有限的常规能源毫无疑问地会逐步趋于衰减。人类为了生存与可持续发展，必须寻求可替代常规能源的新的能源。利用太阳辐射能是其可供选择的目标之一。人类进入21世纪之后，探索、开发、利用太阳能的步伐和力度都在加大。太阳能作为一种清洁能源，具有取之不尽，用之不竭，并且对生态环境的影响很小，是一种理想的清洁能源。
常规的硅基太阳能光伏发电的研究和应用在过去的几十年中取得了巨大的发展，然而高成本及质量、体积较大等缺点限制了其大范围推广与灵活应用。近年来兴起的聚合物太阳电池光伏技术成为了学术界和工业界关注的焦点，由于其柔性、成本低的明显特点，这一技术能够很好地解决传统光伏技术现存的不足。目前报道的聚合物太阳电池性能的提高主要得益于新型光伏材料的开发和活性层纳米尺度形貌的调控。此外，聚合物太阳电池的性能还器件中电极界面的影响。因此，聚合物太阳电池在活性层和电极间通常具有电极界面修饰层，这些修饰层对于电荷提取和收集起着至关重要的作用。
甲醇钽为无色液体，分子量为336.11，分子式C5H15O5Ta，熔点50℃。本发明首次将它用于聚合物太阳能电池，经过一些简单而特殊的处理，发现它是性能很好的阴极修饰层材料。甲醇钽的结构式如图2所示。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料及其修饰方法。
一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料，所述醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料为甲醇钽。
一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料的修饰方法，通过旋涂将甲醇钽溶液加工在光电活性层或阴极层之上，形成甲醇钽膜，得到阴极修饰层。
所述旋涂的旋涂转速为800rpm～4000rpm。
所述甲醇钽溶液的溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇和水中的一种或多种。
所述甲醇钽溶液中甲醇钽的浓度为0.002mg/mL～2mg/mL。
所述甲醇钽膜的厚度为
本发明的有益效果为：
本发明以甲醇钽为阴极修饰材料，将其引入聚合物太阳能电池中，实现了电子的高效收集，且具有光学间隔作用，增强光吸收，并且与现有的Ca相比，本发明的修饰层具有低的功函数；高的电导和高的电子传输性能，可选择性地收集电子、阻挡空穴且选用溶剂加工的方法，无需蒸镀，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为聚合物太阳电池结构示意图；
图中标号：1-衬底；2-透明导电金属氧化物层；3-阳极修饰层；4-光电活性层；5-阴极修饰层；6-低功函阴极层；7-负载或测试装置；8-金属导线；9-入射光；
图2为甲醇钽结构式；
图3为本发明实施例1所得ITO/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图4为本发明实施例2所得ITO/PEDOT/P3HT:PC60BM/甲醇钽/Al的电流-电压特性曲线；
图5为本发明实施例3所得ITO/PEDOT/P3HT:PC60BM/甲醇钽/Al的电流-电压特性曲线；
图6为本发明实施例4所得ITO/PEDOT/P3HT:PC60BM/甲醇钽/Al的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料及其修饰方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1(对比例)
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，立即放入紫外臭氧表面处理设备(UVO)中处理10min～20min，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT：PSS溶液，在空气中于150℃温度下热退火15分钟，得到阳极修饰层3，所得阳极修饰层3厚度为左右。然后将总浓度为20mg/mL的P3HT与PC60BM(P3HT与PC60BM的质量比为1：1)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于阳极修饰层3上，得到光电活性层4，其厚度约为200nm。最后，在5×10-4帕下真空蒸镀20nm厚的钙和100nm厚的铝。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10.68mA/cm2，填充因子为65％，转换效率为4.14％。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，立即放入紫外臭氧表面处理设备(UVO)中处理10min～20min，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT：PSS溶液，在空气中于150℃温度下热退火15分钟，得到阳极修饰层3，所得阳极修饰层3厚度为左右。然后将总浓度为20mg/mL的P3HT与PC60BM(P3HT与PC60BM的质量比为1：1)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于阳极修饰层3上，得到光电活性层4，其厚度约为200nm。然后在2000rpm的转速下将甲醇钽浓度为0.002mg/mL的甲醇钽的异丙醇溶液直接旋涂在光电活性层4上，作为阴极修饰层5，其厚度为最后，在5×10-4帕下真空蒸镀100nm厚的铝作为低功函阴极层6。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0.61伏，短路电流为10.43mA/cm2，填充因子为65.1％，转换效率为4.12％。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，立即放入紫外臭氧表面处理设备(UVO)中处理10min～20min，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT：PSS溶液，在空气中于150℃温度下热退火15分钟，得到阳极修饰层3，所得阳极修饰层3厚度为左右。然后将总浓度为20mg/mL的P3HT与PC60BM(P3HT与PC60BM的质量比为1：1)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于阳极修饰层3上，得到光电活性层4，其厚度约为200nm。然后在3000rpm的转速下将甲醇钽浓度为3mg/mL的甲醇钽的乙醇溶液直接旋涂在光电活性层4上，作为阴极修饰层5，厚度为最后，在5×10-4帕下真空蒸镀100nm厚的铝作为低功函阴极层6。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0.55伏，短路电流为8.86mA/cm2，填充因子为55.9％，转换效率为2.75％。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。
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，立即放入紫外臭氧表面处理设备(UVO)中处理10min～20min，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT：PSS溶液，在空气中于150℃温度下热退火15分钟，得到阳极修饰层3，所得阳极修饰层3厚度为左右。然后将总浓度为20mg/mL的P3HT与PC60BM(P3HT与PC60BM的质量比为1：1)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于阳极修饰层3上，得到光电活性层4，其厚度约为200nm。然后在3000rpm的转速下将甲醇钽浓度为0.002mg/mL的甲醇钽的异丙醇溶液直接旋涂在光电活性层4上，作为阴极修饰层5，厚度为最后，在5×10-4帕下真空蒸镀100nm厚的铝作为低功函阴极层6。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0.61伏，短路电流为11.32mA/cm2，填充因子为66％，转换效率为4.45％。图6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 (6)

1.一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料，其特征在于：所述醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料为甲醇钽。
2.如权利要求1所述的一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料的修饰方法，其特征在于：通过旋涂将甲醇钽溶液加工在光电活性层或阴极层之上，形成甲醇钽膜，得到阴极修饰层。
3.根据权利要求1所述的一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料的修饰方法，其特征在于：所述旋涂的旋涂转速为800rpm～4000rpm。
4.根据权利要求1所述的一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料的修饰方法，其特征在于：所述甲醇钽溶液的溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇和水中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料的修饰方法，其特征在于：所述甲醇钽溶液中甲醇钽的浓度为0.002mg/mL～2mg/mL。
6.根据权利要求1所述的一种醇溶性聚合物太阳电池阴极修饰材料的修饰方法，其特征在于：所述甲醇钽膜的厚度为
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