CN104022228A - 一种非共轭离子型聚合物太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚合物太阳电池技术领域，特别涉及一种非共轭离子型聚合物太阳电池及其制备方法。本发明所提供的正向结构聚合物太阳电池，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、阴极修饰层和金属电极层；反向结构聚合物太阳电池，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物电极层、阴极修饰层、光电活性层、阳极修饰层和金属电极层。其中，所述阳极修饰层为Nafion。可采用旋涂法制备阳极修饰层，将其引入聚合物太阳能电池中，实现了空穴的有效收集和传输，大幅提升在聚合物太阳能电池中的稳定性和适用性。

Description

一种非共轭离子型聚合物太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物太阳电池技术领域，特别涉及一种非共轭离子型聚合物太阳电池及其制备方法。
背景技术
近年来兴起的有机聚合物薄膜太阳电池依靠其材料合成和器件制作成本低廉、功能和结构易于调制、良好柔韧性和成膜性、制作工艺简单等众多优点而备受关注。在传统正向结构本体异质结聚合物太阳电池中，由于阳极ITO的功函较低(4.7eV)，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(5.0eV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，在传统正向结构聚合物太阳能电池结构中PEDOT:PSS会腐蚀与之接触的ITO，降低器件的稳定性和寿命。在反向结构聚合物太阳能电池结构中PEDOT:PSS也很难附着在大部分光电活性层表面，导致界面接触不良，电池效率下降。新型质子导电聚合物Nafion(四氟乙烯与全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物)拥有良好的空穴收集和传输能力，化学性能稳定，全氟化的带有C-F键的碳链骨架使得Nafion在各种化学条件下的稳定性大大优于相应的含有C-H键的碳链骨架的PEDOT:PSS，同时不会腐蚀ITO，C-F键的碳链骨架更容易在有机聚合物表面附着。因此，采用Nafion替代PEDOT:PSS作为阳极修饰层，可大幅提升其在聚合物太阳能电池中的稳定性和电池的通用性。
Nafion，是一种由四氟乙烯与全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物，易溶于水-乙醇、水-异丙醇共混溶液，溶液为无色液体。140℃固化成形。常用于质子交换膜燃料电池、固体酸催化材料等。分子式C7HF13O5S.C2F4，其结构如图1所示。
发明内容
针对现有阳极修饰材料的不足，本发明提供了一种非共轭离子型聚合物太阳电池及其制备方法。
一种非共轭离子型聚合物太阳电池，所述聚合物太阳电池为正向结构聚合物太阳电池或反向结构聚合物太阳电池；所述正向结构聚合物太阳电池中，衬底、透明导电金属氧化物电极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层和金属电极层顺次相连；所述反向结构聚合物太阳电池中，衬底、透明导电金属氧化物电极层、阴极修饰层、光电活性层、阳极修饰层和金属电极层顺次相连；所述阳极修饰层的材质为Nafion(四氟乙烯与全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物)膜材料。
所述Nafion膜的厚度为2nm～100nm。
一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，所述正向结构聚合物太阳电池的制备方法如下：
a.在衬底上制备透明导电金属氧化物电极层作为聚合物太阳电池的阳极；
b.在透明导电金属氧化物电极层上旋涂Nafion与溶剂共混溶液，经低温烘干和高温烘烤固化分步处理，得到阳极修饰层；
c.在阳极修饰层上依次制备光电活性层、阴极修饰层和金属电极层，得到所述正向结构聚合物太阳电池；
所述反向结构聚合物太阳电池的制备方法如下：
a.在衬底上制备透明导电金属氧化物电极层作为聚合物太阳电池的阴极；
b.在透明导电金属氧化物电极层上依次制备阴极修饰层、光电活性层；
c.光电活性层上旋涂Nafion与溶剂共混溶液，经低温烘干和高温烘烤固化分步处理，得到阳极修饰层；
d.在阳极修饰层上制备金属电极层，得到所述反向结构聚合物太阳电池。
在制备过程中，主要利用溶液的浓度来控制Nafion膜的厚度，所述Nafion与溶剂共混溶液中Nafion的浓度为0.1wt％～5wt％。
所述Nafion与溶剂共混溶液的溶剂为乙醇、异丙醇、水和低脂肪醇中的一种或多种。
所述Nafion与溶剂共混溶液的旋涂转速为800rpm～5000rpm。
所述低温烘干的温度为20℃～100℃。
所述高温烘烤固化的温度为130℃～250℃。
所述低温烘干和高温烘烤固化的时间分别为1分钟到48小时。
本发明的有益效果为：
本发明用新型质子导电聚合物Nafion替代PEDOT:PSS作为聚合物太阳能电池的阳极修饰材料，提高了ITO的功函，实现了空穴的高效收集。并且，Nafion拥有良好的空穴传输能力，化学性能稳定，全氟化的带有C-F键的碳链骨架使得Nafion在各种化学条件下的稳定性大大优于相应的含有C-H键的碳链骨架的PEDOT:PSS不会腐蚀ITO。此外，C-F键的碳链骨架更容易在有机聚合物表面附着。因此，采用Nafion替代PEDOT:PSS作为阳极修饰层，可大幅提升其在聚合物太阳能电池中的稳定性和电池的通用性。
附图说明
图1为Nafion结构图，其中：x＝6～7，y≈1000，z＝1，2或3；
图2为本发明正向结构聚合物太阳电池结构示意图；
图3为本发明反向结构聚合物太阳电池结构示意图；
图4为本发明实施例1所得ITO/Nafion(100℃)/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图5为本发明实施例2所得ITO/Nafion(150℃)/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图6为本发明实施例3所得ITO/Nafion(200℃)/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图7为本发明实施例4所得ITO/TIPD/P3HT:PC60BM/Nafion(100℃)/Al的电流-电压特性曲线；
图8为本发明实施例5所得ITO/TIPD/P3HT:PC60BM/Nafion(150℃)/Al的电流-电压特性曲线；
图中标号：1-衬底、2-透明导电金属氧化物电极层、3-阳极修饰层、4-光电活性层、5-阴极修饰层、6-金属电极层。
具体实施方式
本发明提供了一种非共轭离子型聚合物太阳电池及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种非共轭离子型聚合物太阳电池，所述聚合物太阳电池为正向结构聚合物太阳电池或反向结构聚合物太阳电池；所述正向结构聚合物太阳电池中，衬底1、透明导电金属氧化物电极层2、阳极修饰层3、光电活性层4、阴极修饰层5和金属电极层6顺次相连；所述反向结构聚合物太阳电池中，衬底1、透明导电金属氧化物电极层2、阴极修饰层5、光电活性层4、阳极修饰层3和金属电极层6顺次相连；所述阳极修饰层3的材质为Nafion(四氟乙烯与全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物)膜材料。
所述Nafion膜的厚度为2nm～100nm。
实施例1
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1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，将清洗后的溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1在紫外臭氧表面处理设备(UVO)中进行处理，在1000rpm的转速下，在氧化铟锡(ITO)上旋涂Nafion的质量分数为0.25％的Nafion的水-乙醇(水和乙醇的体积比为1：1)溶液，在空气中常温放置25min，在空气中于60℃温度下烘干10分钟，再在100℃温度下烘烤固化5分钟，自然冷却，得到阳极修饰层3。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上述阳极修饰层3上，作为光电活性层4，其厚度约为200nm。最后，在5×10-5帕下，在光电活性层4上依次分别真空蒸镀20nm厚的钙和100nm厚的铝。所得的聚合物太阳电池中，Nafion的厚度为30nm。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10.55毫安每平方厘米，填充因子为59.76％，转换效率为3.72％。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2
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1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，将清洗后的溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1在紫外臭氧表面处理设备(UVO)中进行处理，在1000rpm的转速下，在氧化铟锡(ITO)上旋涂Nafion的质量分数为0.25％的Nafion的水-乙醇(水和乙醇的体积比为1：1)溶液，在空气中常温放置25min，在空气中于60℃温度下烘干10分钟，再在150℃温度下烘烤固化5分钟，自然冷却，得到阳极修饰层3。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上述阳极修饰层3上，作为光电活性层4，其厚度约为200nm。最后，在5×10-5帕下，在光电活性层4上依次分别真空蒸镀20nm厚的钙和100nm厚的铝。所得的聚合物太阳电池中，Nafion的厚度为30nm。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10.78毫安每平方厘米，填充因子为61.29％，转换效率为4.01％。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3
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1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，将清洗后的溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1在紫外臭氧表面处理设备(UVO)中进行处理，在1000rpm的转速下，在氧化铟锡(ITO)上旋涂Nafion的质量分数为0.25％的Nafion的水-乙醇(水和乙醇的体积比为1：1)溶液，在空气中常温放置25min，在空气中于60℃温度下烘干10分钟，再在200℃温度下烘烤固化5分钟，自然冷却，得到阳极修饰层3。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上述阳极修饰层3上，作为光电活性层4，其厚度约为200nm。最后，在5×10-5帕下，在光电活性层4上依次分别真空蒸镀20nm厚的钙和100nm厚的铝。所得的聚合物太阳电池中，Nafion的厚度为30nm。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0.60伏，短路电流为11.94毫安每平方厘米，填充因子为52.68％，转换效率为3.75％。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。
实施例4
将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃衬底1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，在4000rpm的转速下，在氧化铟锡(ITO)上旋涂浓度为2mg/mL的二异丙氧基双乙酰丙酮钛(TIPD)的异丙醇溶液，在150℃氮气环境下烘烤15分钟，自然冷却，得到阴极修饰层5。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上述阴极修饰层5上，作为光电活性层4，其厚度约为200nm。在2000rpm的转速下，在光电活性层4上旋涂Nafion的质量分数为0.25％的Nafion的异丙醇(将质量分数为5％的Nafion原液用异丙醇稀释20倍)溶液，在氮气中于60℃温度下烘干10分钟，再在100℃温度下烘烤固化5分钟，自然冷却，得到阳极修饰层3。最后，在4×10-4帕下，在阳极修饰层3上真空蒸镀100nm厚的铝作为金属电极层6。所得的聚合物太阳电池中，Nafion的厚度为20nm。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11.05毫安每平方厘米，填充因子为51.72％，转换效率为3.41％。图7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)的透明导电玻璃衬底1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，在4000rpm的转速下，在氧化铟锡(ITO)上旋涂浓度为2mg/mL的二异丙氧基双乙酰丙酮钛(TIPD)的异丙醇溶液，在150℃氮气环境下烘烤15分钟，自然冷却，得到阴极修饰层5。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上述阴极修饰层5上，作为光电活性层4，其厚度约为200nm。在2000rpm的转速下，在光电活性层4上旋涂Nafion的质量分数为0.25％的Nafion的异丙醇(将质量分数为5％的Nafion原液用异丙醇稀释20倍)溶液，在氮气中于60℃温度下烘干10分钟，再在150℃温度下烘烤固化5分钟，自然冷却，得到阳极修饰层3。最后，在4×10-4帕下，在阳极修饰层3上真空蒸镀100nm厚的铝作为金属电极层6。所得的聚合物太阳电池中，Nafion的厚度为20nm。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10.73毫安每平方厘米，填充因子为61.44％，转换效率为3.82％。图8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 (9)

1.一种非共轭离子型聚合物太阳电池，其特征在于：所述聚合物太阳电池为正向结构聚合物太阳电池或反向结构聚合物太阳电池；所述正向结构聚合物太阳电池中，衬底(1)、透明导电金属氧化物电极层(2)、阳极修饰层(3)、光电活性层(4)、阴极修饰层(5)和金属电极层(6)顺次相连；所述反向结构聚合物太阳电池中，衬底(1)、透明导电金属氧化物电极层(2)、阴极修饰层(5)、光电活性层(4)、阳极修饰层(3)和金属电极层(6)顺次相连；所述阳极修饰层(3)的材质为Nafion膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池，其特征在于：所述Nafion膜的厚度为2nm～100nm。
3.如权利要求1或2所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于，
所述正向结构聚合物太阳电池的制备方法如下：
a.在衬底(1)上制备透明导电金属氧化物电极层(2)作为聚合物太阳电池的阳极；
b.在透明导电金属氧化物电极层(2)上旋涂Nafion与溶剂共混溶液，经低温烘干和高温烘烤固化分步处理，得到阳极修饰层(3)；
c.在阳极修饰层(3)上依次制备光电活性层(4)、阴极修饰层(5)和金属电极层(6)，得到所述正向结构聚合物太阳电池；
所述反向结构聚合物太阳电池的制备方法如下：
a.在衬底(1)上制备透明导电金属氧化物电极层(2)作为聚合物太阳电池的阴极；
b.在透明导电金属氧化物电极层(2)上依次制备阴极修饰层(5)、光电活性层(4)；
c.光电活性层(4)上旋涂Nafion与溶剂共混溶液，经低温烘干和高温烘烤固化分步处理，得到阳极修饰层(3)；
d.在阳极修饰层(3)上制备金属电极层(6)，得到所述反向结构聚合物太阳电池。
4.根据权利要求3所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述Nafion与溶剂共混溶液中Nafion的浓度为0.1wt％～5wt％。
5.根据权利要求3所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述Nafion与溶剂共混溶液的溶剂为乙醇、异丙醇、水和低脂肪醇中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述Nafion与溶剂共混溶液的旋涂转速为800rpm～5000rpm。
7.根据权利要求3所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述低温烘干的温度为20℃～100℃。
8.根据权利要求3所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述高温烘烤固化的温度为130℃～250℃。
9.根据权利要求3所述的一种非共轭离子型聚合物太阳电池的制备方法，其特征在于：所述低温烘干和高温烘烤固化的时间分别为1分钟到48小时。
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