CN104134751B - 一种对称结构聚合物太阳能电池及其应用 - Google Patents

一种对称结构聚合物太阳能电池及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对称结构聚合物太阳能电池及其应用。该对称结构聚合物太阳能电池，包括依次层叠的透明导电电极、第一界面层(1)、光电活性层(2)、第二界面层(3)和对电极(4)，所述的第一界面层(1)与第二界面层(3)的材料的功函数相等。本发明具有光电转换效率高、工艺简单、空气稳定好、实验重复性好等特点，可有效用于聚合物光电性能评估和器件稳定性研究。

Description

一种对称结构聚合物太阳能电池及其应用
技术领域
本发明属于聚合物光电子器件领域，特别涉及的是一种对称结构聚合物太阳能电池及其在聚合物光电性能评估和器件稳定性方面的应用。
背景技术
共轭聚合物可以低温加工，能与柔性衬底兼容，可采用卷对卷的工艺大规模制备，在大面积、低成本、柔性电子器件方面具有非常光明的应用前景。共轭聚合物作为活性层材料有望在有机显示器的有源驱动电路、有机传感器、存储器、有机光伏电池、电子书或电子纸、射频识别标签等领域得到广泛应用。
设计和开发新型的光电子器件具有极其重要的地位。就太阳能电池而言，器件结构的每一次创新都带来突破性的进展。例如，1986年Tang C.W.等发明了双层结构的有机太阳能电池[Tang,C.W.,Appl.Phys.Lett.1986,48(2),183-185]。1995年加州大学圣芭芭拉分校的Alan J.Heeger等发明了本体异质结结构的聚合物太阳能电池，该结构成为该领域迄今最广泛使用的光伏器件结构[Yu,G.；Gao,J.；Hummelen,J.C.；Wudl,F.；Heeger,A.J.,Science1995,270(5243),1789-1791]。2011年以来，加州大学洛杉矶分校Yang Yang研究组报道了多种高效叠层结构的聚合物太阳能电池，首次实现了10％的能量转换效率[Dou,L.T.；et al.,Nat.Photonics2012,6(3),180-185；You,J.；et al.,Nat.Commun.2013,4,1446]。近年来，国内也在器件结构的开发方面取得一些重要成果。例如，中科院化学所侯剑辉研究组和香港大学Wallace Choy研究组合作报道了一种双等离子体结构的反向聚合物太阳能电池，能量转换效率高达8.8％[Li,X.H.；et al.,Adv.Mater.2012,24(22),3046-3052]。中科院化学所李永舫研究组、侯剑辉研究组和华北电力大学谭占鳌研究组合作报道了一种基于醇溶性氧化钛螯合物的反向聚合物太阳能电池，能量转换效率高达7.4％[Tan,Z.A.；et al.,Adv.Mater.2012,24(11),1476-1481]。2012年华南理工大学曹镛院士和吴宏滨研究组开发了一种新型倒置结构的聚合物太阳能电池，并取得了单结电池的世界纪录[He,Z.C.；et al.,Nat.Photonics2012,6(9),591-595]。这表明器件结构的设计和优化将在聚合物光电领域方面发挥重要的作用。
如何综合地评估聚合物材料的光电性能是聚合物太阳能电池器件结构设计中一个十分重要的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对称结构聚合物太阳能电池及其在聚合物光电性能评估和器件稳定性方面的应用。本发明的对称结构聚合物太阳能电池，具有光电转换效率高、工艺简单、空气稳定好、实验重复性好等特点。
本发明通过如下技术方案实现：
一种对称结构聚合物太阳能电池，其包括依次层叠的透明导电电极、第一界面层、光电活性层、第二界面层和对电极，所述的第一界面层与第二界面层的材料的功函数相等。
本发明中，所述的第一界面层与第二界面层的材料不相同时，该对称结构聚合物太阳能电池结构可表示为透明导电电极/第一界面层/光电活性层/第二界面层/对电极。所述的第一界面层与第二界面层的材料相同时，该对称结构聚合物太阳能电池结构可表示为透明导电电极/界面层/光电活性层/界面层/对电极。
本发明中，所述透明导电电极选自含有氧化铟锡(ITO)的玻璃或薄膜。
本发明中，所述第一界面层和第二界面层的材料分别独立地选自氟化锂、氧化锌、三氧化钼、PEDOT:PSS、PFN、钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂或钼中的一种。
本发明中，所述对电极的材料选自钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂或钼中的一种金属。
本发明中，所述光电活性层的厚度在20nm～1000nm之间。优选地，所述厚度范围在40～200nm之间。
本发明中，所述第一界面层和第二界面层的厚度分别在大于0到100nm之间。优选地，所述厚度范围在大于0到60nm之间。
本发明中，所述对电极的厚度在50nm～500nm之间。优选地，所述厚度范围在70～200nm之间。
本发明中，所述光电活性层中的电子给体材料选自聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、叶啉类、酞菁类或者由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物。优选地，所述电子受体材料选自:富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物。
本发明中，所述吸电子共轭单元为吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)、噻吩并吡咯二酮(TPD)或者噻吩并噻吩(TT)，所述给电子共轭单元为咔唑(Cz)、芴(F)、苯并二噻吩(BDT)、苯并二呋喃(BDT)、二噻吩并苯(BDP)或引达省(IDT)。
在优选的实施方案中，所述对称结构聚合物太阳能电池的器件结构为透明导电电极/PEDOT:PSS/光电活性层/金/对电极，透明导电电极/金/光电活性层/金/对电极，透明导电电极/三氧化钼/光电活性层/金/对电极，或透明导电电极/氧化锌/光电活性层/铝/对电极。
根据本发明，所述聚合物太阳能电池进一步为正向或倒置的对称结构聚合物太阳能电池。
本发明还提供如下技术方案：
上述的对称结构聚合物太阳能电池的应用，其可以应用于材料光电性能的评估，优选为对两维共轭光伏聚合物的筛选。
上述的对称结构聚合物太阳能电池的应用，其可以应用于光伏器件稳定性的研究，优选为空气稳定性光伏器件的制备。
本发明的有益结果为：该结构的聚合物太阳能电池的开路电压在0-0.8V之间可调,能量转换效率较高(可达5.0％以上)、重复性好、工艺简单、稳定性好。该器件可有效用于高效光伏聚合物材料的筛选或器件稳定性的研究。
附图说明
图1为本发明的对称结构聚合物太阳能电池的结构示意图。
图2显示了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Ca(10nm)/Al(80nm)的常规结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图3显示了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(10nm)/Al(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图4显示了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(50nm)/Al(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图5显示了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(10nm)/Al(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图6显示了结构为ITO/Au(10nm)/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(10nm)/Al(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图7显示了结构为ITO/MoO3(10nm)/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(10nm)/Al(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图8显示了结构为ITO/ZnO(10nm)/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Al(10nm)/Ag(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的电流-电压曲线。
图9显示了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(10nm)/Al(80nm)和结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Ca(10nm)/Al(80nm)的器件在空气中的能量转换效率变化曲线。
图10显示了结构为ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au(10nm)/Al(80nm)的对称结构聚合物太阳能电池的外量子效率曲线。
具体实施方式
如上所述，本发明公开了一种对称结构聚合物太阳能电池，如图1所示，其包括依次层叠的透明导电电极、第一界面层1、光电活性层2、第二界面层3和对电极4，所述的第一界面层1与第二界面层3的材料的功函数相等。所谓功函数相等，是指从两种材料释放电子所必须给予的最小能量值相等。该能量值可采用循环伏安法和紫外光电子能谱测试。
下面通过实施例进一步详细阐述本发明，但是本领域技术人员了解，本发明的实施例并非对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化，都在本发明的保护范围之内。
实施例1(对比例)(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将聚合物PTB7-Th(Liao,S.-H.；et al.,Adv.Mater.2013,25(34),4766-4771)与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在透明ITO玻璃衬底表面进行修饰，使用Dektak XT膜厚仪测试PEDOT:PSS层的厚度为30nm。接着在所述PEDOT:PSS层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm钙和80nm铝的薄层，得到常规结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图2。其中开路电压为0.79V，短路电流为16.2mA/cm2,填充因子为67.2％，能量转换效率为8.6％。
实施例2(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将PTB7-Th与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在透明ITO玻璃衬底表面进行修饰，使用Dektak XT膜厚仪测试PEDOT:PSS层的厚度为30nm。接着在所述PEDOT:PSS层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm金和80nm铝的薄层，得到正向对称结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图3。其中开路电压为0.76V，短路电流为13.8mA/cm2,填充因子为58.5％，能量转换效率为6.1％。
实施例3(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将PTB7-Th与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在透明ITO玻璃衬底表面进行修饰，使用Dektak XT膜厚仪测试PEDOT:PSS层的厚度为30nm。接着在所述PEDOT:PSS层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀50nm金和80nm铝的薄层，得到正向对称结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图4。其中开路电压为0.61V，短路电流为13.7mA/cm2,填充因子为56.4％，能量转换效率为4.7％。
实施例4(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将聚合物PTB7(Liang,Y.Y.；et al.,Adv.Mater.2010,22,E135-E138)与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在透明ITO玻璃衬底表面进行修饰，使用Dektak XT膜厚仪测试PEDOT:PSS层的厚度为30nm。接着在所述PEDOT:PSS层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm金和80nm铝的薄层，得到正向对称结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图5。其中开路电压为0.40V，短路电流为12.8mA/cm2,填充因子为51.1％，能量转换效率为2.6％实施例2和实施例4的对比结果表明两维共轭聚合物PTB7-Th性能明显优于PTB7。
实施例5(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将PTB7-Th与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
在大约10-4Pa的压力下在透明ITO玻璃衬底表面蒸镀10nm金。接着在所述金的镀层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm金和80nm铝的薄层，得到正向对称结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图6。其中开路电压为0.08V，短路电流为5.6mA/cm2,填充因子为26.7％，能量转换效率为0.13％。
实施例6(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将PTB7-Th与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
在大约10-4Pa的压力下在透明ITO玻璃衬底表面蒸镀10nm三氧化钼，厚度约为10nm。接着在所述三氧化钼镀层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm金和80nm铝的薄层，得到正向对称结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图7。其中开路电压为0.22V，短路电流为9.7mA/cm2,填充因子为46.4％，能量转换效率为1.0％。
实施例7(在透明ITO玻璃衬底上制备聚合物太阳能电池)
将PTB7-Th与PCBM以重量比为1:1.5共混溶解于二氯苯制备15g/L的共混活性层溶液。
将阴极修饰层ZnO旋涂在透明ITO玻璃衬底表面进行修饰，厚度约为10nm。接着在所述ZnO涂层上旋涂上述的共混活性层溶液的薄层，厚度为100nm。然后在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm铝和80nm银的薄层，得到倒置对称结构的聚合物太阳能电池。
在填充N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G在100mW/cm2的强度下对所制备聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图8。其中开路电压为0.33V，短路电流为9.7mA/cm2,填充因子为33.6％，能量转换效率为1.1％。
实施例8(对称结构聚合物太阳能电池在空气中的稳定性测试)
将实施例1和实施例2制备的聚合物太阳能电池同时放在空气中，每隔12小时测试一次光伏性能，结果示于图9。实施例1的电池12小时后效率降到0，而实施例2的电池24小时后效率还能保持为原来的85％。
实施例9
基于本发明的实施例2制备的聚合物太阳能电池，使用台湾光焱公司的外量子效率测试仪测试其外量子效率曲线，结果示于图10。可以看出,该对称结构的聚合物太阳能电池的外量子效率在整个光谱范围内基本都大于50％。显示了该器件对光响应的程度较好。
本发明参照特定的实施方案和实施例进行描述。然而，本发明不局限于仅仅上述的实施方案和实施例。本领域普通技术人员应认识到，基于本文的教导，在不偏离权利要求书所限定的本发明的范围下可进行许多替代和改变。

Claims (19)

1.一种对称结构聚合物太阳能电池，包括依次层叠的透明导电电极、第一界面层(1)、光电活性层(2)、第二界面层(3)和对电极(4)，其特征在于，所述的第一界面层(1)与第二界面层(3)的材料的功函数相等且所述第一界面层(1)和第二界面层(3)的材料分别独立地选自氟化锂、氧化锌、PEDOT：PSS或PFN或钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂或钼中的一种，或者，所述第一界面层的材料为三氧化钼、第二界面层的材料为Au。
2.根据权利要求1所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的第一界面层(1)与第二界面层(3)的材料不相同时，该对称结构聚合物太阳能电池结构可表示为透明导电电极/第一界面层(1)/光电活性层(2)/第二界面层(3)/对电极(4)。
3.根据权利要求1所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的第一界面层(1)与第二界面层(3)的材料相同时，该对称结构聚合物太阳能电池结构可表示为透明导电电极/界面层(1)/光电活性层(2)/界面层(1)/对电极(4)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述透明导电电极选自含有氧化铟锡(ITO)的玻璃或薄膜。
5.根据权利要求4所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述对电极(4)的材料选自钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂或钼中的一种金属。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光电活性层的厚度在20nm～1000nm之间。
7.根据权利要求6所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述厚度范围在40～200nm之间。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述第一界面层和第二界面层的厚度分别在大于0到100nm之间。
9.根据权利要求8所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述第一界面层和第二界面层的厚度范围在大于0到60nm之间。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述对电极的厚度在50nm～500nm之间。
11.根据权利要求10所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述对电极的厚度范围在70～200nm之间。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光电活性层(2)中，电子给体材料选自：聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、吓啉类、酞菁类或者选自由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物；电子受体材料选自：富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物。
13.根据权利要求12所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述吸电子共轭单元为吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)，噻吩并吡咯二酮(TPD)或者噻吩并噻吩(TT)；所述给电子共轭单元为咔唑(Cz)、芴(F)、苯并二噻吩(BDT)、苯并二呋喃(BDT)，二噻吩并苯(BDP)或者引达省(IDT)。
14.根据权利要求1所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述对称结构聚合物太阳能电池的器件结构为透明导电电极/PEDOT:PSS/光电活性层/金/对电极，透明导电电极/金/光电活性层/金/对电极，透明导电电极/三氧化钼/光电活性层/金/对电极，或透明导电电极/氧化锌/光电活性层/铝/对电极。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述聚合物太阳能电池为正向或倒置的对称结构聚合物太阳能电池。
16.权利要求1至15中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池的应用，其应用于材料光电性能的评估。
17.根据权利要求16所述的应用，其特征在于，为对两维共轭光伏聚合物的筛选。
18.权利要求1至15中任一项所述的对称结构聚合物太阳能电池的应用，其应用于光伏器件稳定性的研究。
19.根据权利要求18所述的应用，其特征在于，为空气稳定性光伏器件的制备。
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