CN105118926A - 一种用于倒结构聚合物太阳电池的azo/pvp阴极复合缓冲层及其应用 - Google Patents

一种用于倒结构聚合物太阳电池的azo/pvp阴极复合缓冲层及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于新能源中的太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层及其应用。该AZO/PVP阴极复合缓冲层的制备方法包括如下步骤：前驱液的配制；将前驱液滴涂在洗净烘干的ITO玻璃衬底上，匀胶机转速1800rpm，旋涂时间为20s，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~240℃热板上加热5~10min进行预退火，再进行100~300℃20~30min的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜；其次，将PVP溶液滴涂在制备完成的AZO薄膜上制备AZO/PVP复合薄膜，经热处理，冷却至室温，得到AZO/PVP阴极复合缓冲层。

Description

一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层及其应用
技术领域
本发明属于新能源中的太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层及其应用。
背景技术
近年来，采用电子传输层材料替换了有机传统结构电池中PEDOT:PSS材料，并使用Au、Ag等高功函数金属作为阳极，倒结构聚合物太阳电池(Inverted polymer solar cells, IPSCs)的性能得到明显提升[参见S. Liao,H. Jhuo, P. Yeh,Y. Cheng,Y. Li,Y. Lee, S. Sharma, S. Chen, Single Junction Inverted Polymer Solar Cell Reaching Power Conversion Efficiency 10.31% by Employing Dual-Doped Zinc Oxide Nano-Film as Cathode Interlayer, Scientific Reports, doi:10.1038/srep06813]。在IPSC中，Al-doped ZnO (AZO)由于具有高电子迁移率和可见光波段的高透过特性，而且价格低廉，制备方法多种多样，在有机太阳电池中作为阴极缓冲层。特别是溶胶凝胶方法，无需昂贵的真空设备，能够实现低成本、大面积成膜，并且制备工艺简单，溶液组分易调整，过程易控制，被认为具备大面积商业化潜能。[参见X. Yu, X. Yu, J. Zhang, Z. Hu, G. Zhao, Y. Zhao, Effective light trapping enhanced near-UV/blue light absorption in inverted polymer solar cells via sol–gel textured Al-doped ZnO buffer layer, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 121 (2014) 28–34； M. H. Chen, Y. C. Kuo, H. H. Lin, Y. Chao, M. Wong, Highly stable inverted organic photovoltaics using aluminum-doped zinc oxide as electron transport layers. J. Power Sources, 275(2015) 274-278]。然而，由于较低温度下采用溶胶凝胶方法制备的ZnO(AZO)薄膜表面会产生大量不完整配位键[参见T. Stubhan, M. Salinas, A. Ebel, F.C. Krebs, A. Hirsch, M. Halik, C.J. Brabec, Increasing the fill factor of inverted P3HT:PCBM solar cells through surface modification of Al-doped ZnO via phosphonic acid-anchored C60 SAMs, Adv. Energy Mater. 2 (2012) 532–535]以及羟基缺陷[M. Chen, X. Wang, Y. H. Yu, Z.L Pei, X.D Bai, C. Sun, R.F Huang, L.S Wen. X-ray photoelectron spectroscopy and auger electron spectroscopy studies of Al-doped ZnO films. Applied Surface Science, 158 (2000)134-140; J. Wang, Z. Wang, B. Huang, Y. Ma, Y. Liu, X. Qin, X. Zhang, Y. Dai, Oxygen Vacancy Induced Band-Gap Narrowing and Enhanced Visible Light Photocatalytic Activity of ZnO, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4 (2012) 4024−4030] , 再加上有机活性层材料与无机材料AZO缓冲层之间表面能不同，导致二者之间接触质量较差。优异的互穿网络和表面形貌将有利于激子的产生和分离，而接触界面质量直接决定了电荷的传输和抽取的效果。在倒结构电池中，无机材料（AZO）缓冲层与有机活性层之间差的接触，导致电池的表面接触电阻增加，电池填充因子下降；电池内建电势降低，体电阻增加，电池开路电压下降，这样使得电池器件整体性能的提升受到很大程度的限制。因此，提高倒结构有机聚合物电池性能迫切需要性能优良的阴极缓冲层，不仅能够与活性层之间形成欧姆接触，而且制备工艺方便快捷，价格低廉，能与roll-to-roll大面积制备方法相兼容。
发明内容
本发明针对有机倒结构太阳电池中阴极缓冲层AZO存在问题，提供一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层。
本发明还提供一种方法简单，易控制，制造成本低，并能在较低温度下、空气中、大面积制备的AZO/PVP阴极复合缓冲层的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层，该AZO/PVP阴极复合缓冲层的制备方法包括如下步骤：
首先，称取1克二水和合醋酸锌(Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和 0.001~0.02 克九水合硝酸铝(Al (NO3)3• 9H2O) 溶解在40毫升乙醇中，取 0.01~0.3毫升单乙醇胺加入溶液中做为稳定剂，将配置好的溶液在30~60 ℃下搅拌20~30 min，待溶液清澈透明后，在室温条件下陈化10~24 h以上，前驱液配制完成；
将前驱液滴涂在洗净烘干的ITO玻璃衬底上，匀胶机转速1800 rpm，旋涂时间为20 s，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~240 ℃热板上加热5~10 min进行预退火，再进行100~300 ℃ 20~30 min 的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜；
其次，称取0.03克PVP (k30) 溶解在20毫升乙醇中制成PVP溶液，20~50 ℃ 条件下搅拌30~35 min 后，将均匀澄清的PVP溶液滴涂在制备完成的AZO薄膜上，调节匀胶机转速，使用转速800 rpm旋涂时间5~20 s 旋涂制备AZO/PVP复合薄膜；
再次，将AZO/PVP复合薄膜放置在80~120 ℃ 热板上进行5~15 min 热处理，15 min结束立即移除，冷却至室温，得到AZO/PVP阴极复合缓冲层。该热处理过程非常重要，主要有三个作用：一，将PVP薄膜中乙醇溶液去除，使PVP干燥成膜；二，热处理使得AZO与PVP的界面接触更紧密，利于载流子的传输；三，烘干得到的PVP网状分布的表面形貌将与活性层形成欧姆接触，提高载流子在PVP/活性层界面处分离效率、减少载流子复合。
作为优选，将前驱液滴涂在ITO玻璃衬底上是采用1 ml容量的一次性注射器，其具有0.45μm有机过滤嘴。
作为优选，所述PVP 选择k值30的产品。
一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层的制备方法，包括如下步骤：
首先，称取1克二水和合醋酸锌(Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和 0.001~0.02 克九水合硝酸铝(Al (NO3)3• 9H2O) 溶解在40毫升乙醇中，取 0.01~0.3毫升单乙醇胺加入溶液中做为稳定剂，将配置好的溶液在30~60 ℃下搅拌20~30 min，待溶液清澈透明后，在室温条件下陈化10~24 h以上，前驱液配制完成；
将前驱液滴涂在洗净烘干的ITO玻璃衬底上，匀胶机转速1800 rpm，旋涂时间为20 s，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~240 ℃热板上加热5~10 min进行预退火，再进行100~300 ℃ 20~30 min 的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜；
其次，称取0.03克PVP (k30) 溶解在20毫升乙醇中制成PVP溶液，20~50 ℃ 条件下搅拌30~35 min 后，将均匀澄清的PVP溶液滴涂在制备完成的AZO薄膜上，调节匀胶机转速，使用转速800 rpm旋涂时间5~20 s 旋涂制备AZO/PVP复合薄膜；
再次，将AZO/PVP复合薄膜放置在80~120 ℃ 热板上进行5~15 min 热处理，15 min结束立即移除，冷却至室温，得到AZO/PVP阴极复合缓冲层。
一种采用所述的AZO/PVP阴极复合缓冲层制得的倒结构聚合物太阳电池。所述倒结构聚合物太阳电池的一种制备方法如下：
1）电池器件制备：
活性层制备：将给体和受体材料poly (3-hexylthiophene) (P3HT): [6, 6]- phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) (质量比为 1:0.8) 溶解在1 ml氯苯溶液中配置成（包含P3HT:12 mg/ml; PCBM: 9.6 mg/ml）的活性层溶液，避光50 ℃下加热磁力搅拌12 小时，活性层溶液配制完成。使用一次性注射器，0.22μm有机过滤嘴过滤，将活性层溶液滴涂在AZO/PVP复合薄膜上，设置匀胶机转速600 rpm 旋涂时间为30 s。将样品放置在120 ℃热板上进行10 min热退火处理, 活性层制备工序完成；
2）电极的制备：将样品（ITO/AZO/PVP/P3HT:PCBM）放入镀膜机中，采用常规蒸镀的方式，利用掩膜版在10-4 Pa条件下蒸镀3 nm MoO3 和100 nm 阳极Ag电极，电池面积约为0.08 cm2。
本发明根据有机倒结构太阳电池的研究现状，提供一种阴极复合缓冲层的制备方法。该方法可操作性强，无需大型真空设备和高温退火，可在较低温度下、空气中大面积制备，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。通过电池器件性能的测试验证，该方法能有效提高电池器件的填充因子和开路电压，电池性能得到明显提升。
采用本发明提出的制备AZO/PVP复合薄膜的方法，作为倒结构聚合物太阳电池中的阴极复合缓冲层，不但能够有效的电荷传输，而且通过AZO/PVP优化了无机材料AZO与有机活性层材料之间的接触界面质量，解决了AZO单层缓冲层与活性层之间接触质量差导致的电池性能低的问题；而且无需昂贵真空设备，无需高温条件下退火处理，在室温下大气环境中即可制备，并能够有效优化界面质量，降低接触电阻，减少载流子复合，显著提高电池开路电压和填充因子，提升电池能量转换效率。
该方法制备的阴极复合缓冲层AZO/PVP简单易行，价格低廉，与商业化大面积生产制备工艺兼容，能够加快该类型太阳电池的产业化进程，满足社会对太阳电池低成本、高效率的迫切需求。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例：
称取1克Zn (CH3CO2)2• 2H2O 和0.002克Al (NO3)3• 9H2O 溶解在40ml 乙醇中，加入0.2 ml MEA做为稳定剂，将配置好的溶液在60 ℃下搅拌30 min，室温条件下陈化24 h，前驱液配制完成。
采用1 ml容量的一次性注射器（0.45μm有机过滤嘴），将前驱液涂抹在洗净烘干的ITO玻璃衬底上，匀胶机转速1800 rpm，旋涂时间为20 s。旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在240 ℃热板上加热10 min进行预退火，再进行300 ℃ 30 min 的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜。
称取0.03克PVP (k30) 溶解在20 ml乙醇中, 50 ℃ 条件下搅拌35 min，将PVP溶液滴涂在制备完成的AZO薄膜上，调节匀胶机转速，使用转速800 rpm旋涂时间20 s 旋涂制备AZO/PVP复合薄膜；将AZO/PVP复合薄膜放置在120 ℃ 热板上进行15 min 热处理，15 min结束立即移除，放至室温冷却，得到AZO/PVP阴极复合缓冲层。
将得到AZO/PVP阴极复合缓冲层移入电阻蒸发镀膜仪，在4*10-4 Pa条件下分别蒸镀MoO3和Ag 厚度为3 nm、100 nm。基于AZO/PVP阴极复合缓冲层的有机倒结构P3HT:PCBM电池制备完成。该电池的结构自上而下依次为普通玻璃载体 、ITO 、AZO/PVP 阴极复合缓冲层、P3HT:PCBM 、MoO3 、Ag。该电池器件的能量转换效率达到4.43%（Jsc=11.41 mA/cm2，Voc=0.60 V，FF=64.4%）。
本发明的优点是：制备AZO/PVP复合薄膜，作为倒结构聚合物太阳电池的复合阴极缓冲层，不仅能有效钝化AZO表面缺陷，与活性层之间形成欧姆接触，而且极大的改善了载流子的输运和收取效率。该方法无需昂贵真空设备，无需高温退火，可在室温下空气中制备，与大面积商业化生产制备工艺相兼容。复合阴极缓冲层的引入，能够有效减少载流子复合，降低器件的串联电阻，提高电池开路电压、填充因子以及能量转换效率。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层，其特征在于该AZO/PVP阴极复合缓冲层的制备方法包括如下步骤：
首先，称取1克二水和合醋酸锌(Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和 0.001~0.02 克九水合硝酸铝(Al (NO3)3• 9H2O) 溶解在40毫升乙醇中，取 0.01~0.3毫升单乙醇胺加入溶液中做为稳定剂，将配置好的溶液在30~60 ℃下搅拌20~30 min，待溶液清澈透明后，在室温条件下陈化10~24 h以上，前驱液配制完成；
将前驱液滴涂在洗净烘干的ITO玻璃衬底上，匀胶机转速1800 rpm，旋涂时间为20 s，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~240 ℃热板上加热5~10 min进行预退火，再进行100~300 ℃ 20~30 min 的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜；
其次，称取0.03克PVP (k30) 溶解在20毫升乙醇中制成PVP溶液，20~50 ℃ 条件下搅拌30~35 min 后，将均匀澄清的PVP溶液滴涂在制备完成的AZO薄膜上，调节匀胶机转速，使用转速800 rpm旋涂时间5~20 s 旋涂制备AZO/PVP复合薄膜；
再次，将AZO/PVP复合薄膜放置在80~120 ℃ 热板上进行5~15 min 热处理，15 min结束立即移除，冷却至室温，得到AZO/PVP阴极复合缓冲层。
2.根据权利要求1所述的AZO/PVP阴极复合缓冲层，其特征在于：将前驱液滴涂在ITO玻璃衬底上是采用1 ml容量的一次性注射器，其具有0.45μm有机过滤嘴。
3.根据权利要求1所述的AZO/PVP阴极复合缓冲层，其特征在于：PVP 选择k值30的产品。
4.一种用于倒结构聚合物太阳电池的AZO/PVP阴极复合缓冲层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
首先，称取1克二水和合醋酸锌(Zn (CH3CO2)2• 2H2O) 和 0.001~0.02 克九水合硝酸铝(Al (NO3)3• 9H2O) 溶解在40毫升乙醇中，取 0.01~0.3毫升单乙醇胺加入溶液中做为稳定剂，将配置好的溶液在30~60 ℃下搅拌20~30 min，待溶液清澈透明后，在室温条件下陈化10~24 h以上，前驱液配制完成；
将前驱液滴涂在洗净烘干的ITO玻璃衬底上，匀胶机转速1800 rpm，旋涂时间为20 s，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~240 ℃热板上加热5~10 min进行预退火，再进行100~300 ℃ 20~30 min 的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜；
其次，称取0.03克PVP (k30) 溶解在20毫升乙醇中制成PVP溶液，20~50 ℃ 条件下搅拌30~35 min 后，将均匀澄清的PVP溶液滴涂在制备完成的AZO薄膜上，调节匀胶机转速，使用转速800 rpm旋涂时间5~20 s 旋涂制备AZO/PVP复合薄膜；
再次，将AZO/PVP复合薄膜放置在80~120 ℃ 热板上进行5~15 min 热处理，15 min结束立即移除，冷却至室温，得到AZO/PVP阴极复合缓冲层。
5.一种采用权利要求1所述的AZO/PVP阴极复合缓冲层制得的倒结构聚合物太阳电池。
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