CN105206752B - 一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及电池阴极修饰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于聚合物太阳能电池技术领域的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及电池阴极修饰方法。本发明中的聚合物太阳能电池为层状结构，包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物电极层、光电活性层、阴极修饰层和低功函阴极层。所述阴极修饰层为四乙醇乙酰丙酮钽。在光电活性层上旋涂四乙醇乙酰丙酮钽的溶液，得到阴极修饰层。本发明是首次将四乙醇乙酰丙酮钽溶液制成的薄膜用于制作聚合物太阳电池的阴极修饰层。实现了电子的高效收集；并且与现有的溶胶凝胶法制备的二氧化钛和真空蒸镀的LiF相比，本发明也具有光电转换效率高、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

一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及电池阴极修饰方法
技术领域
本发明属于聚合物太阳能电池技术领域,特别涉及一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及电池阴极修饰方法。
背景技术
作为一种清洁的可再生能源，太阳能电池的研究和应用在过去的几十年中取得了巨大的发展。聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成，具有结构和制备工艺简单、重量轻、造价低廉、容易制备大面积柔性器件等优点而受到广泛关注。结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具有代表性的给体和受体光伏材料。通过优化设计合成新型的聚合物给体材料和富勒烯衍生物受体材料以及优化活性层中给受体的微相分离结构，使本体异质结聚合物太阳能电池光电转化效率已经超过8％，接近非晶硅电池的水平。在传统的本体异质结聚合物太阳电池中，钙、钡等低功函活泼金属常用来作为聚合物太阳电池的阴极，用以电子的提取和收集。但低功函的金属对水、氧敏感，使用过程中会因为阴极的氧化而是电阻增加，降低阴极对电子的收集和提取能力，从而造成阴极界面的不稳定，最终影响太阳电池的长期稳定性。因此用低功函空气稳定的阴极修饰层代替活泼金属越来越引起人们的关注。目前常用的LiF修饰层需真空蒸镀，而且有效厚度在1nm左右，操作过程极难控制。目前广泛使用的ZnO、TiO2等n型半导体纳米粒子都需要溶胶-凝胶等方法合成，增加了聚合物太阳电池制备的整体时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及电池阴极修饰方法。
一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料；所述太阳能电池包括从下至上依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层、光电活性层，光电活性层上设置阴极修饰层，最上是低功函阴极层组成，其特征在于，所述聚合物太阳能电池阴极修饰材料为一种可溶液加工的聚合物太阳能电池阴极修饰材料，所述阴极修饰材料为四乙醇乙酰丙酮钽，化学结构为：
所述使用聚合物太阳能电池阴极修饰材料的太阳能电池阴极修饰方法，其特征在于，太阳能电池阴极修饰层由阴极修饰材料四乙醇乙酰丙酮钽溶液旋涂在光电活性层上，得到阴极修饰层；旋涂的转速为3000rpm，旋涂之后不需要进行加热即得到阴极修饰层，其厚度为10nm。所述四乙醇乙酰丙酮钽溶液是按以下方法制备而成的：将四乙醇乙酰丙酮钽溶解于乙醇溶液中，经过搅拌，得到溶液；该四乙醇乙酰丙酮钽是一种白色粉末状固体，相对分子量或原子量为460.30，分子式为C13H27O6Ta，该材料微溶于乙醇，对环境无害。
本发明的有益效果是将四乙醇乙酰丙酮首次将四乙醇乙酰丙酮钽制成的薄膜用于制作聚合物太阳电池的阴极修饰层。实现了电子的高效收集；并且与现有的溶胶凝胶法制备的二氧化钛和真空蒸镀的LiF相比，本发明也具有光电转换效率高、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；
其中，当太阳电池为正向结构式，各标号代表的意思为：1-衬底；2-透明导电金属氧化物阳极层；3-阳极修饰层；4-光电活性层；5-阴极修饰层；6-阴极层；7-负载或测试装置；8-金属导线；9-入射光；
图2为Glass/ITO/PEDOTE:PSS/P3HT:PC60BM/Al的电流-电压特性曲线。
图3为Glass/ITO/PEDOTE:PSS/P3HT:PC60BM/四乙醇乙酰丙酮钽/Al的电流-电压特性曲线。
图4为Glass/ITO/PEDOTE:PSS/P3HT:PC60BM/四乙醇乙酰丙酮钽(10％乙酸)/Al的电流-电压特性曲线。
图5为Glass/ITO/PEDOTE:PSS/P141:PC60BM/四乙醇乙酰丙酮钽/Al的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
本发明提供一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及电池阴极修饰方法。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明进行进一步的说明，但并不因此而限制本发明的内容。
如图1所示，正向结构聚合物太阳电池主要包含依次层叠的衬底1，透明导电金属氧化物阳极层2，阳极修饰层3，光电活性层4，阴极修饰层5，以及低功函阴极层6，电池以金属导线8与负载或测试装置7连接，入射光9从衬底1方向射入。
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，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，旋涂厚度为30nm，150℃烘烤退火15分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。然后将20mg/m L的P3HT与PC60BM按质量比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(厚度150nm)上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作阴极。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0.57伏，短路电流为9.62毫安每平方厘米，填充因子为0.52，转换效率为2.87％。图2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(正向结构聚合物太阳电池)
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，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOTE:PSS，旋涂厚度为30nm，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM按质量比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(厚度150nm)上，作为光电活性层。然后将四乙醇乙酰丙酮钽溶于乙醇中，搅拌3h。在3000rpm的转速下旋涂该溶液到光电活性层上，得到阴极修饰层(厚度10nm)。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。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。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0.62伏，短路电流为10.26毫安每平方厘米，填充因子为0.65，转换效率为4.11％。
实施例3(正向结构聚合物太阳电池)
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，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOTE:PSS，旋涂厚度为30nm，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM按质量比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(厚度150nm)上，作为光电活性层。然后将四乙醇乙酰丙酮钽溶于乙醇中，并加入体积比10％的乙酸，搅拌3h。在3000rpm的转速下旋涂该溶液到光电活性层上，得到阴极修饰层(厚度10nm)。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。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。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0.63伏，短路电流为9.28毫安每平方厘米，填充因子为0.67，转换效率为3.93％。
实施例4(正向结构聚合物太阳电池)
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，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOTE:PSS，旋涂厚度为30nm，150℃烘烤20分钟，自然冷却，得到阳极修饰层。将12.5mg/mL的PBDTBDD与PC60BM按质量比1:1的混合溶液在1200rpm的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。然后将四乙醇乙酰丙酮钽溶于乙醇中，搅拌3h。在3000rpm的转速下旋涂该溶液到光电活性层上，得到阴极修饰层(厚度10nm)。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。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。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0.89伏，短路电流为12.02毫安每平方厘米，填充因子为0.72，转换效率为7.70％。

Claims (1)

1.一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的太阳能电池阴极修饰方法，所述太阳能电池包括从下至上依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层、光电活性层，光电活性层上设置阴极修饰层，最上是低功函阴极层组成，其特征在于，太阳能电池阴极修饰层由阴极修饰材料四乙醇乙酰丙酮钽溶液旋涂在光电活性层上，得到阴极修饰层；旋涂的转速为3000rpm，旋涂之后不需要进行加热即得到阴极修饰层；该阴极修饰层厚度为10nm；四乙醇乙酰丙酮钽是一种白色粉末状固体，相对分子量为460.30，分子式为C13H27O6Ta，该材料微溶于乙醇，对环境无害。
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