CN106025069A - 一种基于微波制备环境友好界面修饰层及其在制备聚合物太阳能电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波制备环境友好界面修饰层的方法及其在制备高效聚合物太阳能电池中的应用。所述基于微波制备环境友好界面修饰层是以碳源和钝化剂为原料，以水为溶剂，通过微波法一步合成制备得到；所述微波的功率不大于800W；微波的时间为2～15min。本发明所得界面修饰层材料具有低毒性、生物兼容性、光谱可调性、物理化学稳定性、廉价易制备、环境友好等特性，用于制备聚合物太阳能电池，不仅可优化界面层功函数、改善界面层与活性层的接触，而且能有效地增加器件对太阳光的吸收，从而得到高效的聚合物太阳能电池，具有很好的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池材料技术领域。更具体地，涉及一种基于微波制备环境友好界面修饰层及其在制备高效聚合物太阳能电池中的应用。
背景技术
基于共轭聚合物和富勒烯复合体系的聚合物太阳能电池（PSCs）由于其制备成本低、适于大面积及柔性器件的制备而发展迅速，然而，聚合物太阳能电池的工业应用仍需要更进一步提高其能量转换效率（PCE）。其中，对界面层的修饰有利于电荷传输和收集，可提高PSCs的PCE。
常见的PSCs的界面层包括n-型金属氧化物等，如ZnO和AZO。此类材料有着高电子迁移率、优异的光学透过率等特点，并可以通过溶液制备。然而，ZnO和AZO的导带能级与PCBM的LUMO能级并不匹配，此外，金属氧化物表面粗糙易捕获电子，从而导致PSCs性能下降。因此，研制高效界面修饰层成为改善界面层性能，提高PSCs能量转换效率的关键之一。
通过添加界面修饰层，可优化界面层的功函数，改善界面层与活性层的接触，并且能有效地增加器件对太阳光的吸收，从而可改善器件的性能。因此，需要提供一种可通过简便、环保的方法制备水溶性的界面修饰层，降低器件制备成本的同时提高器件的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有聚合物太阳能电池界面层的缺陷和不足，提供一种通过微波法一步合成环境友好的水溶性碳基量子点，作为聚合物太阳能电池的界面修饰层，用于聚合物太阳能电池。本发明通过优化界面层的功函数，改善界面层与活性层的接触，并且能有效地增加器件对太阳光的吸收，从而可改善器件的性能。
本发明的目的是提供一种基于微波制备环境友好界面修饰层。
本发明另一目的是提供上述基于微波制备环境友好界面修饰层的制备方法。
本发明的再一目的是提供一种基于微波制备环境友好界面修饰层的高效聚合物太阳能电池及其制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于微波制备环境友好界面修饰层，是以碳源和钝化剂为原料，以水为溶剂，通过微波法制备得到；所述微波的功率不大于800W；微波的时间为2～15min。
其中，优选地，所述碳源为柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖、果糖、L-抗坏血酸、多巴胺或氨基酸。
更优选地，所述碳源为葡萄糖。
优选地，所述钝化剂为PEG200N、4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺（TTDDA）、二乙醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亚胺（PEI）。
更优选地，所述钝化剂为4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺（TTDDA）。
另外，优选地，所述碳源：钝化剂：水的质量比为0.1～5：0.1～5：5～20。
更优选地，所述碳源：钝化剂：水的质量比为0.5～2：0.5～2：8～15。
更优选地，所述碳源：钝化剂：水的质量比为1：1：10。
更优选地，所述微波的功率为140～700W ，微波的时间为2～15min。
更优选地，所述微波的功率为400～600W，微波的时间为5～12min。
更优选地，所述微波的功率为560W，微波的时间为8min。
另外，具体地，作为一种优选地可实施方案，上述基于微波制备环境友好界面修饰层的方法，包括如下步骤：
S1.将碳源和钝化剂混合加入水中，微波处理；
S2.微波处理后的溶液进行透析，即得到所述界面修饰层溶液。
优选地，步骤S1所述微波处理的条件为：微波功率不大于800W，微波时间为2～15min。
更优选地，步骤S1所述微波的功率为140～700W
，微波的时间为2～15min。
更优选地，步骤S1所述微波的功率为400～600W，微波的时间为5～12min。
更优选地，步骤S1所述微波的功率为560W，微波的时间为8min。
优选地，步骤S1所述碳源为柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖、果糖、L-抗坏血酸、多巴胺或氨基酸。
优选地，步骤S1所述钝化剂为PEG200N、4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亚胺。
更优选地，步骤S1所述碳源为葡萄糖，所述钝化剂为4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺。
优选地，步骤S1所述碳源：钝化剂：水的质量比为0.1～5：0.1～5：5～20。
更优选地，步骤S1所述碳源：钝化剂：水的质量比为0.5～2：0.5～2：8～15。
更优选地，步骤S1所述碳源：钝化剂：水的质量比为1：1：10。
优选地，步骤S2所述透析是使用Mw=1000～10000的透析袋，水环境中透析24～120小时。
更优选地，步骤S2所述透析是使用Mw=3500的透析袋，水环境中透析72～96小时。
更优选地，步骤S2所述透析是使用Mw=3500的透析袋，水环境中透析72小时。
利用上述方法制备得到的环境友好界面修饰层也在本发明的保护范围之内。
上述基于微波制备环境友好界面修饰层在制备环境友好高效聚合物太阳能电池中的应用，也在本发明的保护范围之内。
一种环境友好高效聚合物太阳能电池，所述聚合物太阳能电池为倒装结构，依次包括ITO玻璃、界面层、界面修饰层、活性层、阳极修饰层和顶电极；所述界面修饰层为上述基于微波制备环境友好界面修饰层。
优选地，所述界面层为ZnO、AZO或TiOx等。
优选地，所述活性层为P3HT:PCBM、PTB7-Th:PCBM、PTB7:PCBM或MEH-PPV:PCBM。
优选地，所述阳极修饰层为MoO3、V2O5、NiO或Fe3O4。
优选地，所述顶电极为Al、Ag、Cu、Au或Pt。
另外，具体地，作为一种优选地可实施方案，所述环境友好高效聚合物太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
S1.清洗ITO玻璃，并干燥；
S2.在干燥的ITO玻璃上涂布界面层，180～220℃退火3～8min；
S3.在步骤S2所述界面层上涂布界面修饰层，80～120℃退火8～15min；
S4.在步骤S3所述界面修饰层上涂布活性层；
S5.将步骤S4处理后的样品移至真空镀膜系统，分别蒸镀阳极修饰层和顶电极（即分别蒸镀MoO3和Al）。
其中，优选地，步骤S2所述退火的条件为：200℃退火5 min。
优选地，步骤S3所述退火的条件为：100℃退火10 min。
利用上述制备方法制备得到的基于微波制备环境友好界面修饰层的高效聚合物太阳能电池也在本发明的保护范围之内。
上述所得的聚合物太阳能电池，由于采用碳基量子点做界面修饰层，优化界面层的功函数，改善界面层与活性层的接触，并且能有效地增加器件对太阳光的吸收，从而可改善器件的性能，可广泛应用于光伏器件的界面修饰中。
因此，所述高效聚合物太阳能电池的应用也应在本发明的保护范围之内。
本发明具有以下有益效果：
本发明以碳源和钝化剂为原料，以水为溶剂，通过微波法一步合成水溶性碳基量子点，作为环境友好高效聚合物太阳能电池的界面修饰层，所述的界面修饰层材料具有低毒性、生物兼容性、光谱可调性、物理化学稳定性，廉价易制备，环境友好等特性，用于聚合物太阳能电池，不仅可优化界面层功函数、改善界面层与活性层的接触，而且能有效地增加对太阳光的吸收，从而得到高效的聚合物太阳能电池，具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1为实施例5的聚合物太阳能电池的电压-电流密度曲线。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例
1
基于微波制备环境友好界面修饰层
1、以碳源和钝化剂为原料，以水为溶剂，通过微波法一步合成水溶性碳基量子点，作为环境友好高效聚合物太阳能电池的界面修饰层。
具体地，所述基于微波制备环境友好界面修饰层的方法，包括如下步骤：
S1.将碳源和钝化剂混合加入水中，微波处理；
S2.微波处理后的溶液进行透析，即得到所述界面修饰层溶液。
其中，步骤S1所述微波处理的条件为：微波功率不大于800W，微波时间为2～15min。
步骤S1所述碳源为柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖、果糖、L-抗坏血酸、多巴胺或氨基酸。
步骤S1所述钝化剂为PEG200N、4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亚胺。
步骤S1所述碳源：钝化剂：水的质量比为0.1～5：0.1～5：5～20。
步骤S2所述透析是使用Mw=1000～10000的透析袋，水环境中透析24～120小时。
实施例
2
制备高效聚合物太阳能电池
1、制备界面修饰层，包括如下步骤：
S1.按照碳源：钝化剂：水的质量比为1：1：10的比例，分别将碳源和钝化剂加入水中，560W微波处理8min；
S2.微波处理后的溶液进行透析，即得到所述界面修饰层溶液。
其中，步骤S1所述碳源为葡萄糖，所述钝化剂为4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺。
步骤S2所述透析是Mw=3500的透析袋，水环境中透析72=小时。
2、制备聚合物太阳能电池
利用上述基于微波制备的环境友好界面修饰层制备高效聚合物太阳能电池，具体方法如下：
S1.清洗ITO玻璃，并干燥；
S2.在干燥的ITO玻璃上涂布界面层，200℃退火5 min；
S3.在步骤S2所述界面层上涂布界面修饰层，100℃退火10 min；
S4.在步骤S3所述界面修饰层上涂布活性层；
S5.将步骤S4处理后的样品移至真空镀膜系统，分别蒸镀MoO3和Al。
2、制备所得聚合物太阳能电池为倒装结构，依次包括ITO玻璃、界面层、界面修饰层、活性层、阳极修饰层和顶电极；所述界面修饰层为上述基于微波制备环境友好界面修饰层。
其中，所述界面层为ZnO、AZO或TiOx等，所述活性层为P3HT:PCBM、PTB7-Th:PCBM、PTB7:PCBM或MEH-PPV:PCBM，所述阳极修饰层为MoO3、V2O5、NiO或Fe3O4；所述顶电极为Al、Ag、Cu、Au或Pt。
实施例
3
界面修饰层对
P3HT:PCBM
体系聚合物太阳能电池性能的影响
1、本实施例以ZnO为界面层，P3HT:PCBM作为活性层，分别蒸镀MoO3和Al，制备聚合物太阳能电池，具体方法参见实施例2。
实验分为两组：
（1）对照组：参照实施例2的方法制备聚合物太阳能电池，唯一不同之处在于没有涂布界面修饰层。
（2）实验组：参照实施例2的方法制备的聚合物太阳能电池。
2、测试评价所制备聚合物太阳能电池的PCE性能。
3、结果如表1所示。
表1 标准器件和碳基量子点器件的各项参数
由表1可知，结果显示，使用本发明制得的界面修饰层材料后，聚合物太阳能电池的短路电流和填充因子均得到增加，最终能量转换效率大大提升。
实施例
4
界面修饰层对
PTB7-Th:PCBM
体系聚合物太阳能电池性能的影响
1、本实施例以AZO为界面层，PTB7-Th:PCBM作为活性层，分别蒸镀MoO3和Al，制备聚合物太阳能电池，具体方法参见实施例2。
实验分为两组：
（1）对照组：参照实施例2的方法制备聚合物太阳能电池，唯一不同之处在于没有涂布界面修饰层。
（2）实验组：参照实施例2的方法制备的聚合物太阳能电池。
2、测试评价所制备聚合物太阳能电池的PCE性能。
3、结果如表2所示。
表2 标准器件和碳基量子点器件的各项参数
结果显示，使用本发明制得的界面修饰层材料后，聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流和填充因子均得到增加，最终能量转换效率大大提升。
实施例
5
界面修饰层对
PTB7:PCBM
体系聚合物太阳能电池性能的影响
1、本实施例以ZnO为界面层，PTB7:PCBM作为活性层，分别蒸镀MoO3和Al，制备聚合物太阳能电池，具体方法参见实施例2。
实验分为两组：
（1）对照组：参照实施例2的方法制备聚合物太阳能电池，唯一不同之处在于没有涂布界面修饰层。
（2）实验组：参照实施例2的方法制备的聚合物太阳能电池。
2、测试评价所制备聚合物太阳能电池的PCE性能。
3、结果如附图1和表3所示。
图1为本实施例制备的聚合物太阳能电池的电压-电流密度曲线。
表3 标准器件和碳基量子点器件的各项参数
结果显示，使用本发明制得的界面修饰层材料后，聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流和填充因子均得到增加，最终能量转换效率大大提升。
以上所述为本发明的较佳实施例，但并不以此限定本发明的保护范围，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微波制备环境友好界面修饰层，其特征在于，是以碳源和钝化剂为原料，以水为溶剂，通过微波法制备得到；所述微波的功率不大于800W；微波的时间为2～15min。
2. 根据权利要求1所述基于微波制备环境友好界面修饰层，其特征在于，所述碳源为柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖、果糖、L-抗坏血酸、多巴胺或氨基酸。
3. 根据权利要求1所述基于微波制备环境友好界面修饰层，其特征在于，所述钝化剂为PEG200N、4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亚胺。
4. 根据权利要求1所述基于微波制备环境友好界面修饰层，其特征在于，所述碳源：钝化剂：水的质量比为0.1～5：0.1～5：5～20。
5. 根据权利要求1所述基于微波制备环境友好界面修饰层，其特征在于，所述微波的功率为140～700W ，微波的时间为2～15min。
6. 权利要求1所述基于微波制备环境友好界面修饰层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将碳源和钝化剂混合加入水中，进行微波处理；
S2.微波处理后的溶液进行透析，即得到所述界面修饰层溶液。
7. 权利要求1所述基于微波制备环境友好界面修饰层在制备高效聚合物太阳能电池中的应用。
8. 一种高效聚合物太阳能电池，其特征在于，所述聚合物太阳能电池为倒装结构，依次包括ITO玻璃、界面层、界面修饰层、活性层、阳极修饰层和顶电极；所述界面修饰层为权利要求1所述界面修饰层。
9. 权利要求8所述高效聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.清洗ITO玻璃，并干燥；
S2.在干燥的ITO玻璃上涂布界面层，180～220℃退火3～8min；
S3.在步骤S2所述界面层上涂布界面修饰层，80～120℃退火8～15min；
S4.在步骤S3所述界面修饰层上涂布活性层；
S5.将步骤S4处理后的样品移至真空镀膜系统，分别蒸镀阳极修饰层和顶电极。
10. 权利要求8所述高效聚合物太阳能电池的应用。
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