CN106129248A - 一种水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏电池制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏电池制作方法；将带有亲水基团的水/醇溶性嵌段共轭聚合物与氧化锌双层阴极应用于有机聚合物太阳能电池器件的阴极缓冲层，在聚合物太阳能电池活性层和无机电极之间引入由水/醇溶性嵌段共轭聚合物电解质构成的水/醇溶性共轭聚合物缓冲层。同时用水/醇溶性嵌段共轭聚合物侧链中的烷氧基链等弥补氧化锌表面的氧缺陷并且形成自组装结构；利用嵌段聚合物的自组装性能，为上层活性层提供模板作用，进一步诱导上层活性层形成有序的排列。达到降低界面势垒，改善活性层的形貌。本发明有提高电荷分离及传输效率和提高光伏电池的光电转换效率的优点。能够真正解决目前光伏技术商业化高成本、低输出率的问题。

Description

一种水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏 电池制作方法

技术领域

本发明涉及一种有机光伏电池阴极缓冲层的制作方法，尤其涉及水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏电池制作方法。

背景技术

近年来，有机聚合物薄膜电池以其成本低、重量轻、制作工艺简单，可溶液加工，大面积印刷成膜及可制备柔性器件等优势使得开发低成本、大面积的有机聚合物光伏电池成为可能，这引起了国内外的广泛关注[1-3]。此外，柔性衬底有机高分子薄膜太阳能电池便于采用卷对卷的连续沉积工艺，不仅可以降低电池的制作成本，而且可大面积连续化生产。由于这种生产技术可实现高速和低价兼备，因此许多人认为有机薄膜太阳能光伏技术能够真正解决目前商业化的光伏技术面临的高成本、低输出率问题。然而，活性层和阴极电极界面势垒大，电荷分离和传输效率低严重影响器件的能量转换效率。

目前，文献报道的仅有共轭聚合物电解质作为阴极电子传输层，未见嵌段共轭聚合物电解质作为阴极缓冲层。如Kim课题组报道了两种水/醇溶性的季铵盐离子型共轭聚合物电解质WPF-6-oxy-F和WPF-oxy-F，详见下图1。这两个聚合物的差别仅是WPF-6-oxy-F多了一个乙氧基基团。WPF-6-oxy-F作为阴极界面层修饰P3HT:PCBM有机太阳能电池，以Al,Ag, Au,和Cu作为阴极, 对应的开路电压分别为 0.64, 0.64, 0.58和0.63 V。以Cu为阴极，无电子传输层的效率仅为0.8%，以WPF-6-oxy-F和WPF-oxy-F作为界面层的效率分别提升至2.39%和3.36%。华南理工大学黄飞课题组设计合成了一种新型共轭的两性离子聚合物电解质PF₆NSO，并与对应的单性季铵盐电解质PF₆NBr做对比。^[53]以P-PPV为活性层的聚合物太阳能电池，基于两性离子电解质的PF₆NSO的器件效率相对于光秃秃的Al阴极提高了80多倍，从原有的0.11%提高至8.3%。而对应的单性离子电解质PF₆NBr效率为3.6%。可移动离子对活性层的负面影响在两性离子电解质中降低到了最小化，因为两性离子电解质中没有可自由移动的离子。

目前，广泛报道作为阴极缓冲层的是共轭聚合物电解质。共轭聚合物电解质是由共轭的主链和含有极性离子侧链共同组成。嵌段共轭聚合物电解质和普通的共轭聚合物电解质最大的区别在于前者的主链是同一类物质连成一段，而后者是两种及以上物质交替或无规连接的，有序性差。相对于嵌段共轭聚合物电解质，普通的共轭聚合物电解质因为主链是交替或无规的，有序性差，不能进行自组装。而嵌段共轭聚合物电解质因为聚合物是同一种聚合物集中在一段，具有高度有序性，本身具有自组装性能。嵌段共轭聚合物和普通的交替无规共轭聚合物的示意图如图2。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏电池制作方法，该制作方法合成带有亲水基团的水/醇溶性嵌段共轭聚合物与氧化锌双层阴极应用于有机聚合物太阳能电池器件的阴极缓冲层。

本发明的技术方案为：一种水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏电池制作方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）首先将ITO玻璃基底依次用丙酮、去离子水、洗洁精和异丙醇依次超声清洗十五分钟；

（2）洗净后的ITO片子用氮气吹干并使用紫外光照射30分钟或用Plasmma处理3分钟。将溶于甲醇或乙醇的0.5 mg/mL的嵌段共轭聚合物电解质PFEO-b-PTNBr或PFEO-b-PTImBr溶液通过4000转/分(1 min)的转速旋涂在紫外光照射或Plasmma处理过的ITO基底上并在150℃下退火10分钟，使其形成约5 nm厚的薄膜；

（3）待冷却后，将10 mg P3HT (20 mg/mL)和8 mg PCBM (16 mg/mL)溶解在0.5 mL邻二氯苯中后，旋涂在嵌段共轭聚合物电解质界面层上面并于150℃退火10分钟，形成的活性层厚度约100 nm；

（4）最后热蒸镀7 nm MoO3和70 nm银电极。

本发明有提高电荷分离及传输效率和提高光伏电池的光电转换效率的优点；能够真正解决目前光伏技术商业化高成本、低输出率的问题。

附图说明

图1为本发明的共轭聚合物电解质示意图。

图2为本发明的交替、无规和共轭聚合物示意图。

图3为本发明的嵌段共轭聚合物电解质示意图。

图4为本发明的嵌段共轭聚合物电解质作为电子传输层器件结构图。

图5为本发明的嵌段共轭聚合物电解质作为电子传输层的示意图。

具体实施方式

本发明设计合成带有亲水基团的水/醇溶性嵌段共轭聚合物电解质作为阴极缓冲层应用于有机聚合物太阳能电池器件。设计的嵌段共轭聚合物电解质（Diblock CPEs）的结构如下图3：通过引入嵌段共轭聚合物电解质，可以集合嵌段聚合物和共轭聚合物电解质各自的优点于一身。首先：在活性层和电极之间引入水/醇溶性嵌段共轭聚合物电解质可以起到连接有机层和无机层的作用，且不腐蚀活性层。另外水/醇溶性嵌段共轭聚合物侧链中的烷氧基链等可以弥补ITO表面的氧缺陷并且能形成自组装的结构，从而起到改善表面形貌。此外，嵌段共轭聚合物本身也具有自组装性能，能自组装成有序的结构；其次，侧链的极性基团能赋予聚合物能够溶液水/醇等极性溶剂，实现非卤溶剂加工，环境友好，适用于大面积工业化生产。侧链的极性基团还能够形成界面偶极子，降低活性层与电极之间的界面接触势垒，从而提高电荷的传输和收集效率。另一方面：嵌段聚合物的自组装性能可为上层活性层提供模板作用，从而进一步诱导上层活性层形成有序的排列。利用嵌段共轭聚合物的自组装、以及嵌段聚合物诱导上层活性层的有序排列来共同改善表面形貌，提高其微观结构有序性，进而提高电子迁移率，最终以提高器件效率的作用。综上所述，引入嵌段共轭聚合物电解质作为阴极缓冲层，可以同时解决形貌、电荷分离及传输问题，最终提高太阳能电池的能量转换效率。

本发明设计的器件结构图如下图4所示，主要分为六层，分别为银阳极、三氧化钼空穴传输层、活性层、嵌段共轭聚合物电解质阴极缓冲层、ITO阴极和玻璃基底。主要工作原理如下：主要有三步：(1)激子的产生，当光照射到有机材料时，如果光子的能量大于该材料的禁带宽度E，就会激发电子从该材料的最高已占轨道（HOMO）跃迁到最低未占轨道（LUMO），从而产生激子，激子也就是受束缚的电子-空穴对，激子的结合能约为0.2~1.0 eV；(2)激子扩散及电荷分离，产生的激子扩散到给受体界面处发生分离，如果激子扩散到给受体界面的距离大于激子的扩散长度（约10nm），激子就会复合或跃迁回基态则不能产生光电流， 激子扩散到给受体界面时，电子传输给受体的LUMO能级上，而空穴保留留在给体的HOMO能级上，从而实现了电荷的分离。(3)电荷的传输及收集；在电池内部能级差及内建电场的作用下，发生分离的电子转移给受体并被阴极收集，而空穴沿着给体转移给阳极并被阳极极收集，从而造成光电流和光电压的产生。

Claims (1)

1.一种水/醇溶性嵌段共轭聚合物作为阴极缓冲层的有机光伏电池制作方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）首先将ITO玻璃基底依次用丙酮、去离子水、洗洁精和异丙醇依次超声清洗十五分钟；

（2）洗净后的ITO片子用氮气吹干并使用紫外光照射30分钟或用Plasmma处理3分钟，将溶于甲醇或乙醇的0.5 mg/mL的嵌段共轭聚合物电解质PFEO-b-PTNBr或PFEO-b-PTImBr溶液通过4000转/分(1 min)的转速旋涂在紫外光照射或Plasmma处理过的ITO基底上并在150℃下退火10分钟，使其形成约5 nm厚的薄膜；

（3）待冷却后，将10 mg P3HT (20 mg/mL)和8 mg PCBM (16 mg/mL)溶解在0.5 mL邻二氯苯中后，旋涂在嵌段共轭聚合物电解质界面层上面并于150℃退火10分钟，形成的活性层厚度约100 nm；

（4）最后热蒸镀7 nm MoO3和70 nm银电极。