CN108447993A - 一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，属于有机光电器件技术领域，从下到上的结构依次为透明衬底、导电阴极、光学间隔层、吸光层、阳极缓冲层及金属电极；其中，所述光学间隔层的材料为掺杂铯、硼、铝、镓、铟、镁、锶、钡的氧化锌，掺杂钒、铯、铌的氧化钛中的一种，掺杂物质的浓度为0mol/L‑0.5mol/L，单层光学间隔层的折射率为1.1‑2.2。本发明采用折射率渐变或交替变化的多层半导体薄膜作为光学间隔层，能够更有效的调节器件内光强的分布，进而提高器件吸光层的光吸收。

Description

一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池
技术领域
本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种多层光学间隔层倒置聚合物太阳能电池。
背景技术
聚合物太阳能电池(polymer solar cell，PSC)因材料合成简单、价格低廉、与柔性衬底兼容，可大面积制备等优点而受到广泛关注。近年来，为进一步提高PSC器件的性能和稳定性，将透明电极作为底电极，采用高稳定性金属如金或银作为顶阳极的倒置结构聚合物太阳能电池(inverted polymer solar cell,IPSC)得到深入研究和广泛应用。无论对于PSC或IPSC器件，吸光层对入射光能否充分吸收都是决定器件性能的关键。其中在导电阴极和吸光层之间加入氧化锌，氧化钛光学间隔层被证明是增强器件吸光层光吸收的有效方法。通过调节光学间隔层的厚度来改变器件中各层的光场分布，可有效促进吸光层对入射光的有效吸收，并且在阴极上生长的氧化锌或氧化钛薄膜还同时起到阴极缓冲层的作用，可使阴极、缓冲层和吸光层的LUMO能级形成阶梯形势垒，有利于阴极抽取电子并阻挡空穴向阴极的传输。然而目前所报道的光学间隔层皆采用单层氧化锌或氧化钛薄膜，其厚度在30-100nm之间，虽然进一步增加厚度能够增大光学间隔层对器件吸光层光强分布的调节范围，使其接近理论上的光强极大值，但由于低温制备的氧化锌或氧化钛薄膜的结晶质量较差，因此厚度的增加同时增大了器件的串联电阻，减低了短路电流，反而使器件的光电转换效率下降。
如果能够进一步改进光学间隔层的结构，能够在不增加整个器件串联电阻的前提下增强器件内吸光层对太阳光的吸收，将对聚合物太阳能电池的能量转换效率的提高有着重要价值。
发明内容
本发明是针对目前PSC器件不能对太阳光进行充分吸收的问题，提出一种能够增强器件吸光层光吸收的倒置聚合物太阳能电池：
一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，从下到上的结构依次为透明衬底、导电阴极、光学间隔层、吸光层、阳极缓冲层及金属电极；
其中，所述光学间隔层的材料为掺杂铯、硼、铝、镓、铟、镁、锶、钡的氧化锌，掺杂钒、铯、铌的氧化钛中的一种，掺杂物质的浓度为0mol/L-0.5mol/L，单层光学间隔层的折射率为1.1-2.2。
进一步地，所述的掺杂铯、硼、铝、镓、铟、镁、锶、钡的氧化锌或掺杂钒、铯、铌的氧化钛均采用溶胶凝胶法制备而成。
进一步地，光学间隔层的层数为n，其中，n为大于1的整数，并且每一层薄膜的折射率从下到上依次减小。
进一步地，所述吸光层的厚度为20nm-1000nm；阳极缓冲层的厚度为1nm-100nm；所述金属电极的厚度为50nm-1500nm，每层光学间隔层的厚度为1-100nm。
进一步地，所述导电阴极的材料为氧化铟锡ITO或掺氟氧化锡FTO。
进一步地，所述吸光层的材料为富勒烯及其衍生物、聚对苯乙烯及其衍生物、噻吩类及其衍生物或芳香胺类材料中的一种。
进一步地，所述阳极缓冲层的材料为3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5)、氧化镍(NiO)或三氧化钨(WO3)。
进一步地，所述金属电极的材料为钙、钡、镁、铜、铝、金、银、镍、锌、铂、钼或铁。
与现有采用单层光学间隔层的聚合物太阳能电池相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用折射率渐变或交替变化的多层半导体薄膜作为光学间隔层，能够更有效的调节器件内光强的分布，进而提高器件吸光层的光吸收。
2、本发明中所述的掺杂氧化锌和掺杂氧化钛薄膜光学间隔层，均可采用溶胶凝胶法等湿法技术制备，通过改变掺杂剂浓度即可制备不同折射率的光学间隔层，工艺简单，成本低廉并与roll to roll等大面积制备工艺兼容。
附图说明
图1：本发明的光学间隔层倒置聚合物太阳能电池的结构示意图；
图2：掺杂Cs2CO3浓度分别为0mol/L，0.0025mol/L，0.005mol/L的氧化锌薄膜的透射谱图；
图3：掺杂Cs2CO3浓度分别为0mol/L，0.0025mol/L，0.005mol/L的氧化锌薄膜的折射率实部对比图；
图4：一层光学间隔层薄膜与三层光学间隔层薄膜的SEM图；
其中，a为一层光学间隔层薄膜，b为三层光学间隔层薄膜
图5：一层光学间隔层薄膜与三层光学间隔层薄膜的透射谱；
图6：一层光学间隔层薄膜与三层光学间隔层薄膜的吸收谱；
图7：采用一层光学间隔层与三层光学间隔层结构聚合物太阳能电池的J-V特性曲线对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
对比例
制作结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag的一层光学间隔层器件：
1.器件中导电阴极的材料为氧化铟锡ITO。
2.器件中光学间隔层的层数为单层，采用的材料为氧化锌，一层光学间隔层的厚度为40nm。
3.器件中吸光层的材料为P3HT:PC61BM(P3HT为聚3-己基噻吩，PC61BM为富勒烯衍生物)。
4.器件中阳极缓冲层的材料为MoO3(三氧化钼)，其厚度为4nm。
5.器件中金属电极的材料为银，其厚度为100nm。
具体制备方法如下：
(1)ITO玻璃基底的清洗和预处理：依次在异丙醇、去离子水中超声清洗10min，清洗之后的玻璃基底在180℃的真空干燥箱中烘干，再用紫外-臭氧仪处理表面10min。
(2)制作ZnO阴极缓冲层：将醋酸锌(Zn(AC)2·2H2O)(Sigma-Aldrich，99.999％)，乙醇胺(Amethyst，99.5％)溶于2-甲氧基乙醇(J&K，99％)中，在70℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2小时后，形成均一透明的溶胶，之后静置24小时后待用。其中，醋酸锌和乙醇胺浓度均为0.5mol/L。然后将配置好的溶液旋涂在处理好的ITO衬底上，旋涂条件为1500rpm、40s，并进行退火，退火条件为：快速热退火500℃，15s。
(3)吸光层的制备：将20mg的P3HT(Rieke Metals,4002-E)和20mg的PC61BM(American Dye Source,99％)溶解在1ml的1,2-二氯苯(Acros,98％)中，用磁力搅拌器在40℃搅拌24小时，然后用0.45um聚四氟乙烯滤膜过滤，得到吸光层溶液。将旋涂有ZnO薄膜的ITO玻璃基底移入手套箱中，以700r/min旋涂吸光层1分钟，在110℃退火10分钟。整个过程都是在充满氮气的手套箱中进行的。
(4)蒸镀MoO3阳极缓冲层和Ag电极：将样品从手套箱转移到有机蒸发台，在真空度达到5×10-3Pa时，以蒸镀4nm的MoO3，再以的速率蒸镀100nm的银，最终制得的器件面积为0.04cm2。
实施例1
一种多层光学间隔层倒置聚合物太阳能电池ITO/0.005mol/L CZO+0.0025mol/LCZO+ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag，其中，导电阴极的材料为氧化铟锡ITO，光学间隔层的层数为三层，采用的材料为铯掺杂氧化锌，掺杂Cs2CO3(碳酸铯)的浓度从上到下依次为0mol/L，0.0025mol/L，0.005mol/L，对应的每层折射率如图3所示，掺杂浓度为0mol/L，0.0025mol/L，0.005mol/L薄膜的折射率依次增大，折射率依次为1.12到1.6，1.13到1.53，1.18到1.62。每层光学间隔层的厚度为40nm。
其中，薄膜折射率的算法如下：
如图3所示，掺杂Cs2CO3浓度分别为0mol/L，0.0025mol/L，0.005mol/L的氧化锌薄膜的折射率实部是根据图2的透射谱图，通过公式以及拟合出来的，式中A为固定常数，B为C为原子的共振波长λj，D，E以及F，G同理(其中令N1＝1为空气折射率，N2即为薄膜的折射率，由于氧化锌薄膜在可见光范围内透射率极高，几乎不产生吸收，这里忽略了折射的虚部)。
吸光层的材料为P3HT:PC61BM(P3HT为聚3-己基噻吩，PC61BM为富勒烯衍生物)。
阳极缓冲层的材料为MoO3(三氧化钼)，其厚度为4nm。
金属电极的材料为银，其厚度为100nm。
该聚合物太阳能电池的制备方法具体制备步骤如下：
(1)ITO玻璃基底的清洗和预处理：依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗10min，清洗之后的玻璃基底在180℃的真空干燥箱中烘干，再用紫外-臭氧处理表面10min。
(2)制作光学间隔层(本实施例采用的是三层光学间隔层)：
具体制备过程如下：
①溶胶凝胶法制备铯掺杂氧化锌(CZO)前驱液：将醋酸锌(Zn(AC)2·2H2O)(Sigma-Aldrich，99.999％)，乙醇胺(Amethyst，99.5％)和碳酸铯(Cs2CO3)(J&K，99％)溶于2-甲氧基乙醇(J&K，99％)中，在70℃的恒温磁力搅拌器上搅拌2小时后，形成均一透明的溶胶，之后静置24小时后待用。其中，醋酸锌和乙醇胺浓度均为0.5mol/L。其中加入的Cs2CO3的浓度分别为0mol/L，0.0025mol/L，0.005mol/L。
②制作三层光学间隔层：将配制好的CZO前驱液用旋涂法旋涂在处理好的ITO衬底上，从下到上旋涂的CZO中Cs2CO3的掺杂浓度依次为0.005mol/L，0.0025mol/L，0mol/L，每层的旋涂条件为1500rpm、40s，每层的退火条件为：快速热退火500℃15s+400℃600s。
(3)吸光层的制备：将20mg的P3HT(Rieke Metals,4002-E)和20mg的PC61BM(American Dye Source,99％)溶解在1ml的1,2-二氯苯(Acros,98％)中，用磁力搅拌器在40℃搅拌24小时，然后用0.45um聚四氟乙烯滤膜过滤过滤，得到吸光层溶液。将旋涂有三层光学间隔层的ITO玻璃基底移入手套箱中，以700r/min旋涂吸光层1分钟，在110℃退火10分钟。整个过程都是在充满氮气的手套箱中进行的。
(4)蒸镀MoO3阳极缓冲层和Ag电极：将样品从手套箱转移到有机蒸发台，在真空度达到5×10-3Pa时，以蒸镀4nm的MoO3，再以的速率蒸镀100nm的银，最终制得的器件面积为0.04cm2。
表1为根据图7得到的对比例及实施例1制备的聚合物太阳能电池的开路电压Voc(V)、短路电流密度Jsc(mA/cm2)、填充因子FF(％)、能量转换效率PCE(％)的对比表。
表1：两种结构的PSC器件的性能参数对比
通过表1及图7可以得出，三层光学间隔层结构的聚合物太阳能电池能量转换效率较好，为3.9％，其能量转换效率提高了27.9％。
通过以上结果分析，采用多层光学间隔层结构能增强吸光层对光的吸收，进而增加器件的能量转换效率。

Claims (8)

1.一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，从下到上的结构依次为透明衬底、导电阴极、光学间隔层、吸光层、阳极缓冲层及金属电极；
其中，所述光学间隔层的材料为掺杂铯、硼、铝、镓、铟、镁、锶、钡的氧化锌，掺杂钒、铯、铌的氧化钛中的一种，掺杂物质的浓度为0mol/L-0.5mol/L，单层光学间隔层的折射率为1.1-2.2。
2.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的掺杂铯、硼、铝、镓、铟、镁、锶、钡的氧化锌或掺杂钒、铯、铌的氧化钛均采用溶胶凝胶法制备而成。
3.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的光学间隔层的层数为n，其中，n为大于1的整数，，并且每一层薄膜的折射率从下到上依次减小。
4.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述吸光层的厚度为20nm-1000nm；阳极缓冲层的厚度为1nm-100nm；所述金属电极的厚度为50nm-1500nm，每层光学间隔层的厚度为1-100nm。
5.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述导电阴极的材料为氧化铟锡ITO或掺氟氧化锡FTO。
6.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述吸光层的材料为富勒烯及其衍生物、聚对苯乙烯及其衍生物、噻吩类及其衍生物或芳香胺类材料中的一种。
7.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层的材料为3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐、三氧化钼、五氧化二钒、氧化镍或三氧化钨。
8.如权利要求1所述的一种光学间隔层倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述金属电极的材料为钙、钡、镁、铜、铝、金、银、镍、锌、铂、钼或铁。
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