CN108493342A - 氯化钠修饰反型结构聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池及其制备方法，本发明的聚合物太阳能电池以透明导电玻璃ITO为阴极，以氯化钠修饰后的ZnO为阴极缓冲层，以光活性材料为光活性层，以MoO3为阳极缓冲层，以Ag为金属阳极。本发明通过提高载流子向阴极的传输能力，进而提高了反型结构聚合物太阳能电池的填充因子和光电转化效率，优化了其性能。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物太阳能电池技术领域，尤其涉及一种利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
自工业革命以来，受益于技术改革的快速发展，人类社会取得了极大的进步，但是，能源短缺和环境污染严重的问题日益成为遏制人类发展的关键性问题。面对能源问题和环境污染的双重挑战，杜绝浪费是关键，但是要从根本上解决问题，开发和利用清洁无污染的新能源无疑是理想对策，也是当前世界的研究热点。而太阳能就是一种理想的新能源，清洁、无污染，并且储量巨大，取之不尽，用之不竭，应用前景广阔。
太阳能的应用非常广泛，将其转换为电能便是重要途径之一，可以有效地解决环境污染和能源危机的问题。而聚合物太阳能电池作为将太阳能转换为电能的器件，因其较低的成本、简单的制作工艺、易工业化生产等突出优点，备受海内外专家学者的重视和关注。但是聚合物太阳能电池能量转换效率低的问题一直困扰着科学家们，而聚合物材料中激子的产生效率、空穴和电子分离的几率以及载流子向电极传输的能力都是影响聚合物太阳能电池效率的关键方面。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型的太阳能电池及其制备方法，该方法有利于改善活性层和阴极缓冲层的界面接触性能，提高载流子向阴极的传输能力，进而提高了反型结构聚合物太阳能电池的填充因子和光电转化效率，优化了其性能。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高反型结构聚合物太阳能电池的填充因子和光电转化效率，优化其性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种反型结构聚合物太阳能电池，包括以透明导电玻璃ITO为阴极，以氯化钠修饰后的ZnO为阴极缓冲层，以聚合物为光活性层，以MoO3为阳极缓冲层，以Ag为金属阳极。
进一步地，所述阴极缓冲层的厚度为20～40nm。
进一步地，所述光活性层的厚度为50～100nm。
进一步地，所述阳极缓冲层的厚度为3～5nm。
进一步地，所述金属阳极的厚度为90～120nm。
进一步地，所述光活性层中的给体材料为PTB7-Th(poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b；4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)])。
进一步地，所述光活性层中的受体材料为PC71BM(pheny-C71-butyric acidmethyl eater富勒烯衍生物)。
本发明也提供了一种反型结构聚合物太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、先用洗涤液润湿的无尘布将ITO玻璃表面擦拭一遍，将表面的灰尘等大颗粒异物清洗掉，然后依次用洗涤液、去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇各超声一段时间后，用氮气枪把表面异丙醇吹干，最后对ITO玻璃做打氧处理，进一步清洗表面的残留有机物，以提高旋涂成膜的质量，将清洗彻底的ITO玻璃避尘保存备用；
步骤2、将0.8～2.95g醋酸锌加入到50～125ml的甲醇中，并在60～68℃条件下持续加热搅拌，然后在室温下，将0.6～1.49g的氢氧化钾加入到30～65ml的甲醇中，搅拌至完全溶解后，以0.1ml/5s的速度滴加到上述醋酸锌的甲醇溶液中，并继续在60～68℃条件下加热搅拌反应2～3个小时，待反应结束后将制得的ZnO甲醇混合溶液静置，用甲醇洗涤2～3次后，分散到30～75ml正丁醇、2～3ml甲醇和2～3ml三氯甲烷的混合溶液中，避光保存备用；在室温下，配置摩尔浓度为1.7×10-3～1.7×10-6M的氯化钠的甲醇溶液，将所制备的ZnO和氯化钠溶液按体积比1:4的比例混合，将所得的混合溶液以1500～3000rpm的转速旋涂在所述导电阴极ITO上，然后放在加热板上，在150～200℃的的条件下退火处理20～30min后得到NaCl@ZnO的所述阴极缓冲层，厚度为20～40nm；
步骤3、将给体材料PTB7-Th和受体材料PC70BM按1:1.5的质量比进行混合，然后加入有机溶剂中，在60～80℃条件下，磁力搅拌12～24小时，配置成均匀的浓度为8～15mg/ml的混合溶液；然后将混合溶液旋涂在所述阴极缓冲层上，旋涂速度为1000～1600rpm，得到所述光活性层，厚度为50～100nm；
步骤4、在所述光活性层上蒸镀所述MoO3阳极缓冲层，厚度为3～5nm；
步骤5、在所述MoO3阳极缓冲层上继续蒸镀厚度为90～120nm的Ag作为所述金属阳极。
进一步地，所述步骤3中的所述有机溶剂为二氯苯。
进一步地，所述步骤4和所述步骤5是在多源有机气相分子沉积系统中完成。
本发明所描述的器件结构采用的是典型的反型结构。太阳能电池的阴极缓冲层为通过氢氧化钾还原醋酸锌制备的ZnO颗粒。通过采用氯化钠与上述制备的ZnO颗粒简单溶液混合后再旋涂在透明导电玻璃ITO表面的方法，在充分利用氯化钠较强的电负性和吸电子能力的基础上，达到钝化ZnO阴极缓冲层氧空位的目的。该方法有利于改善活性层和阴极缓冲层的界面接触性能，提高载流子向阴极的传输能力，进而提高了反型结构聚合物太阳能电池的填充因子和光电转化效率，优化了其性能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的制备方法流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的光电流密度曲线对比图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，一种反型结构聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：首先将清洗彻底的透明导电ITO玻璃作为阴极，然后用氯化钠修饰后的ZnO旋涂在导电阴极ITO上，得到阴极缓冲层，再将给体材料PTB7-Th和受体材料PC71BM按1:1.5的质量比进行混合，然后加入有机溶剂中，配置成均匀的浓度为8～15mg/ml的混合溶液，再将混合溶液旋涂在阴极缓冲层上，得到光活性层；最后在光活性层上蒸镀MoO3阳极缓冲层，然后在MoO3阳极缓冲层上继续蒸镀Ag作为金属阳极，从而制备完成一种利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池。
实施例一
(1)先用洗涤液润湿的无尘布将ITO表面擦拭一遍，然后依次用洗涤液、去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇各超声15分钟后，干燥氮气吹干，并对ITO表面做打氧处理；
(2)将1.475g醋酸锌加入到67.5ml的甲醇中，在66℃条件下加热搅拌溶解；在室温下，将0.74g的氢氧化钾加入到37.5ml的甲醇中，搅拌至完全溶解后，以0.1ml/5s的速度滴加到上述醋酸锌的甲醇溶液中，并在66℃条件下加热搅拌反应2.5个小时，待反应结束后将制得的ZnO甲醇混合溶液静置，用甲醇洗涤2次后，分散到35ml正丁醇、2.5ml甲醇和2.5ml三氯甲烷的混合溶液中，避光保存备用。在室温下，配置摩尔浓度为1.7×10-5M的氯化钠的甲醇溶液，将所制备的ZnO和氯化钠溶液按体积比1:4的比例混合，将所得的混合溶液以2000rpm的转速旋涂在导电阴极上，然后放在加热板上，在160℃的的条件下退火处理20min后得到NaCl@ZnO的阴极缓冲层；
(3)将给体材料PTB7-Th和受体材料PC70BM按1:1.5的质量比进行混合溶解到二氯苯中，在80℃条件下，磁力搅拌12个小时后以1600rpm的旋涂速度旋涂在阴极缓冲层上，得到光活性层，厚度为100nm；
(4)将样品取出转移到热蒸发系统，通过真空蒸镀的方法在光活性层上蒸镀一层MoO3作为阳极缓冲层，厚度为4nm，蒸镀速率为0.02nm/s；
(5)在MoO3阳极缓冲层上继续蒸镀厚度为100nm的Ag作为阳极，蒸镀速率为1nm/s，从而制备完成了一种利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池。
图2为实施例一制备的利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池与对比器件在100mw/cm2的AM1.5G标准太阳光照下测得的V-I特性曲线；使用的是2Keithley，SMU2420数字源表。如图2所示，曲线a表示未利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池的光电流密度-电压曲线，曲线b表示利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池的光电流密度-电压曲线。从图中可以清晰看到，本发明采用氯化钠修饰阴极传输层的方法有效提高了太阳能电池的性能。
实施例二
(1)先用洗涤液润湿的无尘布将ITO表面擦拭一遍，然后依次用洗涤液、去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇各超声15分钟后，干燥氮气吹干，并对ITO表面做打氧处理；
(2)将2.3g醋酸锌加入到120ml的甲醇中，在67℃条件下加热搅拌溶解；在室温下，将1.3g的氢氧化钾加入到60ml的甲醇中，搅拌至完全溶解后，以0.2ml/5s的速度滴加到上述醋酸锌的甲醇溶液中，并在67℃条件下加热搅拌反应3个小时，待反应结束后将制得的ZnO甲醇混合溶液静置，用甲醇洗涤3次后，分散到35ml正丁醇、2.5ml甲醇和2.5ml三氯甲烷的混合溶液中，避光保存备用。在室温下，配置摩尔浓度为1.7×10-6M的氯化钠的甲醇溶液，将所制备的ZnO和氯化钠溶液按体积比1:4的比例混合，将所得的混合溶液以3000rpm的转速旋涂在导电阴极上，然后放在加热板上，在200℃的的条件下退火处理30min后得到NaCl@ZnO的阴极缓冲层；
(3)将给体材料PTB7-Th和受体材料PC71BM按1:1.5的质量比进行混合溶解到二氯苯中，在60℃条件下，磁力搅拌24个小时后以1200rpm的旋涂速度旋涂在阴极缓冲层上，得到光活性层，厚度为80nm；
(4)将样品取出转移到热蒸发系统，通过真空蒸镀的方法在光活性层上蒸镀一层MoO3作为阳极缓冲层，厚度为4nm，蒸镀速率为0.04nm/s；
(5)在MoO3阳极缓冲层上继续蒸镀厚度为100nm的Ag作为阳极，蒸镀速率为0.5nm/s，从而制备完成了一种利用氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，包括以透明导电玻璃ITO为阴极，以氯化钠修饰后的ZnO为阴极缓冲层，以导电聚合物和富勒烯衍生物为光活性层，以MoO3为阳极缓冲层，以Ag为金属阳极。
2.如权利要求1所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层的厚度为20～40nm。
3.如权利要求1所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层的厚度为50～100nm。
4.如权利要求1所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层的厚度为3～5nm。
5.如权利要求1所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极的厚度为90～120nm。
6.如权利要求3所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层中的给体材料为PTB7-Th。
7.如权利要求3所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层中的受体材料为PC71BM。
8.一种氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、先用洗涤液润湿的无尘布将ITO玻璃表面擦拭一遍，将表面的灰尘等大颗粒异物清洗掉，然后依次用洗涤液、去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇各超声一段时间后，用氮气枪把表面异丙醇吹干，最后对ITO玻璃做打氧处理，进一步清洗表面的残留有机物，以提高旋涂成膜的质量，将清洗彻底的ITO玻璃避尘保存备用；
步骤2、将0.8～2.95g醋酸锌加入到50～125ml的甲醇中，并在60～68℃条件下持续加热搅拌，然后在室温下，将0.6～1.49g的氢氧化钾加入到30～65ml的甲醇中，搅拌至完全溶解后，以0.1ml/5s的速度滴加到上述醋酸锌的甲醇溶液中，并继续在60～68℃条件下加热搅拌反应2～3个小时，待反应结束后将制得的ZnO甲醇混合溶液静置，用甲醇洗涤2～3次后，分散到30～75ml正丁醇、2～3ml甲醇和2～3ml三氯甲烷的混合溶液中，避光保存备用；在室温下，配置摩尔浓度为1.7×10-3～1.7×10-6M的氯化钠的甲醇溶液，将所制备的ZnO和氯化钠溶液按体积比1:4的比例混合，将所得的混合溶液以1500～3000rpm的转速旋涂在所述导电阴极ITO上，然后放在加热板上，在150～200℃的的条件下退火处理20～30min后得到NaCl@ZnO的所述阴极缓冲层，厚度为20～40nm；
步骤3、将给体材料PTB7-Th和受体材料PC71BM按1:1.5的质量比进行混合，然后加入有机溶剂中，在60～80℃条件下，磁力搅拌12～24小时，配置成均匀的浓度为8～15mg/ml的混合溶液；然后将混合溶液旋涂在所述阴极缓冲层上，旋涂速度为1000～1600rpm，得到所述光活性层，厚度为50～100nm；
步骤4、在所述光活性层上蒸镀所述MoO3阳极缓冲层，厚度为3～5nm；
步骤5、在所述MoO3阳极缓冲层上继续蒸镀厚度为90～120nm的Ag作为所述金属阳极。
9.如权利要求8所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的所述有机溶剂为二氯苯。
10.如权利要求8所述的氯化钠修饰阴极传输层的反型结构聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4和所述步骤5是在多源有机气相分子沉积系统中完成。
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