CN109301071B - 一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法及其应用。所述制备方法包括以下步骤：使用循环伏安法对0.01M～0.1M的导电聚合物单体电解质溶液施加0到0.4～1.8V的电压，使用50mV/s～600mV/s的扫速，聚合2～10圈，沉积到ITO电极上得导电聚合物薄膜；在电化学聚合导电聚合物薄膜上旋涂浓度为0～5mg/ml的氧化剂溶液，得偶极界面。本发明在制备导电聚合物薄膜时可以调控薄膜的厚度和粗糙度，可以大面积制备，并且不需要退火等步骤。通过旋涂氧化剂溶液，可以调控界面的电导率、粗糙度、功函、疏水性、迁移率等性质，实现有机太阳能电池性能的提升。

Description

一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于有机太阳能电池界面工程领域，具体涉及一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法及其应用。
背景技术
作为新型清洁能源技术，有机太阳能电池以其柔性、可印刷、环境友好等优点，获得了飞速的发展。在有机太阳能电池的工作过程中，界面层起到抽取和传输载流子的作用，对电池的性能起到至关重要的作用。
偶极界面是有机太阳能电池中经常被使用的高效界面，通过吸引电级或活性层的电子，构成界面偶极，调控界面的功函、迁移率等参数，从而提高有机太阳能电池的各项性能。传统的偶极界面多采用溶液加工的方法制备，对界面材料的溶液度要求较高，并且经常需要退火等操作，导致了应用的局限性。而在近些年的研究中，电化学聚合法被证明为一种良好的制备有机太阳能电池界面的方法，可以精确调控界面的电导率、粗糙度、疏水性、迁移率等特性，从而提高电池器件的性能。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法。本发明利用电化学聚合法制备导电聚合物薄膜，旋涂氧化剂溶液构筑界面偶极，要求导电聚合物的电子最高占据轨道(HOMO)要高于氧化剂的电子最低未占据轨道(LUMO)。该制备方法简化了工艺步骤，提高了器件性能。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制得的有机太阳能电池阳极偶极界面构筑的有机太阳能电池器件。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法，包括以下步骤：
(1)将导电聚合物单体溶于0.1M的电解质溶液中，使导电聚合物单体浓度为0.01M～0.1M，使用循环伏安法施加最低电压为0、最高电压为0.4～1.8V的扫描电压，使用50mV/s～600mV/s的扫速，聚合2～10圈，沉积到ITO电极上得导电聚合物薄膜；
(2)在电化学聚合制得的导电聚合物薄膜上以500r/min～6000r/min的速度旋涂0～5mg/ml(0为不旋涂)的氧化剂溶液，得偶极界面。
优选的，步骤(1)所述的导电聚合物单体为苯胺、吡咯或3,4-乙撑二氧噻吩(EDOT)中的任意一种。
优选的，步骤(1)所述的电解质为四丁基六氟磷酸铵和高氯酸锂中的任意一种。
优选的，步骤(2)所述的氧化剂为2,3,5,6-四氟-7,7’,8,8’-四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)和氯化铁(FeCl3)中的任意一种。
优选的，步骤(2)所述的氧化剂溶液浓度为0～5mg/ml。
一种有机太阳能电池器件，包括依次层叠的衬底ITO、上述偶极界面(阳极界面)、活性层、PFN-Br层以及Al层。
优选的，所述的有机太阳能电池的活性层中，电子给体材料为酞氰类和噻吩寡聚物中的任意一种，电子受体材料为富勒烯C60及其衍生物、富勒烯C70及其衍生物中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明在制备导电聚合物薄膜时可以调控薄膜的厚度和粗糙度，可以大面积制备，并且不需要退火等步骤。通过旋涂氧化剂溶液，可以调控界面的电导率、粗糙度、功函、疏水性、迁移率等性质，实现有机太阳能电池性能的提升。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的偶极界面的原理图。
图2是本发明实施例1制备的PEDOT薄膜的原子力显微镜镜图片。
图3是本发明实施例2制备的偶极界面的原子力显微镜镜图片。
图4是本发明实施例2制备的氧化剂旋涂薄膜和偶极界面的归一化UV吸收光谱对比图。
图5是本发明实施例1和2制备的PEDOT薄膜和偶极界面作为有机太阳能电池的阳极界面时器件性能的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中实现一种有机太阳能电池阳极偶极界面的电化学制备方法采用的是三电极电解池，使用电化学工作站与电解池连接，从而施加扫描电压。实验例所使用的工作电级为氧化铟锡(ITO)，对电级为Ti板，参比电级为标准Ag+电极。
实施例中有机太阳能电池器件的结构为ITO/阳极界面/活性层/PFN-Br/Al制备步骤如下：
将同一批次的ITO经丙酮、ITO清洗液、去离子水、异丙醇反复超声洗涤后，在80℃烘箱中恒温烘干。然后将ITO转移到氮气保护的手套箱中，在三电极电解池体系中，使用循环伏安法，电化学聚合导电聚合物。之后对得到的导电聚合物进行洗涤，氮气吹干，然后置于匀胶机上，旋涂氧化剂溶液，得到偶极界面。将活性层物质按一定比例配成溶液，加热使其完全溶解，然后均匀地旋涂到偶极界面上，制得有机太阳能电池活性层，厚度为50～200nm。将活性层放入真空仓中，使溶剂彻底挥发。而后配制一定浓度的PFN-Br溶液，均匀地旋涂到活性层上作为阴极界面，厚度为2～10nm。之后将器件转移到真空蒸镀仓中，抽至一定真空度后开始蒸镀，蒸镀50～200nm厚度的Al。蒸镀完成后将有机太阳能电池器件进行封装，使用AM1.5G太阳光模拟灯测量电池器件的电流密度-电压(J-V)曲线，反映出电池器件的各项性能。
实施例1
本实施例中有机太阳能电池器件的结构为ITO/阳极界面/活性层/PFN-Br/Al，制备步骤如下：
将ITO经丙酮、ITO清洗液、去离子水、异丙醇反复超声洗涤后，在80℃烘箱中恒温烘干。然后将ITO转移到氮气保护的手套箱中，在三电极电解池体系中，使用循环伏安法电化学聚合导电聚合物。
循环伏安法电化学聚合导电聚合物的具体步骤如下：将EDOT溶解于0.1M的四丁基六氟磷酸铵电解质溶液中，使EDOT浓度为0.1M，使用循环伏安法在0～1.0V的范围内扫描，扫描速度为200mV/s，扫描5圈，经洗涤吹干后用于有机太阳能电池的阳极界面。
本实施例所述活性层为聚苯并二噻吩衍生物材料(PTB7)和碳70衍生物-[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)。
将活性层物质PTB7与PC71BM按质量比1：1.5配成溶液，加热使其完全溶解，然后均匀地旋涂到上述制得的偶极界面上，制得有机太阳能电池活性层，厚度为50～200nm。将活性层放入真空仓中，使溶剂彻底挥发。而后配制浓度0.2mg/ml的PFN-Br溶液，均匀地旋涂到活性层上作为阴极界面，厚度为2～10nm。之后将器件转移到真空蒸镀仓中，抽至真空度为4×10-5Pa后开始蒸镀，蒸镀50～200nm厚度的Al。蒸镀完成后将有机太阳能电池器件进行封装，使用AM1.5G太阳光模拟灯测量电池器件的电流密度-电压(J-V)曲线，反映出电池器件的各项性能。
图2为本实施例制备的聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)薄膜的原子力显微镜图片。从图2可以看出，电聚合PEDOT薄膜的均方根粗糙度较大，为8.73nm。
图5是本实施例制备的电聚合PEDOT薄膜和实施例2制备的偶极界面作为有机太阳能电池的阳极界面时器件性能的对比图。从图5可以看出，使用非偶极的电聚合PEDOT薄膜作为阳极界面时，电池器件的性能较低，开路电压、短路电流等参数均低于使用偶极界面的器件。
实施例2
本实施例中有机太阳能电池器件的结构为ITO/阳极界面/活性层/PFN-Br/Al，制备步骤如下：
将ITO经丙酮、ITO清洗液、去离子水、异丙醇反复超声洗涤后，在80℃烘箱中恒温烘干。然后将ITO转移到氮气保护的手套箱中，在三电极电解池体系中，使用循环伏安法电化学聚合导电聚合物。
循环伏安法电化学聚合导电聚合物的具体步骤如下：将EDOT溶解于0.1M的四丁基六氟磷酸铵电解质溶液中，使EDOT浓度为0.1M，使用循环伏安法在0～1.0V的范围内扫描，扫描速度为200mV/s，扫描5圈，以3000r/min的速度旋涂1mg/ml的F4TCNQ溶液，经洗涤吹干后用于有机太阳能电池的阳极界面。
本实施例所述活性层为聚苯并二噻吩衍生物材料(PTB7)和碳70衍生物-[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)。
将活性层物质PTB7与PC71BM按质量比1：1.5配成溶液，加热使其完全溶解，然后均匀地旋涂到上述制得的偶极界面上，制得有机太阳能电池活性层，厚度为50～200nm。将活性层放入真空仓中，使溶剂彻底挥发。而后配制浓度0.2mg/ml的PFN-Br溶液，均匀地旋涂到活性层上作为阴极界面，厚度为2～10nm。之后将器件转移到真空蒸镀仓中，抽至真空度为4×10-5Pa后开始蒸镀，蒸镀50～200nm厚度的Al。蒸镀完成后将有机太阳能电池器件进行封装，使用AM1.5G太阳光模拟灯测量电池器件的电流密度-电压(J-V)曲线，反映出电池器件的各项性能。
图1为本实施例制备的偶极界面的原理图，电聚合PEDOT的HOMO能级高于F4TCNQ的LUMO能级，因此可以发生自发的电子转移，形成PEDOT阳离子和F4TCNQ的双离子层，从而构筑了偶极界面。
图3是本实施例制备的偶极界面的原子力显微镜图片。从图3可以看出，偶极界面的均方根粗糙度较小，为6.60nm。
图4是本发明氧化剂旋涂薄膜和偶极界面的归一化的UV吸收光谱对比图。从图中可以看出，偶极界面中的吸收峰由F4TNCQ旋涂薄膜中的330nm转化为380nm和660nm，证明了F4TCNQ阴离子和PEDOT阳离子的形成，证明了偶极界面的形成。
图5是本实施例制备的偶极界面和实施例1制备的电聚合PEDOT薄膜作为有机太阳能电池的阳极界面时器件性能的对比图。从图5可以看出，使用偶极界面作为阳极界面时，电池器件的性能较高，开路电压、短路电流等参数均高于使用电聚合PEDOT的器件。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将导电聚合物单体溶于0.1M的电解质溶液中，使导电聚合物单体浓度为0.01M～0.1M，使用循环伏安法施加最低电压为0、最高电压为0.4～1.8V的扫描电压，使用50mV/s～600mV/s的扫速，聚合2～10圈，沉积到ITO电极上得导电聚合物薄膜；
(2)在电化学聚合制得的导电聚合物薄膜上以500r/min～6000r/min的速度旋涂浓度为0～5mg/ml的氧化剂溶液，得偶极界面。
2.根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的导电聚合物单体为苯胺、吡咯或3,4-乙撑二氧噻吩中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的电解质为四丁基六氟磷酸铵和高氯酸锂中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的氧化剂为2,3,5,6-四氟-7,7’,8,8’-四氰二甲基对苯醌和氯化铁中的任意一种。
5.一种有机太阳能电池器件，其特征在于，包括依次层叠的衬底ITO、权利要求1至4任一项所述的一种有机太阳能电池阳极偶极界面的制备方法制得的偶极界面、活性层、PFN-Br层以及Al层。
6.根据权利要求5所述的一种有机太阳能电池器件，其特征在于，所述的有机太阳能电池的活性层中，电子给体材料为酞氰类和噻吩寡聚物中的任意一种，电子受体材料为富勒烯C60及其衍生物、富勒烯C70及其衍生物中的任意一种。
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