CN109309161A - 一种离子液体的应用、太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子液体的应用、太阳能电池器件及其制备方法，该离子液体的结构式为：

Description

一种离子液体的应用、太阳能电池器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子光伏技术领域，具体涉及一种离子液体的应用、太阳能电池器件及其制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池为第三代光伏技术，因具有制造材料丰富、质量轻、成本低、半透明且可采用溶液加工方法制备柔性大面积器件等优势而备受关注。倒置构型聚合物太阳电池主要采用高功函的金属作为顶电极，稳定的金属氧化物作为阳极界面层，避免了传统构型中低功函金属电极与环境中的水蒸汽和氧气作用以及PEDOT:PSS空穴传输层腐蚀ITO等缺点,可提高聚合物太阳电池的稳定性；而且倒置器件中受体和给体材料垂直方向上的相分离与器件的阴阳极是相对应的，有利于载流子的传输和收集，从而改善器件性能。
倒置聚合物太阳电池相对于传统构型器件具有更高的光电转换效率和稳定性。倒置聚合物太阳电池中常用的受体材料为富勒烯衍生物，其LUMO能级约为-4.3eV，而ITO阴极的功函约为4.7eV，导致阴极与受体材料之间的能级不匹配，在界面处形成较大的接触势垒，不利于电子的导出，电荷聚集和复合损失将降低聚合物太阳电池的光电转换效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种离子液体的应用、太阳能电池器件及其制备方法，其中离子液体可作为阴极修饰层材料应用于太阳能电池器件，可提高太阳能电池器件的性能，提高光电转换效率。
本发明所采用的技术方案是：一种离子液体作为阴极修饰层材料在制备太阳能电池器件中的应用，所述离子液体的名称为[HOEtMlm]BF4，化学式为：C6H11BF4N2O，所述离子液体的结构式为：
本发明还提供了一种太阳能电池器件，包括阴极修饰层，所述阴极修饰层的材料包括离子液体，所述离子液体的结构式为：
优选地，所述太阳能电池器件还包括衬底、阴极界面层、阴极修饰层、活性层、阳极界面层和金属电极，所述衬底、阴极界面层、阴极修饰层、活性层、阳极界面层和金属电极依次层叠设置。优选地，所述金属电极包括金属铝和金属银中的至少一种。
优选地，所述活性层为含电子给体材料和电子受体材料的本体异质结结构的薄膜层，厚度一般为80-120μm。所述电子给体材料可包括聚乙烯撑类芳香聚合物、聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚苯并二噻吩中的至少一种。所述电子受体材料包括富勒烯及其衍生物中的至少一种；富勒烯衍生物包括PC61BM、PC71BM等。
优选地，所述阳极修饰层包括聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(即PEDOT：PSS)薄膜、氧化钼薄膜、氧化镍薄膜、氧化钒薄膜和氧化钨薄膜中的至少一种。
优选地，所述阴极界面层的材料包括氧化钛(TiOx)、氟化锂(LiF)和氧化锌(ZnO)中的至少一种。所述衬底通常为玻璃或透明塑料薄膜。
另外，本发明还提供了一种以上太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上制备阴极界面层；
S2、将离子液体溶于溶剂中，然后利用溶解后的离子液体在所述阴极界面层上制备阴极修饰层；
S3、在所述阴极修饰层上依次制备活性层、阳极界面层和金属电极。
优选地，在步骤S2中，利用溶解后的离子液体通过溶液加工法在所述阴极界面层上制备阴极修饰层；所述溶液加工法为旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷和喷墨打印方法中的任一种。
优选地，所述溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜N,N-二甲基甲酰胺中的任一种。所述离子液体在所述溶剂中的质量分数一般为0.05％-0.7％。
另外，以上阴极界面层、阳极界面层的制备可通过溶液加工法或真空蒸镀法，活性层的制备可通过溶液加工法。溶液加工法可选自旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷和喷墨打印方法中的任一种；溶液中的溶剂可选用有机溶剂或者混合溶剂；有机溶剂一般为有机极性溶剂；混合溶剂通常由有机极性溶剂组成。有机极性溶剂具体可选用醇、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
本发明的有益技术效果是：本发明提供一种离子液体的应用、太阳能电池器件及其制备方法。本发明中离子液体为一种绿色环保的材料，具有合成简单、环境友好、高离子电导率、蒸气压可忽略不计、良好的化学稳定性、容易调节的物理和化学性质等独特的性能，可将其作为阴极修饰层材料应用于制备太阳能电池器件，可提高太阳能电池器件的性能，提高光电转换效率，且可降低成本。一方面，该离子液体结构的支链上含羟基，具有亲水性，从而使该离子液体在极性溶液中具有很好的溶解性，同时可使其在成膜时更为均匀。另一方面，由于离子液体上羟基的给电子能力大于吸电子能力，可减少阴极界面层层对光生载流子的复合，使得载流子浓度更高，从而形成更大的限流；在经过界面修饰后，产生的界面偶极子更有利于电子的传输，从而可提高聚合物太阳能电池的效率。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。
图1是本发明实施例1所制得太阳能电池器件的结构示意图；
图2是图1所示太阳能电池器件的电压-电流密度曲线图；
图3是实施例2所制得太阳能电池器件的电压-电流密度曲线图；
图4是实施例3所制得太阳能电池器件的电压-电流密度曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
对照例
制备倒置聚合物太阳能电池器件：
将购置的ITO玻璃依次用丙酮、去离子水、无水乙醇超声清洗，置于80℃烘箱烘干备用。开始实验前，将ITO玻璃放置在等离子体处理器中处理30秒，然后将配好的醋酸锌溶液旋涂在ITO上，200℃退火1小时，使其完全水解生产氧化锌(ZnO)层。
将聚合物给体材料PTB7-Th和受体材料PC71BM按照质量比例为2:3称于干净的玻璃瓶中，转入氮气手套箱中，添加氯苯和1,8-二碘辛烷(DIO)溶解成一定浓度的活性层溶液。在氮气手套箱中，在ZnO层上旋涂一层活性层材料。在真空度为1×10-4mbar的真空镀膜机中，蒸镀三氧化钼和铝电极。
所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内进行。最终获得结构为ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Al的倒置聚合物太阳能电池器件。
在一个标准太阳光照下(AM 1.5光谱)，通过Keithley2400电流电压源检测该器件的电流－电压特性，得器件短路电流密度为16.58mA/cm2,开路电压为0.77V，填充因子64.74，转换效率8.27％。
实施例1
制备阴极修饰层离子液体质量分数为0.1％的倒置聚合物太阳能电池器件：
将购置的ITO玻璃依次用丙酮、去离子水、无水乙醇超声清洗，置于80℃烘箱烘干备用。开始实验前，将ITO玻璃放置在等离子体处理器中处理30秒，然后将配好的醋酸锌溶液旋涂在ITO上，200℃退火1小时，使其完全水解生产氧化锌(ZnO)层。将溶解在甲醇溶液中的质量分数为0.1％的[HOEtMlm]BF4离子液体旋涂在氧化锌层上，形成一层阴极界面修饰层。
将聚合物给体材料PTB7-Th和受体材料PC71BM按照质量比为2:3称于干净的玻璃瓶中，转入氮气手套箱中，添加氯苯和DIO溶解成一定浓度的活性层溶液。在氮气手套箱中，在ZnO层上旋涂一层活性层材料。在真空度为1×10-4mbar的真空镀膜机中，蒸镀三氧化钼和铝电极。
最终制得结构为ITO/ZnO/[HOEtMlm]BF4/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Al的倒置聚合物太阳能电池器件，具体如图1所示，该太阳能电池器件包括依次层叠设置的ITO衬底1、ZnO阴极界面层2、[HOEtMlm]BF4阴极修饰层3、PTB7-Th:PC71BM活性层4、MoO3阳极界面层5和Al金属电极6。
使用与对照例相同的测量方法检测器件的电流－电压特性，测得器件短路电流密度为17.61mA/cm2,开路电压为0.78V，填充因子64.57，转换效率8.87％。具体电压-电流密度曲线图如图2所示。
实施例2
制备阴极修饰层离子液体质量分数为0.3％的倒置聚合物太阳能电池器件：
本实施例倒置聚合物太阳能电池器件的制备方法与实施例1中制备方法基本相同，不同之处在于：本实施例中阴极修饰层[HOEtMlm]BF4离子液体的质量分数为0.3％。其他制备过程与实施例1相同。
采用与对照例相同的方法检测器件的电流-电压特性，测得器件短路电流密度为18.78mA/cm2,开路电压为0.78V，填充因子64.64，转换效率9.47％。具体电压-电流密度曲线图如图3所示。
实施例3
制备阴极修饰层离子液体质量分数为0.5％的倒置聚合物太阳能电池器件：
本实施例倒置聚合物太阳能电池器件的制备方法与实施例1光伏器件的制备方法基本相同，不同之处在于：本实施例中阴极修饰层[HOEtMlm]BF4离子液体的质量分数为0.5％。其他制备过程与实施例1相同。
采用与对照例相同的方法检测器件的电流-电压特性，测得器件短路电流密度为16.77mA/cm2,开路电压为0.78V，填充因子64.53，转换效率8.44％。具体电压-电流密度曲线图如图4所示。
从图2-4所示的实验结果中可以看出，在加入[HOEtMlm]BF4离子液体以后，聚合物太阳能电池器件的短路电流明显增加，有效减少了ZnO阴极界面层的缺馅，提高载流子迁移率，最终表现出加入以上阴极修饰层的太阳能电池器件具有更高的光电转换效率。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.离子液体作为阴极修饰层材料在制备太阳能电池器件中的应用，其特征在于，所述离子液体的结构式为：
2.一种太阳能电池器件，其特征在于，包括阴极修饰层，所述阴极修饰层的材料包括离子液体，所述离子液体的结构式为：
3.根据权利要求2所述的太阳能电池器件，其特征在于，还包括衬底、阴极界面层、阴极修饰层、活性层、阳极界面层和金属电极，所述衬底、阴极界面层、阴极修饰层、活性层、阳极界面层和金属电极依次层叠设置。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池器件，其特征在于，所述活性层为含电子给体材料和电子受体材料的薄膜层。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池器件，其特征在于，所述电子给体材料包括聚乙烯撑类芳香聚合物、聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚苯并二噻吩中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池器件，其特征在于，所述电子受体材料包括富勒烯或者富勒烯衍生物。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的太阳能电池器件，其特征在于，所述阳极界面层包括聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)薄膜、氧化钼薄膜、氧化镍薄膜、氧化钒薄膜和氧化钨薄膜中的至少一种。
8.根据权利要求3-6中任一项所述的太阳能电池器件，其特征在于，所述阴极界面层的材料包括氧化钛、氟化锂、氧化锌中的至少一种。
9.权利要求3-8中任一项所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上制备阴极界面层；
S2、将离子液体溶于溶剂中，然后利用溶解后的离子液体在所述阴极界面层上制备阴极修饰层；
S3、在所述阴极修饰层上依次制备活性层、阳极界面层和金属电极。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜N,N-二甲基甲酰胺中的任一种。
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