CN109904325A - 一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池及其制备方法，以ITO导电玻璃为阴极、聚[(9,9‑二(3'‑(N,N‑二甲氨基)丙基)‑2,7‑芴)‑2,7‑(9,9‑二辛基芴)]（简称PFN）‑甲醇‑乙酸混合溶液为阴极缓冲层、聚合物混合溶液为有源层、WO3为阳极缓冲层、Ag为阳极、WO3/Pt为反应层。WO3作为阳极缓冲层，起到了收集空穴阻挡电子的作用，可有效改善有源层和电极的界面接触性能，提高空穴向阳极的传输能力，进而提高器件的短路电流密度和功率转化效率；WO3/Pt做为反应层，并将其与H2反应生成蓝色的钨青铜结构，通过改变器件的颜色，可有效协调光的透射率、增强光的吸收率。
Description
技术领域
本发明涉及有机光电器件技术领域，具体为一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池具有诸多优点，包括：永久性——只要太阳存在即可使用太阳能电池发电；清洁性——与火力发电、核能发电等发电方式相比，太阳能发电不会引起环境污染；灵活性——大到百万千瓦的中型电站，小到只供单户居民使用的发电设备，太阳能电池均能适用。现有的太阳能电池诸如晶体硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、纳米晶太阳能电池等多存在成本高、工艺复杂、材料来源少、电池寿命短等一项或多项缺陷，而聚合物太阳能电池（polymer solar cell，简称PSC）因具有成本低、合成工艺简单、可大批量工业化生产等优点近年来发展迅速，成为了清洁、可再生能源研究领域的一个热点。聚合物太阳能电池是以有机半导体材料作为光电转换材料直接或间接将太阳能转变为电能的器件，但现有的聚合物太阳能电池长期以来一直存在光电转化效率低的问题，这是由于当光照射到聚合物太阳能电池时，其内部的有机半导体材料对于光的吸收小、透射大，从而导致光的利用率低。
发明内容
针对现有聚合物太阳能电池光电转化效率低的问题，本发明提供了一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池及其制备方法，通过改变聚合物太阳能电池器件的颜色，协调光的透射率，增强光的吸收率，从而有效提高光的利用率以及聚合物太阳能电池的光电转换效率。
其技术方案是这样的：一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池，其特征在于：其以ITO导电玻璃为阴极，以聚[(9,9-二(3'-(N,N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)-2,7-(9,9-二辛基芴)]（简称PFN）-甲醇-乙酸混合溶液为阴极缓冲层，以聚合物混合溶液为有源层，以WO3为阳极缓冲层，以Ag为阳极，以WO3/Pt为反应层。
进一步的，所述阴极缓冲层厚度为3nm，所述有源层厚度为100nm，所述阳极缓冲层厚度为10nm，所述阳极厚度为15nm，所述反应层厚度为30nm。
该气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将ITO玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声30min后，通入氮气干燥30min，作为阴极；
（2）制备PFN-甲醇-乙酸混合溶液，并将其旋涂在所述阴极上，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为40s，得到阴极缓冲层；
（3）制备聚合物混合溶液，并将其旋涂在所述阴极缓冲层上，旋涂速度为2000rpm，旋涂时间为60s，得到有源层；
（4）在所述有源层上蒸镀WO3，蒸发速度为0.2nm/s，得到阳极缓冲层；
（5）在所述阳极缓冲层上蒸镀Ag，蒸发速度为0.3nm/s，得到阳极；
（6）在所述阳极上蒸镀WO3/Pt，蒸发速度为0.2nm/s，得到反应层；
（7）通入H2使之与WO3/Pt反应生成蓝色的钨青铜结构，反应时间为5min，制备完成。
进一步的，步骤（2）中PFN-甲醇-乙酸混合溶液的制备方法为：将PFN溶解在甲醇溶液中，配制成浓度为1mg/mL的PFN-甲醇混合溶液，并按照在每毫升 PFN-甲醇混合溶液中添加10μL乙酸的方式配制得到PFN-甲醇-乙酸混合溶液，搅拌均匀；
进一步的，步骤（3）中聚合物混合溶液的制备方法为：将给体材料——聚[4,8-双（5-（2-乙基己基）噻吩-2-基）苯并[1,2-B：4,5-B']噻吩-3-氟[3,4-b]噻吩-2-甲酸]（简称PTB7-Th）与受体材料——苯基-C71-丁酸甲酯（简称PC71BM）进行混合得到混合材料，该混溶材料中PTB7-Th与PC71BM的质量比为1：1.5；将氯苯与1,8-二碘辛烷进行混合得到混合溶剂，该混合溶剂中氯苯的体积百分含量为97%，1,8-二碘辛烷的体积百分含量为3%；将上述混合材料溶解在上述混合溶剂中制备得到聚合物的混合溶液，该聚合物的混合溶液中PTB7-Th和PC71BM的总浓度为20mg/mL；
进一步的，步骤（4）、步骤（5）和（步骤6）均是在多源有机气相分子沉积系统中，并在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法完成的。
本发明所制备的气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池，以WO3作为阳极缓冲层，具有稳定的化学性质以及较高的氧空位扩散系数，起到了收集空穴阻挡电子的作用，可有效改善有源层和电极的界面接触性能，提高空穴向阳极的传输能力，进而提高器件的短路电流密度和功率转化效率；以WO3/Pt做为反应层，并将其与H2反应生成蓝色的钨青铜结构，通过改变器件的颜色，可有效协调光的透射率、增强光的吸收率，与不通H2发生变色的器件相比，器件的短路电流密度、开路电压、填充因子和功率转换效率均有所提高，详见表1。
表1：WO3/Pt反应层与H2反应前和与 H2反应5min后在100mW/cm2和AM 1.5G的环境下器件的光伏参数比较：
从表1中可以看出，当WO3/Pt反应层未与H2进行反应时，该器件的短路电流密度为12.209mA/cm2，开路电压为0.740V，填充因子为66.15%，功率转化效率为5.988%；而当WO3/Pt反应层与H2进行反应5min后，该器件的短路电流密度为13.514mA/cm2，开路电压为0.745V，填充因子为67.60%，功率转化效率为6.806%。从表中数据可以看出，本发明所制备的气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池，在通入H2与WO3/Pt反应5min后，由于生成蓝色的钨青铜结构，使得电池的特性参数均有了改善，性能得到了提高。
附图说明：
图1为本发明中一种气致变色在半透明太阳电池的结构示意图；
图2为实施例1与对比例1中所制备的聚合物电池在100mw/cm2的AM1.5G标准太阳光照下分别测得的absorption特性曲线；
图3为实施例1与对比例1中所制备的聚合物电池在100mw/cm2的AM1.5G标准太阳光照下分别测得的transmission特性曲线；
图4为实施例1与对比例1中所制备的聚合物电池在100mw/cm2的AM1.5G标准太阳光照下测得了J-V特性曲线；
图5为实施例1与对比例1中所制备的聚合物电池在100mw/cm2的AM1.5G标准太阳光照下测得了IPCE特性曲线；
附图标记：1-阴极；2-阴极缓冲层；3-有源层；4-阳极缓冲层；5-阳极；6-反应层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
按照以下步骤制备得到该气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池：
（1）将ITO玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声30min后，通入氮气干燥30min，作为阴极；
（2）将PFN溶解在甲醇溶液中，配制成浓度为1mg/mL的PFN-甲醇混合溶液，并按照在每毫升 PFN-甲醇混合溶液中添加10μL乙酸的方式配制得到PFN-甲醇-乙酸混合溶液，搅拌均匀后将其旋涂在阴极上，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为40s，得到厚度为3nm的阴极缓冲层；
（3）将给体材料PTB7-Th与受体材料PC71BM进行混合得到混合材料，该混溶材料中PTB7-Th与PC71BM的质量比为1：1.5；将氯苯与1,8-二碘辛烷进行混合得到混合溶剂，该混合溶剂中氯苯的体积百分含量为97%，1,8-二碘辛烷的体积百分含量为3%；将上述混合材料溶解在上述混合溶剂中制备得到聚合物的混合溶液，该聚合物的混合溶液中PTB7-Th和PC71BM的总浓度为20mg/mL；搅拌均匀后将其旋涂在阴极缓冲层上，旋涂速度为2000rpm，旋涂时间为60s，得到厚度为100nm的有源层；
（4）将样品转移至多源有机气相分子沉积系统中，在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法在有源层上蒸镀WO3，蒸发速度为0.2nm/s，得到厚度为10nm的阳极缓冲层；
（5）在多源有机气相分子沉积系统中，在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法在阳极缓冲层上蒸镀Ag，蒸发速度为0.3nm/s，得到厚度为15nm阳极；
（6）在多源有机气相分子沉积系统中，在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法在阳极上蒸镀WO3/Pt，蒸发速度为0.2nm/s，得到厚度为30nm的反应层；
（7）通入H2使之与WO3/Pt反应生成蓝色的钨青铜结构，反应时间为5min，制备完成。
对比例一：
按照以下步骤制备得到作为对比器件的半透明聚合物太阳能电池：
（1）将ITO玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声30min后，通入氮气干燥30min，作为阴极；
（2）将PFN溶解在甲醇溶液中，配制成浓度为1mg/mL的PFN-甲醇混合溶液，并按照在每毫升 PFN-甲醇混合溶液中添加10μL乙酸的方式配制得到PFN-甲醇-乙酸混合溶液，搅拌均匀后将其旋涂在阴极上，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为40s，得到厚度为3nm的阴极缓冲层；
（3）将给体材料PTB7-Th与受体材料PC71BM进行混合得到混合材料，该混溶材料中PTB7-Th与PC71BM的质量比为1：1.5；将氯苯与1,8-二碘辛烷进行混合得到混合溶剂，该混合溶剂中氯苯的体积百分含量为97%，1,8-二碘辛烷的体积百分含量为3%；将上述混合材料溶解在上述混合溶剂中制备得到聚合物的混合溶液，该聚合物的混合溶液中PTB7-Th和PC71BM的总浓度为20mg/mL；搅拌均匀后将其旋涂在阴极缓冲层上，旋涂速度为2000rpm，旋涂时间为60s，得到厚度为100nm的有源层；
（4）将样品转移至多源有机气相分子沉积系统中，在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法在有源层上蒸镀WO3，蒸发速度为0.2nm/s，得到厚度为10nm的阳极缓冲层；
（5）在多源有机气相分子沉积系统中，在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法在阳极缓冲层上蒸镀Ag，蒸发速度为0.3nm/s，得到厚度为15nm阳极；
（6）在多源有机气相分子沉积系统中，在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法在阳极上蒸镀WO3/Pt，蒸发速度为0.2nm/s，得到厚度为30nm的反应层，制备完成。
为了比较器件的性能，对比例1中步骤（1）至步骤（6）与实施例1中步骤（1）至步骤（6）完全相同，区别仅为对比例1中省略了步骤（7），即并未通入H2使得器件产生变色。
图2至图5使用的均是Keithley，SMU2601数字源表；图2至图5中曲线a分别表示由对比例1中所制备的聚合物电池（未通入H2前）的光吸收曲线、光透射曲线、J-V曲线及IPCE特性曲线，曲线b分别表示由实施例1中所制备的聚合物电池（通入5min H2后）的光吸收曲线、光透射曲线、J-V曲线及IPCE特性曲线；从图2至图5中我们可以清晰的比较，本发明所制备的气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池在通入H2与WO3/Pt反应层发生反应后，分别在400nm~700nm波段提高了光的吸收率、在400nm~800nm波段协调了光的透射率、在-0.3V~0.7V电压之间提高了光电流密度、在400 nm~700nm波段提高了光电转换效率，从而有效提高了聚合物太阳能电池的性能。
Claims (6)
1.一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池，其特征在于：其以ITO导电玻璃为阴极，以聚[(9,9-二(3'-(N,N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)-2,7-(9,9-二辛基芴)]（简称PFN）-甲醇-乙酸混合溶液为阴极缓冲层，以聚合物混合溶液为有源层，以WO3为阳极缓冲层，以Ag为阳极，以WO3/Pt为反应层。
2.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层厚度为3nm，所述有源层厚度为100nm，所述阳极缓冲层厚度为10nm，所述阳极厚度为15nm，所述反应层厚度为30nm。
3.一种气致变色调控型半透明聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将ITO玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声30min后，通入氮气干燥30min，作为阴极；
（2）制备PFN-甲醇-乙酸混合溶液，并将其旋涂在所述阴极上，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为40s，得到阴极缓冲层；
（3）制备聚合物混合溶液，并将其旋涂在所述阴极缓冲层上，旋涂速度为2000rpm，旋涂时间为60s，得到有源层；
（4）在所述有源层上蒸镀WO3，蒸发速度为0.2nm/s，得到阳极缓冲层；
（5）在所述阳极缓冲层上蒸镀Ag，蒸发速度为0.3nm/s，得到阳极；
（6）在所述阳极上蒸镀WO3/Pt，蒸发速度为0.2nm/s，得到反应层；
（7）通入H2使之与WO3/Pt反应生成蓝色的钨青铜结构，反应时间为5min，制备完成。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述PFN-甲醇-乙酸混合溶液的制备方法为：将PFN溶解在甲醇溶液中，配制成浓度为1mg/mL的PFN-甲醇混合溶液，并按照在每毫升 PFN-甲醇混合溶液中添加10μL乙酸的方式配制得到所述PFN-甲醇-乙酸混合溶液，搅拌均匀。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中所述聚合物混合溶液的制备方法为：将给体材料——聚[4,8-双（5-（2-乙基己基）噻吩-2-基）苯并[1,2-B：4,5-B']噻吩-3-氟[3,4-b]噻吩-2-甲酸]（简称PTB7-Th）与受体材料——苯基-C71-丁酸甲酯（简称PC71BM）进行混合得到混合材料，该混溶材料中PTB7-Th与PC71BM的质量比为1：1.5；将氯苯与1,8-二碘辛烷进行混合得到混合溶剂，该混合溶剂中氯苯的体积百分含量为97%，1,8-二碘辛烷的体积百分含量为3%；将上述混合材料溶解在上述混合溶剂中制备得到所述聚合物混合溶液，所述聚合物混合溶液中PTB7-Th和PC71BM的总浓度为20mg/mL。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）、步骤（5）和（步骤6）均是在多源有机气相分子沉积系统中，并在5×10-5Pa条件下，通过真空热蒸发的方法完成的。
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