专利名称：聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方。
背景技术：
1982年，Weinberger等研究了聚こ炔的光伏性质,制造出了第一个具有真正意义上的太阳能电池，但是当时的光电转换效率极低(10_3% )。紧接着，Glenis等制作了各种聚噻吩的太阳能电池，当时都面临的问题是极低的开路电压和光电转换效率。直到1986年，
C.ff. Tang等首次将P型半导体和η型半导体引入到双层结构的器件中，才使得光电流得到了极大程度的提高，从此以该工作为里程碑，有机聚合物太阳能电池蓬勃发展起来。1992年Sariciftci 等发现2-甲氧基-5-(2-こ基-己氧基)-1，4_苯こ(MEH-PPV) 与复合体系中存在快速光诱导电子转移现象，引起了人们的极大兴趣，而在1995年，Yu等用MEH-PPV与C60衍生物PCBM混合作为活性层制备了有机聚合物体异质结太阳能电池。太阳能电池在20mW/cm2、430nm的単色光照射下，能量转换效率为2. 9%。这是首个基于聚合物材料与PCBM受体制备的本体异质结太阳能电池，并提出了复合膜中互穿网络结构的概念。至此，本体异质结结构在聚合物太阳能电池中的应用得到了迅速的发展。这种结构也成为目前人们普遍采用的有机聚合物太阳能电池结构。聚合物太阳能电池的工作原理主要分为四部分(I)光激发和激子的形成；(2)激子的扩散；⑶激子的分裂；⑷电荷的传输和收集。首先，共轭聚合物在入射光照射下吸收光子，电子从聚合物最高占有轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)，形成激子，激子在内建电场的作用下扩散到给体/受体界面处分离成自由移动的电子和空穴，然后电子在受体相中传递并被阴极收集，空穴则通过给体相并被阳极收集，从而产生光电流；这就形成了一个有效的光电转换过程。在聚合物太阳能电池中，为了提高空穴注入和传输能力，往往在阳极导电薄膜基底(常用材料为ITO玻璃)上旋涂ー层空穴缓冲层来达到目的，这种空穴缓冲层的材料往往是由聚3，4-ニ氧こ烯噻吩(PEDOT)和聚对苯磺酸盐(PSS)组成的混合材料，这种材料的能级和稳定性都比较适合作为空穴注入材料，可降低空穴在活性层注入到ITO的HOMO能级势垒(空穴是通过HOMO能级进行注入和传输)，有利于提高聚合物太阳能电池的光电转换效率。但是，这种PED0T:PSS组成的混合材料呈酸性，对阳极导电薄膜有一定的腐蚀作用，从而影响聚合物太阳能电池的稳定性，加快聚合物太阳能电池的光电转换效率衰减。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种可以保护阳极层、降低光电转换效率衰减的聚合物太阳能电池。—种聚合物太阳能电池，其包括依次层叠的阳极基底、阳极保护层、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层以及阴极层。所述聚合物太阳能电池中，各功能层的材质如下
所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺氟氧化锡玻璃(FTO)、掺铝氧化锌玻璃(AZO)或掺铟氧化锌玻璃(IZO)；所述阳极保护层的材质选自氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氟化铯(CsF)、氟化铝(AlF3)及氟化钠(NaF)中的至少ー种；所述空穴缓冲层的材质为重量比为2 : I 6 : I的聚3，4_ ニ氧こ烯噻吩(PEDOT)和聚对苯磺酸盐(PSS)组成的混合材料，即PED0T:PSS ；所述活性层的材质选自P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM ；所述电子缓冲层的材质选自氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3 )、碳酸铯(Cs2CO3)、氮化铯(CsN3)、氯化锂(LiCl)、碘化锂(LiI)及溴化锂(LiBr)中的至少ー种；所述阴极层的材质选自铝(Al)、银(Ag)、钙(Ca)、铜(Cu)、金(Au)及钼(Pt)中的至少ー种。本发明的另一目的在于提供上述聚合物太阳能电池的制备方法，包括如下步骤SI、清洗阳极基底，随后对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理；S2、在经表面处理过的所述阳极层表面蒸镀阳极保护层；其中，所述阳极保护层的材质为金属氟化物；S3、在所述阳极保护层表面旋涂空穴缓冲层，随后进行烘干处理；S4、在所述空穴缓冲层表面旋涂活性层，随后进行干燥处理；S5、在所述活性层的表面蒸镀电子缓冲层；S6、在所述电子缓冲层表面蒸镀阴极层；上述エ艺步骤完成后，制得所述聚合物太阳能电池。上述制备方法中，步骤SI中，阳极基底的清洗处理包括依次用洗洁精、去离子水、丙酮、こ醇、异丙醇各超声清洗15min，去除玻璃表面的有机污染物。上述制备方法中，步骤S4中，所述干燥处理包括惰性气氛中，在50 200°C下，对所述活性层进行退火处理10 IOOmin ;或者室温下将所述活性层放置处理24 48h。本发明的聚合物太阳能电池，通过增加阳极保护层，将空穴缓冲层与阳极基底上的阳极层相隔绝；该阳极保护层的加入，可极大提高阳极层的平整度，使电流的分布更均匀，从而可以避免表面粗糙的阳极层因出现空穴陷阱而产生暗点，达到保护阳极层的作用；同时，阳极保护层可以进一歩降低空穴的注入势垒，使空穴的注入效率得到提高，有效地降低了光电转换效率的衰减。
图I为本发明的聚合物太阳能电池的结构示意图；图2为本发明的聚合物太阳能电池的制备エ艺流程图；图3为实施例I的聚合物太阳能电池与对比例中未加阳极保护层的聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图。
具体实施例方式本发明提供的一种聚合物太阳能电池，如图I所示，其包括依次层叠的阳极基底
11、阳极保护层12、空穴缓冲层13、活性层14、电子缓冲层15以及阴极层16。
所述聚合物太阳能电池中所述阳极基11底选自铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺氟氧化锡玻璃(FTO)、掺铝氧化锌玻璃(AZO)或掺铟氧化锌玻璃(IZO);这些阳极基底中，基底均为玻璃，而阳极层分别为铟锡氧化物、掺氟氧化锡、掺铝氧化锌、掺铟氧化锌；所述阳极保护层12的材质为金属氟化物，如，氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氟化铯(CsF)、氟化铝(AlF3)及氟化钠(NaF)中的至少ー种；所述阳极保护层12的厚度为O. 4 5nm ；所述空穴缓冲层13的材质为重量比为2 : I 6 : I的PEDOT PSS ;所述空穴缓冲层的厚度为20 80nm ;其中，PEDOT为聚3，4- ニ氧こ撑噻吩，PSS为聚苯こ烯磺酸钠；所述活性层14 的材质选自 P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM 或者 MEH-PPV:PCBM ；所述活性层的厚度为80 300nm ;其中，P3HT为聚3-己基噻吩，MDMO-PPV为聚[2-甲氧基-5-(3，7. ニ甲基辛氧基)对苯撑こ烯]，MEH-PPV为聚[2-甲氧基-5-(2'-こ烯基-己 氧基)聚对苯こ烯撑]，PCBM为[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯；所述电子缓冲层15的材质选自氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸铯(Cs2CO3)、氮化铯(CsN3)、氯化锂(LiCl)、碘化锂(LiI)及溴化锂(LiBr)中的至少ー种；所述电子缓冲层的厚度为O. 5 IOnm ;所述电子缓冲层中，材质优选LiF，厚度优选O. 7nm ；所述阴极层16的材质选自铝(Al)、银(Ag)、钙(Ca)、铜(Cu)、金(Au)及钼(Pt)中的至少ー种；所述阴极层的厚度为80 200nm ;所述阴极层中，材质优选Al，厚度优选150nmo上述聚合物太阳能电池的制备方法，如图2所示，包括如下步骤SI、先将阳极基底进行光刻处理，剪裁成所需要的大小；S2、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、こ醇、异丙醇各超声清洗阳极基底15min，去除玻璃表面的有机污染物；S3、对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理，如，功率为10 50W条件下氧等离子处理5 15min ;或者UV-臭氧处理5 20min ；S4、在经步骤S3表面处理的所述阳极层表面蒸镀阳极保护层；其中，所述阳极保护层的材质为金属氟化物；S5、在阳极保护层旋表面涂空穴缓冲层，随后进行烘干处理；S6、在所述空穴缓冲层的表面旋涂活性层，随后进行干燥处理；S7、在所述活性层的表面依次层叠蒸镀电子缓冲层；S8、在电子缓冲层表面蒸镀阴极层；上述エ艺步骤完成后，制得所述聚合物太阳能电池。上述制备方法中，步骤S5中，所述空穴缓冲层的旋涂エ艺中将PED0T:PSS水溶液通过旋涂的方式制备在阳极基底的阳极层表面，并控制厚度在20 80nm，制得空穴缓冲层；空穴缓冲层旋涂完后，在100 20(TC下加热烘干处理15 60min ;优选，加热烘干处理温度200°C，加热烘干处理时间30min ;其中，PEDOT:PSS水溶液中，PED0T:PSS为溶质，其质量百分比为I 5%，且PEDOT PSS的重量比为2 I 6 I;优选地，PEDOT PSS的重量比为6 LPEDOT PSS的质量百分比为I. 3%，厚度为 40nm。
上述制备方法中，步骤S6中，所述活性层的旋涂エ艺中将P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM溶液体系旋涂在所述空穴缓冲层的表面；随后，惰性气氛中，在50 200°C下，对所述活性层进行退火处理10 lOOmin，或者室温下将所述活性层放置处理24 48h，制得干燥的活性层；其中在 P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM 溶液体系中，溶质分别为P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM,溶剂为甲苯、ニ甲苯、氯苯或氯仿的ー种或两种混合溶剤，且溶质P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或MEH_PPV:PCBM的总浓度控制在8 30mg/ml ；当活性层的材质选自P3HT:PCBM溶液体系时，P3HT PCBM的质量比控制在·I : O. 8 I : I的范围；当活性层的材质选自MDMO-PPV: PCBM或者MEH_PPV:PCBM溶液体系时，MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV PCBM的质量比控制在I : I I : 4的范围。本发明的聚合物太阳能电池，通过增加金属氟化物的阳极保护层，将空穴缓冲层与阳极基底上的阳极层相隔绝；该阳极保护层的加入，可极大提高阳极层的平整度，使电流的分布更均匀，从而可以避免表面粗糙的阳极层因出现空穴陷阱而产生暗点，达到保护阳极层的作用；同时，这种金属氟化物可以进一歩降低空穴的注入势垒，使空穴的注入效率得到提高，有效地降低了光电转换效率的衰减。下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进ー步详细说明。实施例I本实施例I中的聚合物太阳能电池的结构为IT0/MgF/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al。该聚合物太阳能电池的制备エ艺步骤如下I、先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小；2、对步骤I得到的ITO依次用洗洁精、去离子水、丙酮、こ醇、异丙醇各超声清洗15min，去除玻璃表面的有机污染物；3、在功率为30W条件下，对清洗干净的ITO的阳极层表面进行氧等离子5min的表面处理；4、在经表面处理过的阳极层表面蒸镀阳极保护层材料为MgF，厚度为I. 5nm ；5、在所述阳极保护层表面旋涂空穴缓冲层材料为PED0T:PSS水溶液，PEDOT PSS的重量比为6 LPEDOT PSS的质量百分比为I. 3%，旋涂PED0T:PSS水溶液后，于200°C下加热30min，控制空穴缓冲层的厚度为40nm ；6、在空穴缓冲层的表面旋涂活性层材料为P3HT:PCBM的甲苯溶液体系，P3HT PCBM质量比为I : 1，P3HT:PCBM的总浓度为24mg/ml ;活性层是在充满惰性气体的手套箱中进行旋涂完成的，旋涂结束后，活性层需在150°C下退火15min，并控制活性层厚度为140nm ；7、在所述活性层表面蒸镀电子缓冲层材料为LiF，厚度为O. Ixm ；8、接着在电子缓冲层表面蒸镀阴极层材料为Al,厚度为150nm ；上述エ艺结束后，得到所需要的聚合物太阳能电池。图3为实施例I的聚合物太阳能电池与对比例中未加阳极保护层的聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图；其中，曲线I为实施例I的聚合物太阳能电池的电流密度-电压曲线，曲线2为对比例中的未加阳极保护层的聚合物太阳能电池(其结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/A)的电流密度-电压曲线。由图3可知，在不同电压下，实施例I的电流密度都比对比例的要高，在O. 6V的电压下，实施例I的电流密度为3. 19mA · cm2,而对比例仅为I. 35mA · cm_2，在O. 3V的电压下，实施例的电流密度增加到6. 17mA · cm_2，而对比例的仅为3. 89mA ^nT2;因此，聚合物太阳能电池加入了金属氟化物(MgF)阳极保护层之后，金属氟化物能使空穴注入势垒降低，聚合物太阳能电池的短路电流増大。实施例I和对比例的光电流测试数据，如表I所示表I
权利要求
1.一种聚合物太阳能电池，其特征在于，其包括依次层叠的阳极基底、阳极保护层、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层以及阴极层。
2.根据权利要求I所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极基底选自铟锡氧化物玻璃、掺氟氧化锡玻璃、掺铝氧化锌玻璃或掺铟氧化锌玻璃。
3.根据权利要求I所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极保护层的材质选自氟化镁、氟化钙、氟化铯、氟化铝及氟化钠中的至少ー种。
4.根据权利要求I所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴缓冲层的材质为重量比为2 : I 6 : I的聚3，4-ニ氧こ烯噻吩与聚对苯磺酸盐组成的混合材料。
5.根据权利要求I所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述活性层的材质选自P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM。
6.根据权利要求I所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述电子缓冲层的材质选自氟化锂、碳酸锂、碳酸铯、氮化铯、氯化锂、碘化锂及溴化锂中的至少ー种。
7.根据权利要求I所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阴极层的材质选自铝、银、钙、铜、金及钼中的至少ー种。
8.一种聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 51、清洗阳极基底，随后对所述阳极基底的阳极层表面进行表面处理； 52、在经表面处理过的所述阳极层表面蒸镀阳极保护层； 53、在所述阳极保护层表面旋涂空穴缓冲层，随后进行烘干处理； 54、在所述空穴缓冲层表面旋涂活性层，随后进行干燥处理； 55、在所述活性层的表面蒸镀电子缓冲层； 56、在所述电子缓冲层表面蒸镀阴极层； 上述エ艺步骤完成后，制得所述聚合物太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤SI中，所述阳极基底的清洗处理包括依次用洗洁精、去离子水、丙酮、こ醇、异丙醇各超声清洗15min。
10.根据权利要求8所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述干燥处理包括惰性气氛中，在50 200°C下，对所述活性层进行退火处理10 IOOmin ;或者室温下将所述活性层放置处理24 48h。
全文摘要
本发明属于太阳能电池领域，其公开了一种聚合物太阳能电池及其制备方法；该聚合物太阳能电池依次层叠的阳极基底、阳极保护层、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层以及阴极层。本发明的聚合物太阳能电池，通过增设阳极保护层，将空穴缓冲层与阳极基底上的阳极层相隔绝；该阳极保护层的加入，可极大提高阳极层的平整度，使电流的分布更均匀，从而可以避免表面粗糙的阳极层因出现空穴陷阱而产生暗点，达到保护阳极层的作用；同时，这种金属氟化物可以进一步降低空穴的注入势垒，使空穴的注入效率得到提高，有效地降低了光电转换效率的衰减。
文档编号H01L51/42GK102983276SQ20111026414
公开日2013年3月20日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者周明杰, 王平, 黄辉, 陈吉星 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司