一种水/醇溶型非共轭聚合物界面材料及其有机太阳电池器件与制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机/高分子光伏技术领域，具体涉及一种水/醇溶型非共辄聚合物 界面材料及其有机太阳电池器件与制备方法。
【背景技术】
[0002] 有机太阳电池作为一类新型的太阳能转化成电能的技术，因其成本低、制作简单、 材料结构多变、重量轻、大面积柔性制备等优点，得到了科学界和产业界的广泛关注。在有 机/高分子光伏技术领域，本体异质结结构是被广泛接受和使用的一种器件结构。在本体 异质结太阳电池器件的活性层中，其包含了有机或者高分子给体材料和受体材料。目前，众 多的给体材料和受体材料被科研工作者开发出来。
[0003] 另外，在有机/高分子太阳电池领域，光伏器件的优化和创新是提高器件性能的 一种有效的手段。为了提高器件的稳定性和能量转换效率，大家使用了无机金属化合物或 者水/醇溶性的小分子/高分子材料作为光伏器件的阴极界面修饰层。特别是可溶液加工 的水/醇溶性小分子/高分子材料的开发和使用，使得有机/高分子太阳电池器件的制备 工艺得到了简化，并且大幅提高了器件性能。（Nat.Photonics, 2012, 6, 591.)
[0004] 但是，这类水/醇溶性小分子/高分子材料必须经过一定的化学合成步骤，有些材 料更需要进过复杂的合成过程，这样大幅度提高了有机/高分子太阳电池的材料成本、延 长了材料和器件开发周期，从而增加了最终太阳电池的市场价格、影响了太阳电池的大范 围市场应用。聚乙烯吡啶以及其衍生物是一类非常便宜的商品化材料，易于大规模制备；并 且聚乙烯吡啶以及其衍生物在有机强极性溶剂中或者水中具有优良的溶解能力。
[0005] 所以，将该类价格低廉的聚乙烯吡啶及其衍生物作为阴极修饰材料应用在有机/ 高分子太阳电池器件中，可以获得高性能和低制备成本的太阳电池。
【发明内容】
[0006] 本发明通过将聚乙烯吡啶或者聚乙烯吡啶的衍生物作为阴极修饰层材料，应用在 聚合物太阳电池器件中。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0008] -种水/醇溶型非共辄聚合物界面材料，该界面材料为聚乙烯吡啶或聚乙烯吡啶 衍生物。
[0009] 进一步地，所述聚乙烯吡啶或聚乙烯吡啶衍生物的结构式如下：
[0010] (1)聚乙烯吡啶
[0011]
[0012] (2)离子化聚乙烯吡啶衍生物
[0013]
[0014] (3)氧化聚乙烯吡啶衍生物
[0015]
[0016] 其中，η为重复单元数为10~1000以为^~C4的直链烷烃；X为Cl，Br，I， CH3S03
[0017] 或者CF3S03 ;Y+Z= 1，0· 01 彡Z彡 1。
[0018] 以上所述的一种水/醇溶型非共辄聚合物界面材料作为阴极修饰层的有机太阳 电池器件，所述有机太阳电池器件结构有两种，其一为由下到上由衬底、阳极层、阳极修饰 层、活性层、阴极修饰层和阴极层组成，其二为由下到上由衬底、阴极层、金属氧化物、阴极 修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极层组成。
[0019] 进一步地，所述阴极修饰层的厚度为0. 1~100纳米。
[0020] 进一步地，所述活性层为具有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，厚度为40~1000纳米；其中电子给体材料包括聚乙烯撑类芳香聚合物、聚芴、聚硅 芴、聚咔唑、聚噻吩、聚吲哚咔唑、聚茚芴、聚苯并二噻吩的均聚物或者共聚物；其中电子受 体材料为富勒烯或者富勒烯衍生物、金属化合物半导体量子点或者纳米线。
[0021] 进一步地，所述衬底为玻璃或者透明塑料薄膜；所述阳极层为铟参杂的氧化锡薄 膜、氟参杂的氧化锡薄膜、铝参杂的氧化锌薄膜、金属银或金薄膜；所述阳极修饰层为聚乙 撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠（PEDOT:PSS)的混合薄膜、聚三苯胺的均聚物或共聚物、聚 咔唑的均聚物或共聚物、氧化钼薄膜、氧化镍薄膜、氧化钒薄膜或者氧化钨薄膜；所述阴极 层为铝、银、石墨烯、石墨烯衍生物，或者为碱金属、碱土金属、碱金属化合物、碱土金属化合 物中的一种或一种以上组成的复合膜，或者为由铝或银覆盖的碱金属、碱土金属、碱金属化 合物、碱土金属化合物中的一种或一种以上组成的复合膜；所述金属氧化物为氧化锌、氧化 钛或者氧化铝。
[0022] 以上所述的一种水/醇溶型非共辄聚合物界面材料作为阴极修饰层的有机太阳 电池器件的制备方法，制备方法有两种，其中一种制备方法的具体步骤如下：（1)在衬底上 通过溶液加工法或者真空蒸镀法依次制备阳极层、阳极修饰层和活性层；（2)将聚乙烯吡 啶或者聚乙烯吡啶衍生物溶解在溶剂中，然后通过溶液加工法将聚乙烯吡啶或者聚乙烯吡 啶衍生物制备于活性层上，获得阴极修饰层；（3)在阴极修饰层上通过溶液加工法或者真 空蒸镀法制备阴极层，得到所述水/醇溶型非共辄聚合物有机太阳电池器件；另一种制备 方法的具体步骤为：（1)在衬底上通过溶液加工法或者真空蒸镀法依次制备阴极层、金属 氧化物层；（2)将聚乙烯吡啶以及聚乙烯吡啶的衍生物溶解在溶剂中，然后通过溶液加工 法将聚乙烯吡啶以及聚乙烯吡啶的衍生物制备于金属氧化物上，获得阴极修饰层；（3)在 阴极修饰层上通过溶液加工法制备活性层；(4)在活性层上通过溶液加工法或者真空蒸镀 法制备阳极修饰层；（5)在阳极修饰层上通过溶液加工法或者真空蒸镀法制备阳极层，得 到所述水/醇溶型非共辄聚合物有机太阳电池器件。
[0023] 进一步地，所述的溶液加工法为旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷 墨打印方法。
[0024] 进一步地，所述溶液中的溶剂为有机溶剂、水或者混合溶剂；所述有机溶剂为有机 极性溶剂；所述混合溶剂由有机极性溶剂组成；所述有机极性溶剂为醇、有机酸、N，N_二甲 基甲酰胺和N，N-二甲基乙酰胺。
[0025] 进一步地，所述的聚乙烯吡啶以及聚乙烯吡啶的衍生物在溶剂中的浓度为0. 1~ 20 _克每_升。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有如下优点与技术效果：聚乙烯吡啶作为商业化材料， 其合成简单，价格便宜。然而，现有的有机/聚合物太阳电池器件的阴极修饰层多为通过有 机合成方法获得的小分子化合物或者聚合物，合成方法繁琐、制备复杂、使用有机溶剂污染 环境。因此，本发明在制备有机/聚合物太阳电池器件方面具有成本低、材料易得等优势。
【附图说明】
[0027] 图1为正置器件结构示意图；
[0028] 图2为倒置器件结构示意图；
[0029] 图3为聚乙烯吡啶作为阴极界面修饰层的正装器件的电压-电流密度曲线图；
[0030] 图4为聚乙烯吡啶作为阴极界面修饰层的倒装器件的电压-电流密度曲线图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合实施例对本发明所提出的有机/高分子光伏器件进行说明，本发明并不 限于此例。
[0032] 实施例1正置型有机/高分子光伏器件的制备
[0033] 将ΙΤ0导电玻璃，方块电阻~20Ω/m2,预切割成15毫米X15毫米方片。依次用 丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，置于80°C恒温烘箱备用。使 用前，ΙΤ0净片在氧等离子体刻蚀仪中以等离子体轰击4分钟。并以PED0T:PSS水分散液 (质量浓度为1 %的水溶液，购自Bayer公司），缓冲层以匀胶机（KW-4A)高速旋涂，厚度由 转速决定，用表面轮廓仪（Tritek公司Alpha-Tencor500型）实测监控，最终膜厚为40纳 米。成膜后，在大气环境下120°C退火20分钟以除去残留水分。
[0034] 将共辄聚合物给体材料聚（HBXF: (4, 9-二氢-4, 4, 9, 9-四（4-己基苯基）-苯并 二茚并[1，2-b:5, 6-b' ]二噻吩-alt-10, 13-(11, 12-二氟-2, 7-二辛基二苯并[a,c]吩 嗪））于干净瓶中称量后，转入氮气保护成膜专用手套箱（MBRAUN公司），在二氯苯中溶解， 然后与PC61BM([6, 6]-苯基C61 丁酸甲酯）进行共混，混合成一定比例（HBXF:PC61BM的质量 比为1:2)的混合溶液。聚合物混合层最佳厚度为80纳米。膜厚用TENCORALFA-STEP-500 表面轮廓仪测定。在有氮气保护的手套箱中，在已旋涂有PED0T:PSS层的ΙΤ0玻片上面旋 涂一层聚合物HBXF与PC61BM(HBXF与PC61BM的质量比为1:2)的混合物膜层，然后将溶解在 乙醇溶剂中的聚乙烯吡啶溶液通过旋涂的方式制作在聚合物HBXF与PC61BM活性层上。铝 电极蒸镀在真空镀膜机中真空度达到1X10 6mbar以下时完成。镀膜速率与各层电极之厚 度由石英振子膜厚监测仪（SQC310型，INFIC0N公司）实时监控。所有制备过程均在提供 氮气惰性氛围的手套箱内进行。最终获得具有IT0/PED0T:PSS/HBXF:PC61BM(80纳米）/聚 乙烯吡啶/Al(100纳米）的正装型光伏器件（其结构如图1所述）。器件的电流一电压特 性，是在一个标准太阳光照下（AM1. 5光谱），通过电脑控制的Kei