一种倒置聚合物太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种倒置聚合物太阳能电池，依次包括阴极、电子缓冲层、活性层、空穴缓冲层和阳极，所述空穴缓冲层的材质为酞菁类小分子，所述酞菁类小分子为酞菁铜、酞菁锌、酞菁钒或酞菁镁。本发明还公开了该倒置聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：（1）提供所需尺寸的阴极；（2）蒸镀电子缓冲层，然后旋涂活性层；（3）将酞菁类小分子溶液旋涂在活性层上，烘干形成空穴缓冲层；（4）蒸镀阳极，得到倒置聚合物太阳能电池。本发明采用倒置结构，以酞菁类小分子作为空穴缓冲层，利用酞菁类小分子形成晶体的散射与反射作用，使太阳光回到活性层再度被利用，从而改善了太阳能电池的光电转换效率。
【专利说明】一种倒置聚合物太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种具有倒置结构的聚合物太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]聚合物太阳能电池是继无机半导体太阳能电池之后光伏发电领域的另一新发现。与传统的无机硅太阳能电池相比，聚合物太阳能电池柔韧性好，可卷曲折叠，而且制作工艺简单，原料易得，成本低，制备过程中也不会产生有毒物质，因而近年来受到了广泛的关注。
[0003]现有聚合物太阳能电池的结构一般为:玻璃衬底/阳极/空穴缓冲层/活性层/电子缓冲层/阴极，当光线从底部射入后，穿过玻璃衬底、阳极与空穴缓冲层，到达活性层后，被活性层上的光敏物质吸收利用，产生电子-空穴对，电子与空穴分离后，电子通过电子缓冲层进入阴极，而空穴则通过空穴缓冲层进入阳极，阳极与阴极接通后即产生电流。目前聚合物有机太阳能电池一般结构为玻璃衬底/IT0/PED0T: PSS/P3HT: PCBM/LiF/Al，由于聚苯乙烯磺酸钠(PSS)会对ITO表面产生腐蚀作用，造成了表面缺陷增多，电池的串联电阻增力口，导致太阳能电池的转换效率低下，因而近年来又出现了倒置结构的聚合物太阳能电池，其结构为玻璃衬底/阴极/电子缓冲层/活性层/空穴缓冲层/阳极，因此避免了聚苯乙烯磺酸钠对ITO表面的腐蚀，保证了太阳能电池的转换效率。
[0004]太阳能电池对太阳光的利用是影响能量转换效率的一个重要的因素，其中活性层是太阳能电池中吸收利用太阳光的主要结构，然而由于目前的倒置聚合物太阳能电池大多以聚3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯复合材料(P3HT/PCBM)作为活性层的材质，其对太阳光的利用能力不高，导致目前市面上的倒置聚合物太阳能电池的能量转换效率相对较小。因此非常有必要改善太阳能电池的结构，进一步提高太阳能电池的转换效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有倒置聚合物太阳能电池对太阳光利用率低的技术缺陷，提供一种倒置聚合物太阳能电池，该倒置聚合物太阳能电池采用酞菁类小分子作为空穴缓冲层的材质，利用酞菁类小分子的散射与反射作用使透过活性层的太阳光反射回活性层中，再度被利用，进而提高太阳能电池的转换效率。本发明还提供了该倒置聚合物太阳能电池的制备方法。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0007]第一方面，本发明提供了一种倒置聚合物太阳能电池，依次包括阴极、电子缓冲层、活性层、空穴缓冲层和阳极，所述空穴缓冲层的材质为酞菁类小分子，所述酞菁类小分子为酞菁铜、酞菁锌、酞菁钒或酞菁镁。
[0008]优选地，所述阴极为铟锡氧化物玻璃(ΙΤ0)、掺氟氧化锡玻璃(FT0)、掺铝的氧化锌玻璃(AZO)或掺铟的氧化锌玻璃(IZO)。
[0009]优选地，所述电子缓冲层为氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)或碳酸铯(Cs2CO3X更优选地，所述电子缓冲层为碳酸铯(Cs2C03)。
[0010]优选地，所述电子缓冲层的厚度为0.5-10nm。更优选地，所述电子缓冲层的厚度2nm。
[0011]优选地，所述活性层的材质为聚3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61- 丁酸甲酯形成的复合材料(P3HT/PCBM)。更优选地，所述活性层材质中，所述聚3-己基噻吩与[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯的质量比为1:0.8-4。更优选地，所述活性层材质中，所述聚3-己基噻吩与[6，6]-苯基461-丁酸甲酯的质量比为1:0.8。
[0012]优选地，所述活性层的厚度为80-300nm。更优选地，所述活性层的厚度为200nm。
[0013]优选地，所述空穴缓冲层的厚度为20_100nm。更优选地，所述空穴缓冲层的厚度为50_100nm。
[0014]优选地，所述阳极为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或钼(Pt)。更优选地，所述阳极为铝(Al)。
[0015]优选地,所述阳极的厚度为80-200nm。更优选地,所述阳极的厚度为150nm。
[0016]本发明所述的倒置聚合物太阳能电池，以酞菁类小分子作为空穴缓冲层，由于酞菁类小分子的HOMO能级在-5.4eV左右，适合空穴的注入与传输，因此提高了空穴缓冲层对空穴的传输能力；另外，酞菁类小分子比较容易结晶形成晶体结构，而晶体结构对光有一定的散射作用，当采用倒置结构的时候，太阳光入射之后经过活性层，一部分被活性层利用，另一部分透过活性层到达空穴缓冲层，此时，酞菁类小分子形成的晶体就会使光线进行散射，进一步集中了光强，同时还可以通过散射和反射，使太阳光回到活性层，再度被活性层吸收利用，从而改善了太阳能电池的光电转换效率。
[0017]第二方面，本发明提供了一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤:
[0018](I)提供所需尺寸的阴极，清洗后干燥；
[0019](2)在经处理过的阴极上蒸镀电子缓冲层，然后旋涂活性层并干燥；
[0020](3)配制质量分数为5-50%的酞菁类小分子溶液，然后将其旋涂在所述活性层上，烘干形成空穴缓冲层，所述酞菁类小分子为酞菁铜、酞菁锌、酞菁钒或酞菁镁；
[0021](4)在所述空穴缓冲层上蒸镀阳极，得到倒置聚合物太阳能电池。
[0022]优选地，步骤(I)所述的提供所需尺寸的阴极，具体操作为:将玻璃衫底进行光刻处理，然后剪裁成所需要的大小。
[0023]优选地，所述阴极为铟锡氧化物玻璃(ΙΤ0)、掺氟氧化锡玻璃(FT0)、掺铝的氧化锌玻璃(AZO)或掺铟的氧化锌玻璃(IZO)。
[0024]优选地，步骤(I)所述的清洗后干燥为依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15分钟，去除玻璃表面的有机污染物，清洗干净后风干。
[0025]优选地，步骤(2)所述的蒸镀为真空蒸镀，蒸镀温度为500-1000 °C，真空度为I (T3-1 (T5Pa。
[0026]优选地，步骤(2)所述电子缓冲层为氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)或碳酸铯(Cs2CO3)0更优选地，步骤(2)所述电子缓冲层为碳酸铯(Cs2CO3)15
[0027]优选地，步骤(2)所述电子缓冲层的厚度为0.5-10nm。更优选地，所述电子缓冲层的厚度2nm。[0028]优选地，步骤(2)所述活性层的材质为聚3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61- 丁酸甲酯形成的复合材料。更优选地，步骤(2)所述活性层的材质中，所述聚3-己基噻吩与所述[6，6]-苯基461-丁酸甲酯的质量比为1:0.8-4。更优选地，所述活性层材质中，所述聚3-己基噻吩与[6，6]-苯基461-丁酸甲酯的质量比为1:0.8。
[0029]优选地，步骤(2)所述活性层的厚度为80_300nm。更优选地，所述活性层的厚度为200nm。
[0030]优选地，步骤(3)所述所述酞菁类小分子为酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁钒(V2Pc5)或酞菁镁(MgPc)。
[0031]优选地，步骤(3)所述酞菁类小分子溶液，溶剂为氯苯，甲苯，氯仿或二氯甲烷。
[0032]优选地，步骤(3)所述酞菁类小分子溶液，质量分数为30-50%。
[0033]优选地，步骤(3)所述的烘干，为在充满惰性气体的温箱中以50-200°C条件下烘干5-100分钟。
[0034]优选地，步骤(3)所述空穴缓冲层的厚度为20_100nm。更优选地，步骤(3)所述空穴缓冲层的厚度为50-100nm。
[0035]优选地，步骤(4)所述阳极为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或钼(Pt)。更优选地，步骤
(4)所述阳极为铝(Al)。
[0036]优选地，步骤(4)所述阳极的厚度为80_200nm。更优选地，步骤(4)所述阳极的厚度为150nm。
[0037]本发明制备方法以廉价易得的酞菁类小分子作为空穴缓冲层材料，制备方法工艺简单，原料成本低，适合大规模工业化生产。
[0038]相比于现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0039](I)以酞菁类小分子作为空穴缓冲层，提高了空穴缓冲层对空穴的传输能力，另外利用酞菁类小分子易形成晶体的特性，进一步集中了光强，同时利用其散射与反射作用，使太阳光回到活性层再度被利用，从而改善了磁阳能电池的光电转换效率；
[0040](2)以廉价易得的酞菁类小分子作为空穴缓冲层材料，制备方法工艺简单，原料成本低，适合大规模工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]图1是本发明实施例制得的倒置聚合物太阳能电池的结构示意图；
[0043]图2是本发明实施例一制备的倒置聚合物太阳能电池与对比实施例制备的聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系图。
【具体实施方式】
[0044]下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0045]实施例一[0046]—种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤:
[0047](I)选择铟锡氧化物玻璃(ITO)作为阴极，将其光刻处理后剪裁成20X20mm的正方形电极片，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15分钟，去除玻璃表面的有机污染物，清洗干净后放入80°C烘箱中干燥I小时；
[0048](2)在真空度为10_5Pa的真空镀膜系统中在上述铟锡氧化物玻璃(ITO)上蒸镀电子缓冲层；其中电子缓冲层为碳酸铯(Cs2CO3),厚度为2nm ;蒸镀温度为800°C ;然后配制总质量浓度为18mg/mL的P3HT和PCBM的氯苯溶液(其中P3HT与PCBM的质量比为1:0.8)，在充满惰性气体的手套箱中将其旋涂在电子缓冲层上，留在手套箱中以200°C的条件退火5分钟，形成厚度为200nm的活性层；
[0049](3)配制质量分数为40%的酞菁铜(CuPc)的氯苯溶液，在充满惰性气体的手套箱中将其旋涂在活性层上，然后在惰性气体中以200°C的条件退火5分钟，形成厚度65nm的空穴缓冲层；
[0050](4)在所述空穴缓冲层上蒸镀阳极，阳极为铝(Al)，厚度为150nm ;蒸镀操作在真空度为10_5Pa的真空镀膜系统中以800°C温度条件进行，得到倒置聚合物太阳能电池。
[0051]图1是本实施例制备的倒置聚合物太阳能电池的结构示意图。如图1所示，一种倒置聚合物太阳能电池，包括ITO阴极1、电子缓冲层2、活性层3、空穴缓冲层4和阳极5，其中空穴缓冲层4的材质为酞菁铜(CuPc)，厚度为65nm。本实施例制得的倒置聚合物太阳能电池的结构为:
[0052]IT0/Cs2C03/ (P3HT/PCBM)/CuPc/Al。
[0053]实施例二
[0054]一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤:
[0055](I)选择掺铟的氧化锌玻璃(IZO)作为阴极，将其光刻处理后剪裁成30X30mm的正方形电极片，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15分钟，去除玻璃表面的有机污染物，清洗干净后放在阴凉通风处自然凉干；
[0056](2)在真空度为10_4Pa的真空镀膜系统中在上述掺铟的氧化锌玻璃(IZO)上蒸镀电子缓冲层；其中电子缓冲层为氟化锂(LiF)，厚度为0.5nm ;蒸镀温度为500°C ;然后配制总质量浓度为30mg/mL的P3HT和PCBM的氯仿溶液(其中P3HT与PCBM的质量比为1:4)，通过匀胶机将上述P3HT和PCBM的甲苯溶液旋涂在所述电子缓冲层上，控制的转速为200r/min，匀胶时间为120秒，旋涂后将蒸镀了电子缓冲层和旋涂了上述P3HT和PCBM的甲苯溶液的阴极在室温下放置48小时，形成厚度为SOnm的活性层；
[0057](3)配制质量分数为5%的酞菁锌(ZnPc)的甲苯溶液，然后通过匀胶机将其旋涂在所述活性层上，控制匀胶机的转速为lOOOr/min，匀胶时间为60秒，旋涂后将旋涂了酞菁锌的阴极放入充满惰性气体的温箱中，调节温度为50°C，保温干燥100分钟，形成厚度为IOOnm的空穴缓冲层；
[0058](4)最后在所述空穴缓冲层上蒸镀阳极，阳极为银(Ag)，厚度为SOnm ;蒸镀操作在真空度为10_4Pa的真空镀膜系统中以500°C温度条件进行，得到倒置聚合物太阳能电池。
[0059]本实施例制得的倒置聚合物太阳能电池的结构为:
[0060]IZO/LiF/ (P3HT/PCBM)/ZnPc/Ag。
[0061]实施例三[0062](I)选择掺氟氧化锡玻璃(FTO)作为阴极，将其光刻处理后剪裁成20X20mm的正方形电极片，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15分钟，去除玻璃表面的有机污染物，清洗干净后放在阴凉通风处自然凉干；
[0063](2)在真空度为10_3Pa的真空镀膜系统中依次在上述掺氟氧化锡玻璃上蒸镀电子缓冲层；其中电子缓冲层为碳酸锂(Li2CO3),厚度为5nm，蒸镀温度为1000°C ;然后配制总质量浓度为16mg/mL的P3HT和PCBM的二甲苯溶液(其中P3HT与PCBM的质量比为1:3)，在充满惰性气体的手套箱中将其旋涂在电子缓冲层上，留在手套箱中以50°C的条件退火100分钟，形成厚度为200nm的活性层；
[0064](3)配制质量分数为50%的酞菁镁(MgPc)的二氯甲烷溶液，在充满惰性气体的手套箱中将其旋涂在活性层上，然后在惰性气体中以150°C的条件退火10分钟，形成厚度为20nm的空穴缓冲层；
[0065](4)最后在所述空穴缓冲层上蒸镀阳极，阳极为金(Au)，厚度为ISOnm ;蒸镀操作在真空度为10_3Pa的真空镀膜系统中以1000°C温度条件进行，得到倒置聚合物太阳能电池。
[0066]本实施例制得的倒置聚合物太阳能电池的结构为:
[0067]FTO /Li2CO3/ (P3HT/PCBM) /MgPc/Au。
[0068]实施例四
[0069](I)选择掺铝的氧化锌玻璃(AZO)作为阴极，将其光刻处理后剪裁成20X20mm的正方形电极片，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15分钟，去除玻璃表面的有机污染物，用蒸馏水再次冲洗后放在阴凉通风处自然凉干；
[0070](2)在真空度为10_5Pa的真空镀膜系统中在上述掺铝的氧化锌玻璃上蒸镀电子缓冲层；其中电子缓冲层为碳酸铯(Cs2CO3),厚度为IOnm ;蒸镀温度为600°C ;然后配制8mg/mL的P3HT和PCBM的二氯甲烷溶液(其中P3HT与PCBM的质量比为1:2)，在充满惰性气体的手套箱中将其旋涂在电子缓冲层上，留在手套箱中以70°C的条件退火100分钟，形成厚度为300nm的活性层；
[0071](3)配制质量分数为15%的酞菁钒(V2Pc5)的氯仿溶液，在充满惰性气体的手套箱中将其旋涂在活性层上，在惰性气体中以200°C的条件退火5分钟，空穴缓冲层的厚度80nm。
[0072](4)最后在所述空穴缓冲层上蒸镀阳极，阳极为钼(Pt)，厚度为250nm ;蒸镀操作在真空度为KT5Pa的真空镀膜系统中以600°C温度条件进行，得到倒置聚合物太阳能电池。
[0073]本实施例制得的倒置聚合物太阳能电池的结构为:
[0074]AZO /Cs2CO3/ (P3HT/PCBM)/V2Pc5/Pt。
[0075]为更好地说明本发明实施例制备的倒置聚合物太阳能电池的优良特性，特设置以下对比实施例:
[0076]制备普通的聚合物太阳能电池，所述聚合物太阳能电池的结构为:IT0/ (PEDOT/PSS)/ (P3HT/PCBM)/Cs2CO3A10具体制备过程为:将的ITO阳极进行光刻处理，剪裁成20X 20mm的正方形电极片，依次用洗洁精,去离子水，丙酮，乙醇,异丙醇各超声15分钟，去除玻璃表面的有机污染物，然后旋涂空穴缓冲层PED0T/PSS，再旋涂上活性层P3HT/PCBM(P3HT与PCBM的质量比为1:0.8)，然后再蒸镀碳酸铯(Cs2CO3)电子缓冲层和阴极铝(Al)，得到聚合物太阳能电池。其中，空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层、阴极的厚度分别为:20nm、150nm、65nm、150nmo
[0077]采用电流-电压测试仪测试本发明实施例一所述倒置聚合物太阳能电池与对比实施例所述普通的聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系图，测试结果见图2。图2是实施例一所述倒置聚合物太阳能电池与对比实施例所述普通的聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系图。曲线I为实施例一制得的倒置聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系图；曲线2为对比实施例制得的聚合物太阳能电池的电流密度与电压关系图。
[0078]表1是根据图2得到的实施例1制备的倒置聚合物太阳能电池与对比实施例制备的聚合物太阳能电池参数表，其中，电流密度指的是短路电流密度，即电压大于O电流密度小于O时的电流密度绝对值；电压特指开路电压，即电流密度小于O电压大于O时的电压；能量转换效率n指的是短路电流与开路电压乘积的绝对值；填充因子指的是电池最大功率与开路电压和短路电流的乘积的比值，即曲线与坐标轴X、y所围成的圆弧面积占最大矩形面积(数值为最大电流密度与最大电压的乘积)的比例，填充因子越大，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，太阳能电池的光电转换效率越高。
[0079]表1实施例一与对比实施例的聚合物太阳能电池参数表
[0080]
【权利要求】
1.一种倒置聚合物太阳能电池，依次包括阴极、电子缓冲层、活性层、空穴缓冲层和阳极，其特征在于，所述空穴缓冲层的材质为酞菁类小分子，所述酞菁类小分子为酞菁铜、酞菁锌、酞菁钒或酞菁镁。
2.根据权利要求1所述的一种倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴缓冲层的厚度为20-100nm。
3.根据权利要求1所述的一种倒置聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴缓冲层的厚度为50-100nm。
4.一种倒置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)提供所需尺寸的阴极，清洗后干燥； (2)在经处理过的阴极上蒸镀电子缓冲层，然后旋涂活性层并干燥； (3)配制质量分数为5-50%的酞菁类小分子溶液，然后将其旋涂在所述活性层上，烘干形成空穴缓冲层，所述酞菁类小分子为酞菁铜、酞菁锌、酞菁钒或酞菁镁； (4)在所述空穴缓冲层上蒸镀阳极，得到倒置聚合物太阳能电池。
5.根据权利要求4所述的一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述阴极为铟锡氧化物玻璃、掺氟氧化锡玻璃、掺招的氧化锌玻璃或掺铟的氧化锌玻璃。
6.根据权利要求4所述的一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述酞菁类小分子溶液，溶剂为氯苯，甲苯，氯仿或二氯甲烷。
7.根据权利要求4所述的一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述酞菁类小分子溶液的质量分数为30-50%。
8.根据权利要求4所述的一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的烘干为在充满惰性气体的温箱中以50-200°C条件下烘干5-100分钟。
9.根据权利要求4所述的一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述空穴缓冲层的厚度为20-100nm。
10.根据权利要求4所述的一种倒置聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述空穴缓冲层的厚度为50-100nm。
【文档编号】H01L51/44GK103700766SQ201210367372
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】周明杰, 王平, 黄辉, 张振华 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, 深圳市海洋王照明工程有限公司