专利名称：一种双活性层聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种聚合物太阳能电池的制备方法，具体涉及一种基于双光活性层的聚合物太阳能电池制备方法。
背景技术：
随着近年来能源危机和环境污染的逐渐加剧，对可再生能源的需求也越来越大。聚合物太阳能电池由于具有制备工艺简单、重量轻、造价低廉、可制备大面积柔性器件等优点而得到广泛的关注。在聚合物太阳能电池中，光活性层采用本体异质结结构，给受体材料在纳米尺寸水平上共混形成互穿网络体系，大大增加了给受体之间的界面面积，提高了太阳能电池的能量转换效率，是太阳能电池中的主流结构。在聚合物太阳能电池中，常用的典型给体材料包括对苯撑乙烯衍生物(如聚(2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)-1，4-对 苯撑乙烯)(MDMO-PPV))和聚噻吩(如聚(3-己基噻吩)(P3HT));典型的受体材料为可溶性C60衍生物(如[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM))。有两种方法可提高本体异质结太阳能电池性能，第一是设计合成窄带隙聚合物，其可充分吸收太阳光，提高光生电荷的产生效率，如给受体共轭聚合物(Macromolecules. 2006，39，4317)、支链共轭聚噻吩(J. Am. Chem. Soc. 2006，128，4911)、噻吩与芴的共聚物(J. Am. Chem. Soc. 2006, 128，8980)等；第二是提高光生电荷分离后空穴在聚合物相的迁移率，如P3HT的空穴迁移率为O. 05—0.1cm2/Vs (Appl. Phys. Lett. 1996，69，4108)，而 MDMO-PPV 的空穴迁移率仅约为 l(T4cm2/Vs(Sciencel998, 280, 1741)0基于P3HT的太阳能器件经过后退火处理后，P3HT在光活性层中形成微晶层状堆叠，提高空穴传输效率，电池能量转换效率可达5% (Adv. Funct.Mater. 2005, 15, 1617)。但是，MDMO-PPV和P3HT分别是无定形的和半结晶的聚合物，固态薄膜中存在大量的缺陷，空穴迁移率有待提高。PBTTT是一类新的聚噻吩衍生物(Nat. Mater. 2006, 5，328)，在固态薄膜中分子间具有较强的η— η作用，分子链紧密堆积，增加了有序性和结晶度，其空穴迁移率达到O. 2-0. 6cm2/Vs，高于P3HT的空穴迁移率，接近非晶硅的空穴迁移率。在本发明中，应用PBTTT作为光活性层的给体材料，并制备了双光活性层的太阳能电池。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种双光活性层聚合物太阳能电池的制备方法。技术方案为解决上述技术问题，本发明公开了一种双活性层聚合物太阳能电池，从下到上依次包括依次连接的玻璃衬底、阳极层、阳极修饰层、光活性层、阴极修饰层和阴极层，光活性层为两层，第一层为PBTTT:PCBM，第二层为MDMO-PPV: [70]PCBM。优选的，第一光活性层PBTTT:PCBM的质量比为1:2 ;第二光活性层MDMO-PPV: [70]PCBM的质量比为1:4。优选的，第一光活性层的厚度为60nm，第二光活性层的厚度为90nm。
优选的，所述衬底为玻璃；所述阳极层为锡铟氧化物；所述阳极修饰层为聚乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸纳；所述阴极修饰层为氧化钛；所述阴极为铝。本发明还提供了一种双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，该方法包括如下步骤步骤1:在玻璃衬底上制备阳极修饰层；
步骤2 :在阳极修饰层上旋涂聚PBTTT:PCBM溶液，得到第一光活性层；步骤3 :在第一光活性层上旋涂聚MDMO-PPV: [70] PCBM溶液，得到第二光活性层；步骤4 :在第二光活性层上旋涂氧化钛溶液，得到阴极修饰层；步骤5 :在阴极修饰层上制备阴极层，得到聚合物太阳能电池。优选的，在玻璃衬底上旋涂30nm厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰层。优选的，所述PBTTT:PCBM溶液的溶剂为1，2_ 二氯苯，溶液温度为70°C，转速为3000转/分钟，成膜后于85°C热退火I小时，自然冷却至室温。优选的，所述MDMO-PPV: [70] PCBM溶液的溶剂为氯苯，转速为3000转/分钟，成膜后于80°C热退火30分钟，自然冷却至室温。优选的，所述氧化钛溶液的溶剂为乙醇，旋涂转速为6000转/分钟，成膜后于80°C热退火20分钟，自然冷却至室温。优选的，在5X 10_5帕真空下于阴极修饰层上蒸镀150nm厚的Al作为阴极。 有益效果本发明制备了双层光活性层PBTTT:PCBM (1:2)/MDMO-PPV: [70]PCBM(1:4)的器件，吸收光谱与太阳光谱更匹配，经过后退火处理后得到器件性能参数Voc 为 O. 59V, Jsc 为 10. 1—10. 7mA/cm2, FF 为 O. 50，PCE 为 3. 0—3. 2%，比单层光活性层器件的Jsc和PCE增加了 2倍(详细内容见表I)。本发明表明，双光活性层结构的聚合物太阳能电池比单光活性层结构的聚合物太阳能电池有明显的优势。
图1a是PBTTT的分子结构式。图1b 是 PBTTT: [70] PCBM (1:2)、MDMO-PPV: PCBM (1:4)及 PBTTT: [70] PCBM (1:2) /MDMO-PPV:PCBM(1:4)薄膜经热退火处理后的紫外可见吸收光谱。图2是双光活性层本体异质结太阳能电池器件的结构示意图，其中I是透明玻璃衬底，2是ITO阳极，3是阳极修饰层PEDOT:PSS，4是第一光活性层PBTTT:PCBM(1:2)，5是第二光活性层MDMO-PPV: [70]PCBM(1:4)，6是阴极修饰层TiOx，7是阴极Al。图3是未经阴极修饰的双层本体异质结太阳能电池经后退火处理前后的电流-电压特性曲线。图4是经阴极修饰的双层本体异质结太阳能电池经后退火处理前后的电流-电压特性曲线。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明做进一步说明。本专利申请中的一些简写及缩写为光活性层的第一层为聚(2，5-双(3- 二i^一烷基噻吩-2-基)噻吩并[3，2_b]噻吩)(PBTTT) : [6，6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM)；第二层为聚(2-甲氧基_5-(3，7- 二甲基辛氧基)_1，4-对苯撑乙烯)(MDM0PPV) : [6，6]-C71-苯基丁酸甲酯([70]PCBM)；锡铟氧化物(ITO);聚苯乙烯磺酸纳(PED0T:PSS);氧化钛(TiOx)。表1.不同光活性层制备的太阳能电池的性能比较。
开路短路电流能量转换
填充
电压密度效率
活性层的组成因子
Voc JscPCE
FF
(V) (mA/cd)(%)
PBTTT:PCBM(1:2)/MDMO-PPV:[70]PCBM(1:4)0.57 9.1 O. 41 2.1
PBTTT: PCBMd: 2) /MDMO-PPV: [70] PCBM (1:4)-经后 O. 59 10 I O. 50 3.0
退火处理
PBTTT:PCBM(1:2)/MDM0PPV: [70]PCBM(1:4)/TiOx O. 57 9.8 O. 42 2.4PBTTT:PCBM(1:2)'/MDMO-PPV: [70]PCBM(1:4)/TiOx O10 7 O υ0 3.2
-经后退火处理本发明提供的双活性层聚合物太阳能电池，从下到上依次包括依次连接的玻璃衬底1、阳极层2、阳极修饰层3、光活性层、阴极修饰层6和阴极层7，其光活性层为两层，第一层 4 为 PBITT:PCBM，第二层 5 为 MDMO-PPV: [70]PCBM。第一光活性层PBTTT:PCBM的质量比为1:2 ;第二光活性层MDMO-PPV: [70]PCBM的质量比为1:4。第一光活性层的厚度为60nm，第二光活性层的厚度为90nm。所述衬底为玻璃；所述阳极层为锡铟氧化物；所述阳极修饰层为聚乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸纳；所述阴极修饰层为氧化钛；所述阴极为铝。本发明还提供了一种双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，该方法包括如下步骤步骤1:在玻璃衬底I上制备阳极修饰层3 ；步骤2 :在阳极修饰层3上旋涂聚PBTTT:PCBM溶液，得到第一光活性层；步骤3 :在第一光活性层上旋涂聚MDMO-PPV: [70] PCBM溶液，得到第二光活性层；步骤4 :在第二光活性层上旋涂氧化钛溶液，得到阴极修饰层；步骤5 :在阴极修饰层上制备阴极层，得到聚合物太阳能电池。在玻璃衬底上旋涂30nm厚的PEDOT: PSS作为阳极修饰层。所述PBTTT:PCBM溶液的溶剂为1，2_ 二氯苯，溶液温度为70°C，转速为3000转/分钟，成膜后于85°C热退火I小时，自然冷却至室温。
所述MDMO-PPV: [70] PCBM溶液的溶剂为氯苯，转速为3000转/分钟，成膜后于80°C热退火30分钟，自然冷却至室温。所述氧化钛溶液的溶剂为乙醇，旋涂转速为6000转/分钟，成膜后于80°C热退火20分钟，自然冷却至室温。在5X 1(Γ5帕真空下于阴极修饰层上蒸镀150nm厚的Al作为阴极。实施例一将溅射有ITO (阳极)的透明导电玻璃依次用清洁剂和去离子水超声清洗，然后用紫外-臭氧处理基片表面20分钟，再旋涂30nm厚的PED0T:PSS作为阳极修饰层，于150°C 下热退火15分钟。将20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在衬底50°C下将其旋涂于上述阳极修饰层，作为第一光活性层，然后于85°C下热退火I小时，自然冷却至室温。再将IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室温下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，将其旋涂于第一光活性层上，作为第二光活性层，然后于80°C下热退火30分钟，自然冷却至室温。最后，在5X 10_5帕下真空蒸镀150nm铝作为阴极。图3给出了该器件的电流-电压曲线，开路电压为O. 57伏，短路电流密度为9.1毫安每平方厘米，填充因子为O. 41，能量转换效率为2. 1%。实施例二 将溅射有ITO (阳极)的透明导电玻璃依次用清洁剂和去离子水超声清洗，然后用紫外-臭氧处理基片表面20分钟，再旋涂上30nm厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰层，于150°C下热退火15分钟。将20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在衬底50°C下将其旋涂于上述阳极修饰层，作为第一光活性层，然后于85°C下热退火I小时，自然冷却至室温。再将IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室温下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，将其旋涂于第一光活性层上，作为第二光活性层，然后于80°C下热退火30分钟，自然冷却至室温。最后，在5X 10_5帕下真空蒸镀150nm铝作为阴极。器件经120°C后退火处理4分钟，再以1°C /分钟的速率冷却至室温。图3给出了该器件的电流-电压曲线，开路电压为O. 59伏，短路电流密度为10.1毫安每平方厘米，填充因子为O. 5，能量转换效率为3. 0%。实施例三将溅射有ITO (阳极)的透明导电玻璃依次用清洁剂和去离子水超声清洗，然后用紫外-臭氧处理基片表面20分钟，再旋涂上30nm厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰层，于150°C下热退火15分钟。将20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在衬底50°C下将其旋涂于上述阳极修饰层，作为第一光活性层，然后于85°C下热退火I小时，自然冷却至室温。再将IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室温下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，将其旋涂于第一光活性层上，作为第二光活性层，然后于80°C下热退火30分钟，自然冷却至室温。再将TiOx溶液在6000转/分钟的转速下旋涂于第二光活性层上，作为阴极修饰层。最后，在5X10_5帕下真空蒸镀150nm铝作为阴极图4给出了该器件的电流-电压曲线，开路电压为O. 57伏，短路电流密度为9. 8毫安每平方厘米，填充因子为O. 42，能量转换效率为2. 4%。实施例四
将溅射有ITO (阳极)的透明导电玻璃依次用清洁剂和去离子水超声清洗，然后用紫外-臭氧处理基片表面20分钟，再旋涂上30nm厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰层，于150°C下热退火15分钟。将20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在衬底50°C下将其旋涂于上述阳极修饰层，作为第一光活性层，然后于85°C下热退火I小时，自然冷却至室温。再将IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室温下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，将其旋涂于第一光活性层上，作为第二光活性层，然后于80°C下热退火30分钟，自然冷却至室温。再将TiOx溶液在6000转/分钟的转速下旋涂于第二光活性层上，作为阴极修饰层。最后，在5X10_5帕下真空蒸镀150nm铝作为阴极。器件经120°C后退火处理4分钟，再以1°C /分钟的速率冷却至室温。图4给出了该器件的电流-电压曲线，开路电压为O. 59伏，短路电流密度为10. 7毫安每平方厘米，填充因子为O. 5，能量转换效率为3. 2%。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种双活性层聚合物太阳能电池，从下到上依次包括依次连接的玻璃衬底(I)、阳极层(2)、阳极修饰层(3)、光活性层、阴极修饰层(6)和阴极层(7)，其特征在于光活性层为两层,第一层(4)为 PBITT:PCBM，第二层(5)为 MDMO-PPV: [70]PCBM。
2.根据权利要求1所述的双活性层聚合物太阳能电池，其特征在于第一光活性层PBTTT:PCBM的质量比为1:2 ;第二光活性层MDMO-PPV: [70]PCBM的质量比为1:4。
3.根据权利要求1所述的双活性层聚合物太阳能电池，其特征在于第一光活性层的厚度为60nm，第二光活性层的厚度为90nm。
4.根据权利要求1所述的双活性层聚合物太阳能电池，其特征在于所述衬底为玻璃；所述阳极层为锡铟氧化物；所述阳极修饰层为聚乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸纳；所述阴极修饰层为氧化钛；所述阴极为铝。
5.一种双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤 步骤1:在玻璃衬底(I)及阳极层(2)上制备阳极修饰层(3)； 步骤2 :在阳极修饰层(3)上旋涂聚PBTTT:PCBM溶液，得到第一光活性层(4)； 步骤3 :在第一光活性层上旋涂聚MDMO-PPV: [70]PCBM溶液，得到第二光活性层(5)； 步骤4 :在第二光活性层上旋涂氧化钛溶液，得到阴极修饰层(6)； 步骤5 :在阴极修饰层上制备阴极层(7)，得到聚合物太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于在玻璃衬底上旋涂30nm厚的PED0T:PSS作为阳极修饰层。
7.根据权利要求5所述的双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于所述PBTTT:PCBM溶液的溶剂为1，2- 二氯苯，溶液温度为70°C，转速为3000转/分钟，成膜后于85°C热退火I小时，自然冷却至室温。
8.根据权利要求5所述的双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于所述MDMO-PPV: [70]PCBM溶液的溶剂为氯苯，转速为3000转/分钟，成膜后于80°C热退火30分钟，自然冷却至室温。
9.根据权利要求5所述的双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于所述氧化钛溶液的溶剂为乙醇，旋涂转速为6000转/分钟，成膜后于80°C热退火20分钟，自然冷却至室温。
10.根据权利要求5所述的双活性层聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于在5X 1(T5帕真空下于阴极修饰层上蒸镀150nm厚的Al作为阴极。
全文摘要
本发明公开了一种双活性层聚合物太阳能电池的制备方法。本发明所提供的聚合物太阳能电池，包括两两依次相连接的衬底、阳极层、阳极修饰层、光活性层、阴极修饰层和阴极层，其中，光活性层为两层，分别为PBTTT:PCBM和MDMO-PPV:[70]PCBM。本发明利用PBTTT具有溶解度随温度变化的性质，采用旋转涂膜方式制成双层光活性层，可充分吸收太阳光，提高薄膜太阳能电池的光电转换效率。本发明表明，双光活性层(双异质结)结构的聚合物太阳能电池比单光活性层(异质结)结构的聚合物太阳能电池有明显的优势。
文档编号H01L51/48GK103022358SQ20121057646
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者孙清江, 张毅, 张路, 高雷 申请人:东南大学