一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，极性缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层材料为如下质量百分比的混合物组成：二甲亚砜95～97%，乙醇3～5%。在阳极缓冲层与光活性层中间加入了极性溶剂缓冲层，能有效提高阳极缓冲层的电导率，降低器件的串联电阻，提高阳极缓冲层的功函数，最终提高了器件的光电转换效率。
【专利说明】一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0003]随着全球能源需求的爆炸式增长，能源问题己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有洁净、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究光伏发电解决能源问题成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机半导体材料不仅材料本身的合成条件和器件化工艺条件相对温和，其分子化学结构容易修饰，用其来制作电池时，可以满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求。从20世纪90年代起，随着薄膜技术的迅猛发展，采用新材料新结构新工艺制备的电池的性能得到大幅度的提高。
[0004]然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。制备合适的阳极缓冲层是提高有机太阳电池光电转换效率的有效方法。其中，PEDOT:PSS由于其拥有良好的溶解性及空穴传输性而在近年来被广泛应用于有机太阳能电池中。基于PED0T:PSS阳极缓冲层的有机太阳能电池展现出了良好的光电性能，而进一步优化PEDOT: PSS阳极缓冲层则成为目前此领域研究的重点。
[0005]目前，限制PED0T:PSS阳极缓冲层的主要原因是:在PED0T:PSS中，由于传输空穴的主体PEDOT基团在成膜后不能有效地与亲水不导电的PSS基团分离，从而制约了阳极缓冲层中载流子空穴的传输速率。传统的解决方法是在PED0T:PSS溶液中参入一定量的添加剂来分离PEDOT与PSS基团。此方法虽然可以有效地使二者分离，但添加剂无法被去除从而成为了不导电的陷阱中心，从而制约了 PED0T:PSS薄膜了导电率无法进一步提高。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的问题是:如何提供一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法，目的是通过引入极性溶剂缓冲层来修饰阳极缓冲层，以实现:(I)提高PED0T:PSS阳极缓冲层的电导率；(2)降低器件的串联电阻；(3)提高阳极缓冲层的功函数，提高空穴传输效率，提高器件短路电流密度。
[0007]本发明的技术方案为:
一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为:衬底，透明导电阳极ΙΤ0，阳极缓冲层，光活性层，极性缓冲层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层材料为如下质量百分比的混合物组成:二甲亚砜95?97 %，乙醇3?5 % ;所述极性缓冲层的厚度范围为I?10 nm。[0008]作为优选，所述阳极缓冲层材料为PED0T:PSS，厚度范围为15?50 nm。
[0009]作为优选，所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，厚度范围为50?300 nm ;所述混合溶液中P3HT和PCBM的质量百分比为1:20?5:1,所述混合溶液的浓度为I?20 mg/ml ο
[0010]作为优选，所述阴极缓冲层的材料为TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，厚度范围为I?20 nm。
[0011]作为优选，所述金属阴极的材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，厚度范围为100 ?300 nm。
[0012]作为优选，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
[0013]一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)对由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2)在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PED0T:PSS溶液，并进行烘烤；
3)在阳极缓冲层上旋涂或喷涂极性溶液制备极性溶剂缓冲层；
4)在极性溶剂缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备P3HT:PCBM光活性层，并进行烘烤；
5)在光活性层表面旋转涂覆、印刷或喷涂ZnO或Ti02溶液，并将所形成的薄膜进行烘烤，或采用真空蒸镀法蒸镀TPB1、BCP、Bphen、Alq3制备阴极缓冲层；
6)将基板采用热退火的方式进行退火处理；
7)在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。
[0014]作为优选，步骤4)所述P3HT:PCBM薄膜烘烤的温度范围在20?150 V。
[0015]作为优选，步骤6)所述热退火温度范围为140?170 °C。
[0016]作为优选，所述热退火方式采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热、或微波加热的一种或多种。
[0017]本发明的优点在于:
一、有效地使PEDOT:PSS阳极缓冲层中PEDOT基团与PSS基团垂直相分离，提高了阳极缓冲层的电导率；
二、有效地降低了器件的串联电阻，降低了空穴在光活性层/阴极缓冲层界面的复合几率。
[0018]三、有效地提高了阳极缓冲层的功函数，在阳极缓冲层/光活性层界面处形成了欧姆接触，从而提高了载流子传输效率，增大了器件的短路电流密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明所提供的一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池的结构示意图，其中I表示衬底；2表示透明导电阳极ITO ;3表示阳极缓冲层；4表示极性溶剂缓冲层；5表示光活性层；6表示阴极缓冲层；7表示金属阴极。
[0020]图2是本发明实施例1和实施例2制备的太阳能电池器件的电流密度-电压对比图。
[0021]【具体实施方式】:
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0022]本发明的技术方案是提供一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池及其制备方法，如图1所示，该太阳能电池采用正型电池结构，从下到上依次为:衬底，透明导电阳极ΙΤ0,阳极缓冲层，光活性层，极性缓冲层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层质量百分比组成为:二甲亚砜95?97 %，乙醇3?5 %，薄层厚度范围为I?10 nm。所述阳极缓冲层材料为PED0T:PSS，所述阳极缓冲层厚度范围为15?50 nm ;所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM混合制备而成，所述P3HT: PCBM混合溶液质量组分比为1:20?5:1，所述溶液浓度为I?20 mg/ml，厚度为50?300 nm ;所述阴极缓冲层材料为TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，厚度范围为I?20 nm;所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu，薄层厚度为100?300 nm ;所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
[0023]实施例1 (对比例)
对表面粗糙度小于I nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液(3000 rpm, 60 s, 30nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 V，30 min);在阳极缓冲层上采用旋涂制备 P3HT:PCBM(1:20，20 mg/ml)光活性层(1000 rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 V，5 min);在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40 s)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 V，5 min);在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。制备而成的太阳能电池在标准测试条件下:AM 1.5，100 mff/cm2,测得器件的开路电压(U=0.56 V，短路电流(Jse) =8.68 mA/cm2，填充因子(FF)=0.55，光电转换效率(PCE) =2.67 %。
[0024]实施例1制备而成的太阳能电池无极性溶剂修饰，其结构表示为IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/Zn0/Ag，其电流密度-电压结果见图2所示；其串联电阻(RS)为3.33 ohm cm2,并联电阻(RSq)为 243.5 ohm cm2。
[0025]实施例2
对表面粗糙度小于I nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液(3000 rpm, 60 s,30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 V，30 min);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性溶剂缓冲层(二甲亚砜97 %,乙醇3 %, 5000 rpm, 60 s, 4 nm);在极性溶剂缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20，20 mg/ml)光活性层(1000 rpm, 25 s, 220nm)，并进行烘烤(140 °C , 5 min);在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40s)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 V，5 min);在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。制备而成的太阳能电池在标准测试条件下:AM1.5，100 mW/cm2，测得器件的开路电压(Voc)=0.58 V，短路电流(Jsc)=Il.2 mA/cm2，填充因子(FF)=0.63，光电转换效率(PCE) =4.09 %。
[0026]实施例2制备而成的太阳能电池有极性溶剂修饰，其结构表示为IT0/PED0T:PSS/BL/P3HT:PCBM/ZnO/Ag，其电流密度-电压结果见图2所示；由图2可以看出，经过极性溶剂修饰的器件电流密度获得了明显的提升，主要是由于其PEDOT基团与PSS基团垂直相分离程度提升造成的。
[0027]实施例2制备而成的有机薄膜太阳能电池有极性溶剂修饰，其串联电阻(RS)为1.53 ohm cm2,并联电阻(RSq)为 360.7 ohm cm2。
[0028]实施例1和实施例2制得的太阳能电池的串联电阻(RS)和并联电阻(RSq)参数见下表:
【权利要求】
1.一种极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为:衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，极性缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层材料为如下质量百分比的混合物组成:二甲亚砜95?97%，乙醇3?5 % ;所述极性缓冲层的厚度范围为I?10 nm。
2.根据权利要求1所述的极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述阳极缓冲层的材料为聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)，厚度范围为 15 ?50 nm。
3.根据权利要求1所述的极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，厚度范围为50?300 nm ;所述混合溶液中P3HT和PCBM的质量百分比为1:20?5:1，所述混合溶液的浓度为 I ?20 mg/ml。
4.根据权利要求1所述的极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述阴极缓冲层的材料为TPB1、BCP、Bphen、Alq3、Zn0*Ti02的一种或多种，厚度范围为I?20nm。
5.根据权利要求1所述的极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述金属阴极的材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，厚度范围为100?300 nm。
6.根据权利要求1所述的极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物的材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: I)对由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干； 2)在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂阳极缓冲层PEDOT: PSS溶液，并进行烘烤； 3)在阳极缓冲层上旋涂或喷涂极性溶液制备极性溶剂缓冲层； 4)在极性溶剂缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备P3HT:PCBM光活性层，并进行烘烤； 5)在光活性层表面旋转涂覆、印刷或喷涂ZnO或TiO2溶液，并将所形成的薄膜进行烘烤制备阴极缓冲层，或在光活性层表面采用真空蒸镀法蒸镀TPB1、BCP、Bphen, Alq3制备阴极缓冲层； 6)将基板采用热退火的方式进行退火处理； 7)在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。
8.根据权利要求7所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤4)所述P3HT:PCBM薄膜烘烤的温度范围在20?150 °C。
9.根据权利要求7所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤6)所述热退火温度范围为140?170 °C。
10.根据权利要求9所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述热退火方式采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热、或微波加热的一种或多种。
【文档编号】H01L51/44GK103872249SQ201410121729
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】于军胜, 郑毅帆, 施薇, 钟建 申请人:电子科技大学