一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，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。该电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，极性缓冲层，金属阳极；极性缓冲层质量百分比组成为：N,N-二甲基甲酰胺93～97%，聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)3～7%，极性缓冲层厚度1～10nm。阳极缓冲层与金属阳极间加入极性缓冲层，提高阳极缓冲层的功函数，降低器件串联电阻，优化阳极缓冲层成膜过程，减少载流子复合几率，同时促进PEDOT:PSS薄膜垂直相分离程度，增加载流子的传输效率，器件的光电转换效率得到提高。
【专利说明】一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池
【技术领域】
[0001]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，具体涉及一种有机薄膜太阳能电池。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PED0T: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。
[0004]然而，在反型结构太阳能电池中，PED0T:PSS限制因素主要有:一、阳极缓冲层PED0T:PSS与金属阳极的功函数不匹配导致其间无法形成欧姆接触，从而造成器件串联电阻较大，最终限制了短路电流密度；二、阳极缓冲层溶剂与光活性层溶剂极性不同，导致其在光活性层表面成膜不均匀，此将导致阳极缓冲层表面载流子陷阱密度过大，从而增大了载流子复合几率；三、疏水导电PEDOT基团与亲水不导电PSS基团在成膜过程中无法有效地进行垂直相分离，从而限制了载流子传输效率。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题是:如何提供一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，目的是通过加入极性缓冲层来修饰阳极缓冲层，以实现:(1)提高阳极缓冲层的功函数，降低器件串联电阻；(2)优化阳极缓冲层成膜过程，降低载流子复合几率；(3)促进PEDOT: PSS薄膜垂直相分离，提高载流子传输效率。
[0006]为解决上述问题，本发明的技术方案为:
[0007]—种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，其特征在于:该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为:衬底，透明导电阴极ΙΤ0，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，极性缓冲层，金属阳极；所述极性缓冲层质量百分比组成为:N，N-二甲基甲酰胺93?97%，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PED0T:PSS) 3?7%，极性缓冲层厚度为I ?IOnm0
[0008]作为优选，所述阳极缓冲层材料为聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)(PED0T:PSS)，阳极缓冲层厚度为15?50nm。
[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混合制备而成，P3HT:PCBM混合溶液质量组分比为1:20?5:1，溶液浓度为I?20mg/ml，光活性层厚度为50?300nm。
[0010]作为优选，所述阴极缓冲层材料为TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为I?20nm。
[0011]作为优选，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100 ?300nm。
[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]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0014]一、通过引入极性缓冲层，能提高阳极缓冲层功函数，降低其与金属阳极之间的能极差，从而形成欧姆接触，降低器件的串联电阻；
[0015]二、通过极性缓冲层修饰阳极缓冲层表面，优化其成膜过程，降低了载流子表面陷阱密度，降低了载流子复合几率。
[0016]三、极性溶剂促进了 PED0T:PSS薄层的垂直相分离，有效地增加了载流子传输效率，增大了器件的短路电流密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明所涉及的一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池结构，从下到上依次为:I表示衬底，2表示透明导电阴极ΙΤ0，3表示阴极缓冲层，4表示光活性层，5表示阳极缓冲层，6表示极性缓冲层，7表示金属阳极。
【具体实施方式】:
[0018]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0019]本发明的技术方案是提供一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，如图1所示，该太阳能电池采用反型电池结构，从下到上依次为:衬底，透明导电阴极ΙΤ0，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，极性缓冲层，金属阳极；所述极性缓冲层质量百分比组成为:N，N-二甲基甲酰胺93?97%，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PED0T:PSS) 3?7%，极性缓冲层厚度为I?10nm。所述阳极缓冲层材料为聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)(PED0T:PSS)，所述阳极缓冲层厚度为15?50nm ;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?20mg/ml，所述光活性层厚度为50?300nm ；所述阴极缓冲层材料为TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，所述阴极缓冲层厚度为I?20nm ;所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu,薄层厚度为100?300nm ;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。[0020]实施例1 (对照组):
[0021]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min)；在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s,30nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VQe)=0.56V，短路电流(Jsc) =8.2mA/cm2，填充因子(FF)=0.53，光电转换效率(PCE) =2.43%。
[0022]实施例2:
[0023]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s, 30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N- 二甲基甲酰胺93%，PEODT:PSS7%，5000rpm, 60s, 5nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VQe)=0.59V，短路电流(Jsc)=9.43mA/cm2，填充因子(FF) =0.61，光电转换效率(PCE) =3.39%。
[0024]实施例3:
[0025]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s, 30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N- 二甲基甲酰胺95%，PEODT:PSS5%，5000rpm, 60s, 5nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(V。。) =0.61V，短路电流(Jsc)=9.66mA/cm2，填充因子(FF)=0.57，光电转换效率(PCE) =3.36%。
[0026]实施例4:
[0027]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s, 30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N- 二甲基甲酰胺95%，PEODT:PSS5%，5000rpm, 50s, 7nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VQe)=0.58V，短路电流(Jsc)=I0.2mA/cm2，填充因子(FF)=0.58，光电转换效率(PCE) =3.43%。[0028]实施例5:
[0029]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s，220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s, 30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N-二甲基甲酰胺93%，PEODT:PSS7%, 5000rpm, 40s, IOnm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag (IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(Vtje)=0.60V，短路电流(Jsc)=I0.3mA/cm2，填充因子(FF) =0.62，光电转换效率(PCE) =3.83%。
[0030]实施例6:
[0031]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s, 30nm);在阳极缓冲层上旋转喷涂覆极性缓冲层(N，N-二甲基甲酰胺95%，PEODT:PSS5%, 18cm, 2ml/min, 6nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(Vqc)=0.58V,短路电流(Jsc) =9.57mA/cm2，填充因子(FF) =0.60，光电转换效率(PCE) =3.33%。
[0032]实施例7:
[0033]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆Zn0(5000rpm, 40s, 15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200°C，60min);在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，50s, 3500nm);在阳极缓冲层上喷涂覆极性缓冲层(N，N- 二甲基甲酰胺93%，PEODT:PSS7%, 16cm, 2.8ml/min, 8nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150°C，5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(Vqc)=0.57V,短路电流(Jsc)=I0.31mA/cm2，填充因子(FF) =0.60，光电转换效率(PCE)=3.53%。
[0034]实施例8:
[0035]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面蒸镀BCP(5nm)制备阴极缓冲层；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20，20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C , 5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s，30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N-二甲基甲酰胺95%，PEODT: PSS5%, 18cm, 2.8ml/min, 8nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 °C , 5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AMl.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(Voc)=0.58V，短路电流(Jsc) =9.03mA/cm2，填充因子(FF) =0.58，光电转换效率(PCE) =3.04%。
[0036]实施例9:
[0037]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面蒸镀Alq3(5nm)制备阴极缓冲层；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20，20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C，5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s，30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N-二甲基甲酰胺96%，PEODT: PSS4%, 16cm, 2.8ml/min, 8nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 °C , 5min);在极性缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AMl.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(Voc)=0.58V，短路电流(Jsc) =8.65mA/cm2，填充因子(FF) =0.56，光电转换效率(PCE) =2.81%。
[0038]实施例10:
[0039]对表面粗糙度小于Inm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面蒸镀BCP(3nm)制备阴极缓冲层；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20，20mg/ml)光活性层(lOOOrpm, 25s, 220nm)，并进行烘烤(140°C , 5min);在光活性层表面旋转涂覆PED0T:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm，60s，30nm);在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N，N-二甲基甲酰胺95%，PEODT: PSS5%, 18cm, 2.8ml/min, 8nm);将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 °C , 5min);在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(IOOnm)。在标准测试条件下:AMl.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(Voc)=0.58V，短路电流(Jsc) =8.31mA/cm2，填充因子(FF) =0.58，光电转换效率(PCE) =2.80%。
[0040]表1有机薄膜太阳能电池器件光伏性能参数(BL为极性缓冲层)
[0041]
【权利要求】
1.一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，其特征在于:该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为:衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，极性缓冲层，金属阳极；所述极性缓冲层质量百分比组成为:N，N-二甲基甲酰胺93?97 %，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS) 3?7 %，极性缓冲层厚度为I ?10 nm0
2.根据权利要求1所述的一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述阳极缓冲层材料为聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PED0T:PSS)，阳极缓冲层厚度为15?50 nm。
3.根据权利要求1所述的一种极性缓冲层修饰的反型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混合制备而成，P3HT:PCBM混合溶液质量组分比为1:20?5:1，溶液浓度为I?20 mg/ml，光活性层厚度为50?300 nm。
4.根据权利要求1所述的一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述阴极缓冲层材料为TPB1、BCP、Bphen, Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为I?20 nm。
5.根据权利要求1所述的一种极性缓冲层修饰的反型有机薄膜太阳能电池，其特征在于:所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种,金属阳极厚度为100?300 nm。
6.根据权利要求1所述的一种极性缓冲层修饰的反型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。
【文档编号】H01L51/42GK103943779SQ201410159500
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】于军胜, 施薇, 李曙光, 王瀚雨 申请人:电子科技大学