一种叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于有机聚合物光伏器件
技术领域：
，具体涉及一种叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
：近年来，人们对传统能源包括煤、石油、天然气在内的化石能源的需求量逐年增加，这也直接导致了环境污染的日益严重，其中包括水污染、大气污染、酸雨、全球温度升高等问题。因此，人们迫切需要寻求一种新的清洁能源来代替传统能源，而太阳能正是一种分布广泛、清洁无污染的可再生能源，成为了新能源领域的研究热点与重点。太阳能电池通过光电效应能够将太阳能转换为电能，是利用太阳能的重要途径之一。无机太阳能电池生产成本高、制作过程中能耗大、工艺复杂、对材料的要求苛刻、不易进行大面积生产，因此有机聚合物太阳能电池应运而生，它具有成本低、能耗少、质量轻、材料来源广泛、制备工艺简单、可大面积制备柔性器件等优点，近年来得到了广泛的研究与关注。然而，与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池的光电转换效率相对较低，无法满足现实生活中的需求，人们迫切需要寻求新的方法提高有机聚合物太阳能电池的光电转换效率。在有机聚合物太阳能电池中，电子和空穴分别通过电子受体材料和电子给体材料传输到电极，产生电流。因此，电流的产生不仅与电子、空穴的传输有关，也与光活性层和电极之间的界面性质密切相关。研究表明，在太阳能电池的光活性层和金属电极之间引入阴极缓冲层能够促进电荷的传输、有利于电极处载流子的收集、优化了能级以及界面性能，进而提高了电池的光电转换效率。目前常用的阴极缓冲层有ZnO、TiO2、PFN，多用在反型结构里，正型结构的电池常用的阴极缓冲层有LiF、CsCO3，虽然能够有效的传输电子，但它不能有效地阻挡活性层到阴极的空穴传输，器件的载流子复合几率较高。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种串联电阻低，开路电压、短路电流密度、填充因子以及光电转换效率高的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池及其制备方法。为了解决上述技术问题，本发明的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，采用正型结构，从下到上依次为：透明衬底、透明导电阳极、阳极缓冲层、光活性层、阴极缓冲层、金属阴极；其特征在于所述光活性层为电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按照1:4的质量比混合的组合物；阴极缓冲层采用由聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层、Alq3阴极缓冲层和CaF2阴极缓冲层构成的叠层阴极缓冲层；聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层制备于光活性层上；Alq3阴极缓冲层制备于聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上，其厚度为0.5～1.5nm；CaF2阴极缓冲层制备于Alq3阴极缓冲层与金属阴极之间，其厚度为0.6～1.2nm。所述聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层通过旋涂方法制备于光活性层上。所述聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层还可以通过自组装方法制备于光活性层上，形成SAM聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层。所述SAM聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层制备方法如下：将电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按照1:4的质量比混合在溶剂氯苯中得到光活性层材料，再将聚乙烯吡咯烷酮溶解在光活性层材料中配制成聚乙烯吡咯烷酮质量分数为1～3wt％的混合溶液，然后在磁力搅拌器上50～80℃加热同时搅拌12～14h；在氮气氛围的手套箱里，使用匀胶机进行光活性层材料与聚乙烯吡咯烷酮混合溶液的旋涂，转速为1000rpm/s，时间为60s；旋涂完成之后，在手套箱中静置30～60min，使聚乙烯吡咯烷酮在自组装效应下移动到光活性层的上方成为聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层；最后在60～80℃条件下退火处理20～40min。作为优选，聚乙烯吡咯烷酮溶解在光活性层材料中，其质量分数为2wt％；Alq3阴极缓冲层和CaF2阴极缓冲层厚度均为1.0nm。所述的透明衬底采用玻璃衬底或者透明聚合物衬底，其中透明聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚乙烯、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。所述透明导电阳极所用材料为氧化铟锡(ITO)，氧化铟锡沉积在透明衬底上，透明导电阳极厚度为150nm，方块电阻为15Ω/□。所述的阳极缓冲层材料采用聚四氟乙烯，PEDOT:PSS，或P型氧化物MoO3、WO3、V2O5，高功函数空穴传输材料NiO中的一种或由其中两种及两种以上按顺序一层层制备而成，厚度为1～20nm。所述的金属阴极采用Al、Ca、Mg或Li中的一种或由其中的几种组成的合金，其厚度为80nm～180nm。上述叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)清洗由透明衬底与透明导电阳极构成的基片；(2)基片干燥后，在透明阳极上蒸镀阳极缓冲层；(3)阳极缓冲层蒸镀完成之后，在阳极缓冲层上制备光活性层和聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层，制备方法如下：将电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按照1:4的质量比混合在溶剂氯苯中得到光活性层材料，再将聚乙烯吡咯烷酮溶解在光活性层材料中配制成聚乙烯吡咯烷酮质量分数为1～3wt％的混合溶液中，然后在磁力搅拌器上50～80℃加热同时搅拌12～14h；在氮气氛围的手套箱里，使用匀胶机进行光活性层材料与聚乙烯吡咯烷酮混合溶液的旋涂，转速为1000rpm/s，时间为60s；旋涂完成之后，在手套箱中静置30～60min，使聚乙烯吡咯烷酮在自组装效应下移动到光活性层的上方成为聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层；最后在60～80℃条件下退火处理20～40min；(4)在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，其厚度为0.5～1.5nm，蒸发速率为接下来在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，其厚度为0.6～1.2nm，蒸发速率为(5)在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。本发明与现有的技术相比具有以下优点：一、本发明提供的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，通过引入叠层阴极缓冲层，降低了器件的串联电阻，减小了器件的阻抗，促进电子从光活性层到金属阴极的传输，改善电子的传输性能，同时降低了接触电阻。二、本发明提供的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，通过引入叠层阴极缓冲层，相比于单层的阴极缓冲层，其功函数与电子受体材料更为匹配，有利于形成良好的欧姆接触。三、本发明提供的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，通过引入叠层阴极缓冲层，充分解离电子和空穴，能够降低电子与空穴的复合几率，调节光场，太阳能得到更充分的吸收，阻止氧和水分子向光活性层渗透。四、本发明提供的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，通过引入叠层阴极缓冲层，阴极不会被腐蚀，器件更具有稳定性。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。图1是本发明的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池的结构示意图。图2是单阴极缓冲层的有机聚合物太阳能电池随Alq3厚度变化的J-V曲线。图3是单阴极缓冲层的有机聚合物太阳能电池随CaF2厚度变化的J-V曲线。图4是本发明的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池随聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层质量分数变化的J-V曲线。具体实施方式本发明的技术方案是提供一种叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，如图1所示，器件采用正型结构，从下到上依次为：透明衬底、透明导电阳极、阳极缓冲层、光活性层、叠层阴极缓冲层、金属阴极。叠层阴极缓冲层的第一层为聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层，通过自组装方法或旋涂方法制备于光活性层上；第二层为Alq3阴极缓冲层，制备在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上，其厚度为0.5～1.5nm；第三层为CaF2阴极缓冲层，制备在Alq3阴极缓冲层上，其厚度为0.6～1.2nm；光活性层由电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按照1:4的质量比混合而成，制备在阳极缓冲层上。对比例1超声清洗带有氧化铟锡(ITO)透明导电阳极的玻璃透明衬底(透明导电阳极与透明衬底构成基片)，清洗试剂依次为甲苯、丙酮、去离子水、异丙醇，使用超声机各超声清洗20min。使用氮气(N2)将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机进行等离子体处理10min。阳极缓冲层采用聚四氟乙烯(PTFE)，用蒸镀的方法制备成膜，PTFE的蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机进行等离子体处理5min。将蒸镀完阳极缓冲层的基片移到氮气(N2)氛围的手套箱中，利用匀胶机进行光活性层的旋涂，转速为1000rpm/s，时间为60s，厚度约为100nm。光活性层材料由电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按质量比1:4配置而成。分别称量8mg的PCDTBT和32mg的PC71BM溶于1ml的氯苯中，得到浓度为PCDTBT:PC71BM＝8mg/ml:32mg/ml的混合溶液，混合后的溶液在磁力搅拌器上60℃加热搅拌12h，得到光活性层材料。光活性层材料旋涂完成之后，放在加热板上进行热退火处理，处理时间为30min，温度为60℃，使多余溶剂挥发并改善形貌结构。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片从手套箱与真空镀膜仪的连接处移到镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀。使用镀膜仪在光活性层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为0.5nm。Al金属阴极同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。制备好的器件有效面积为0.05cm2，在标准测试条件：100mw/cm2，AM1.5的模拟光照下进行测试，电流密度-电压(J-V)曲线由Keithley2400数字源表测得，测试过程均在大气环境下进行。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/Alq3(厚度为0.5nm)/Al(厚度为150nm)。对比例1的器件所测得的J-V曲线如图2所示。对比例2清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。在基片上蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。在阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片移到真空镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀。在光活性层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/Alq3(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。对比例2的器件所测得的J-V曲线如图2所示。对比例3清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，基片用Plasma清洗机处理5min。在阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片移到真空镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀，在光活性层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.5nm。蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/Alq3(厚度为1.5nm)/Al(厚度为150nm)。对比例3的器件所测得的J-V曲线如图2所示。表1为Alq3单阴极缓冲层器件在不同厚度Alq3下的开路电压Voc(V)、短路电流密度Jsc(mA/cm2)、填充因子FF(％)、光电转换效率PCE(％)，可以看出当Alq3的厚度为1.0nm时，器件性能最为优异。表1Voc(V)Jsc(mA/cm2)FF(％)PCE(％)对比例1器件0.87610.01956.804.985对比例2器件0.88311.37759.015.929对比例3器件0.87011.04456.725.451对比例4清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。在阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片移到真空镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀，在光活性层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为0.6nm。蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/CaF2(厚度为0.6nm)/Al(厚度为150nm)。对比例4的器件所测得的J-V曲线如图3所示。对比例5清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。在阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片移到真空镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀，在光活性层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为0.8nm。蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/CaF2(厚度为0.8nm)/Al(厚度为150nm)。对比例5的器件所测得的J-V曲线如图3所示。对比例6清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。在阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和阴极缓冲层的基片移到真空镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀，在光活性层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。对比例6的器件所测得的J-V曲线如图3所示。对比例7清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。在阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片移到真空镀膜仪里，进行阴极缓冲层的蒸镀，在光活性层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.2nm。蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/CaF2(厚度为1.2nm)/Al(厚度为150nm)。对比例7的器件所测得的J-V曲线如图3所示。表2为CaF2单阴极缓冲层器件在不同厚度CaF2下的开路电压Voc(V)、短路电流密度Jsc(mA/cm2)、填充因子FF(％)、光电转换效率PCE(％)，当厚度为0.6nm时，效率达到5.572％，当CaF2的厚度增加到1.0nm时，器件性能达到最优，厚度继续增加效率降低。表2Voc(V)Jsc(mA/cm2)FF(％)PCE(％)对比例4器件0.87410.99757.945.572对比例5器件0.87411.47759.405.961对比例6器件0.88211.84860.276.296对比例7器件0.87011.26058.915.769对比例8清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。在PTFE阳极缓冲层上旋涂光活性层并进行退火处理，方法与对比例1相同。退火处理后将带有阳极缓冲层和光活性层的基片移到真空镀膜仪里，进行金属阴极的蒸镀，在光活性层上蒸镀Al金属阴极，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/Al(厚度为150nm)。实施例1清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。将带有阳极缓冲层的基片移到N2氛围的手套箱中，利用匀胶机进行光活性层材料和聚乙烯吡咯烷酮混合液的旋涂，转速为1000rpm/s，时间为60s。光活性层材料由电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按质量比1:4配置而成。分别称量8mg的PCDTBT和32mg的PC71BM溶于1ml的氯苯中，得到浓度为PCDTBT:PC71BM＝8mg/ml:32mg/ml的混合溶液，将聚乙烯吡咯烷酮溶于上述混合溶液中，得到聚乙烯吡咯烷酮质量分数为1wt％的混合溶液，然后在磁力搅拌器上60℃加热搅拌12h。旋涂完成之后，在手套箱中静置30min，由于聚乙烯吡咯烷酮具有自组装效应，经过30min的缓慢生长，移动到光活性层的上方成为聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层，然后放在加热板上进行热退火处理，处理时间为30min，温度为60℃，使多余溶剂挥发并改善形貌结构。退火处理后将上述基片移到真空镀膜仪里，进行后续阴极缓冲层的蒸镀，在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm；在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。Al金属阴极同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/SAM聚乙烯吡咯烷酮(溶液质量比为1wt％)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。实施例1的器件所测得的J-V曲线如图4所示。实施例2清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。将带有阳极缓冲层的基片移到N2氛围的手套箱中，利用匀胶机进行光活性层材料和聚乙烯吡咯烷酮混合液的旋涂，转速为1000rpm/s，时间为60s。光活性层材料由电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按质量比1:4配置而成，分别称量8mg的PCDTBT和32mg的PC71BM溶于1ml的氯苯中，得到浓度为PCDTBT:PC71BM＝8mg/ml:32mg/ml的混合溶液，将聚乙烯吡咯烷酮溶于上述混合溶液中，得到聚乙烯吡咯烷酮质量分数为2wt％的混合溶液，然后在磁力搅拌器上60℃加热搅拌12h。旋涂完成之后，在手套箱中静置30min，由于聚乙烯吡咯烷酮具有自组装效应，经过30min的缓慢生长，移动到光活性层的上方成为阴极缓冲层，然后放在加热板上进行热退火处理，处理时间为30min，温度为60℃，使多余溶剂挥发并改善形貌结构。退火处理后将上述基片移到真空镀膜仪里，进行后续阴极缓冲层的蒸镀，在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm；在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。Al金属阴极同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/聚乙烯吡咯烷酮(溶液质量比为2wt％)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。实施例2的器件所测得的J-V曲线如图4所示。实施例3清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。将带有阳极缓冲层的基片移到N2氛围的手套箱中，利用匀胶机进行光活性层材料和聚乙烯吡咯烷酮的旋涂，转速为1000rpm/s，时间为60s。光活性层材料由电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按质量比1:4配置而成，分别称量8mg的PCDTBT和32mg的PC71BM溶于1ml的氯苯中，得到浓度为PCDTBT:PC71BM＝8mg/ml:32mg/ml的混合溶液，将聚乙烯吡咯烷酮溶于混合溶液中，得到聚乙烯吡咯烷酮质量分数为3wt％的溶液，然后在磁力搅拌器上60℃加热搅拌12h。旋涂完成之后，在手套箱中静置30min，由于聚乙烯吡咯烷酮具有自组装效应，经过30min的缓慢生长，移动到光活性层的上方成为聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层，然后放在加热板上进行热退火处理，处理时间为30min，温度为60℃，使多余溶剂挥发并改善形貌结构。退火处理后将上述基片移到真空镀膜仪里，进行后续阴极缓冲层的蒸镀，在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm；在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。金属阴极Al同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/SAM聚乙烯吡咯烷酮(溶液质量比为3wt％)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。实施例3的器件所测得的J-V曲线如图4所示。表3为本发明的叠层阴极缓冲层器件随聚乙烯吡咯烷酮溶液质量分数改变的性能参数(Alq3的厚度为1.0nm，CaF2的厚度为1.0nm)，器件的性能测试均在100mw/cm2，AM1.5的模拟光照下进行。当聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为2wt％时，效率达到7.349％，器件性能达到最优，聚乙烯吡咯烷酮质量分数继续增加效率降低。表3Voc(V)Jsc(mA/cm2)FF(％)PCE(％)实施例1器件0.89112.15461.986.711实施例2器件0.89912.75464.117.349实施例3器件0.89812.26663.226.961表4为对比例8器件(无阴极缓冲层)、单阴极缓冲层器件(1.0nmAlq3、1.0nmCaF2)与本发明叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池性能参数的对比，器件的性能测试均在100mw/cm2，AM1.5的模拟光照下进行。当采用叠层阴极缓冲层时，串联电阻降低，效率达到7.349％，器件性能达到最优，单阴极缓冲层的器件性能优于对比器件(无阴极缓冲层)，串联电阻低于对比器件。表4Voc(V)Jsc(mA/cm2)FF(％)PCE(％)Rs(Ω·cm2)对比例2器件0.88311.37759.015.92910.477对比例6器件0.88211.84860.276.2969.144实施例2器件0.89912.75464.117.3497.276对比例8器件0.87210.14052.624.65116.358表5为结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/聚乙烯吡咯烷酮(聚乙烯吡咯烷酮质量分数为2wt％)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)、透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/聚乙烯吡咯烷酮(聚乙烯吡咯烷酮质量分数为2wt％)/CaF2(厚度为1.0nm)/Alq3(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池性能参数的对比，器件的性能测试均在100mw/cm2，AM1.5的模拟光照下进行。可以看出当器件结构采用不同顺序的阴极缓冲层时对器件性能有一定的影响，只有选择合适的顺序，才能令能级更为匹配，有利于电子的传输和提取、界面间形成良好的欧姆接触。表5除上述实施例外，本发明的聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层还可以通过旋涂的方法直接制备于光活性层上。其中光活性层通过下述方法制备于阳极缓冲层上：将电子给体材料PCDTBT和电子受体材料PC71BM按照1:4的质量比混合在溶剂氯苯中得到光活性层材料，然后旋涂于阳极缓冲层上。聚乙烯吡咯烷酮溶在异丙醇中配成1mg/mL的溶液后旋涂于光活性层上。实施例4清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。将带有阳极缓冲层的基片移到N2氛围的手套箱中，利用匀胶机分别旋涂光活性层材料和聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层并进行退火处理，其中光活性层的旋涂与对比例1相同。聚乙烯吡咯烷酮溶于异丙醇中配成1mg/mL的溶液后旋涂在光活性层上，转速为3000rpm/s，时间为45s。旋涂完成后，进行热退火处理，处理时间为20min，温度为120℃。退火处理后将上述基片移到真空镀膜仪里，进行后续阴极缓冲层的蒸镀，在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm；在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。Al金属阴极同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/SAM聚乙烯吡咯烷酮(转速为3000rpm/s)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。实施例5清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。将带有阳极缓冲层的基片移到N2氛围的手套箱中，利用匀胶机分别旋涂光活性层材料和聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层并进行退火处理，其中光活性层的旋涂与对比例1相同。聚乙烯吡咯烷酮溶于异丙醇中配成1mg/mL的溶液后旋涂在光活性层上，转速为4000rpm/s，时间为45s。旋涂完成后，进行热退火处理，处理时间为20min，温度为120℃。退火处理后将上述基片移到真空镀膜仪里，进行后续阴极缓冲层的蒸镀，在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm；在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。Al金属阴极同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/SAM聚乙烯吡咯烷酮(转速为4000rpm/s)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。实施例6清洗由透明导电阳极与透明衬底构成的基片，透明导电阳极材料为氧化铟锡(ITO)，透明衬底为玻璃。使用N2将基片吹干，放在烘箱内加热10min，用Plasma清洗机处理10min。蒸镀PTFE阳极缓冲层，蒸发速率为厚度为2.0nm。蒸镀完成后，用Plasma清洗机处理5min。将带有阳极缓冲层的基片移到N2氛围的手套箱中，利用匀胶机分别旋涂光活性层材料和聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层并进行退火处理，其中光活性层的旋涂与对比例1相同。聚乙烯吡咯烷酮溶于异丙醇中配成1mg/mL的溶液后旋涂在光活性层上，转速为5000rpm/s，时间为45s。旋涂完成后，进行热退火处理，处理时间为20min，温度为120℃。退火处理后将上述基片移到真空镀膜仪里，进行后续阴极缓冲层的蒸镀，在聚乙烯吡咯烷酮阴极缓冲层上蒸镀Alq3阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm；在Alq3阴极缓冲层上蒸镀CaF2阴极缓冲层，蒸发速率为厚度为1.0nm。Al金属阴极同样采用蒸镀的方式制备而成，蒸发速率为厚度为150nm。电流密度-电压(J-V)曲线使用Keithley2400数字源表在100mw/cm2，AM1.5的条件下测得。器件结构为：透明衬底/ITO/PTFE(厚度为2.0nm)/PCDTBT:PC71BM/SAM聚乙烯吡咯烷酮(转速为5000rpm/s)/Alq3(厚度为1.0nm)/CaF2(厚度为1.0nm)/Al(厚度为150nm)。表6为本发明的叠层阴极缓冲层器件随聚乙烯吡咯烷酮溶液转速改变的性能参数(Alq3的厚度为1.0nm，CaF2的厚度为1.0nm)，器件的性能测试均在100mw/cm2，AM1.5的模拟光照下进行。当聚乙烯吡咯烷酮溶液的转速为4000rpm/s时，效率达到7.000％，器件性能达到最优，转速继续增加，致使厚度增加、效率降低。表6Voc(V)Jsc(mA/cm2)FF(％)PCE(％)实施例4器件0.88511.69961.706.387实施例5器件0.88212.43463.827.000实施例6器件0.87512.38761.376.611本发明的叠层阴极缓冲层有机聚合物太阳能电池，其开路电压Voc(V)、短路电流密度Jsc(mA/cm2)、填充因子FF(％)、光电转换效率PCE(％)主要与各阴极缓冲层所用材料、顺序和厚度有关，因而各层选用的材料及制备工艺参数不限于上述实施例。例如，本领域技术人员可以合理预见，当阳极缓冲层选用其他材料及不同厚度时，器件的性能也能够达到基本相同的技术效果。本发明通过引入叠层阴极缓冲层，修饰了光活性层与金属阴极之间的界面，降低了器件的串联电阻，减小阻抗进而电荷的传输电阻变小，促进电子从光活性层到金属阴极的传输，提高电子传输性能，减少了载流子复合几率，同时接触电阻降低。叠层阴极缓冲层阻止了电极的腐蚀，电池更具有稳定性。另外叠层阴极缓冲层的功函数与从光活性层中的电子受体材料更为匹配，有利于光活性层与阴极之间形成良好的欧姆接触，进一步的促进电子的传输和提取，进而能够有效的提高器件的光电转换效率。当前第1页1 2 3