用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源中的太阳能电池技术领域，涉及一种用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层及其应用。
【背景技术】
[0002]近年来，倒结构有机聚合物太阳电池(Inverted polymer solar cells, IPSCs)，由于采用电子传输层材料替换了传统结构有机电池中的PED0T:PSS材料，并使用高功函数金属作为阳极，电池的性能得到明显提升[参见Z.He, C.Zhong, S.Su, M.Xu, H.Wu,Yong Cao, Enhanced power-convers1n efficiency in polymer solar cells using aninverted device structure, Nature Photon., 2012, 6, 593-597]。ZnO 电子传输层，由于其无毒，价格低廉，出色的稳定性，高电子迀移率和可见光波段的高透过特性[参见J.Huang, Z.Yin, Q.Zheng, Applicat1ns of ZnO in organic and hybrid solar cells,Energy & Environmental Science, 4 (2011) 3861 - 3877]在有机太阳电池中得到广泛研究和应用。然而，一直以来困扰着ZnO的厚度与有机电池的效率之间的矛盾始终难以解决:太薄的ZnO对ITO衬底的覆盖不完全，制备电池器件时会导致活性层与ITO直接接触，形成漏电通道；然而，厚的ZnO薄膜虽然能够将ITO电极和活性层有效隔离，但是ZnO低的导电性能使得电池效率的提高受到限制。通过少量金属离子的掺杂，能够很大程度上提高ZnO薄膜的电学性能[参见 V.Fathollahi, M.M.Amini, Sol - gel preparat1n of highlyoriented gallium-doped zinc oxide thin films [J].Materials Letters, 2001,50 (4): 235-239 ；E.Luna-Arredondo, A.Maldonado, R.Asomoza, et al.1ndium-dopedZnO thin films deposited by the sol - gel technique [J].Thin solid films,2005, 490(2): 132-136 ；Y.S.Kim, ff.P.Tai, Electrical and optical propertiesof Al-doped ZnO thin films by sol - gel process [J].Applied Surface Science,2007，253(11): 4911-4916]，但是这些方法专门针对制备基透明导电氧化物(ZnO)薄膜(Transparent Conducting Oxide, TC0)，其制备方法(如高温600 °C退火等)并不适用于有机聚合物太阳电池。因此，提高有机聚合物电池性能迫切需要制备工艺方便快捷，价格低廉，并与roll-to-roll大面积制备方法相兼容的电子传输层。
【发明内容】
[0003]本发明针对倒结构有机聚合物电池中ZnO电子传输层存在问题，提供一种方法简单，易控制，制造成本低，并能在较低温度下、空气中、大面积制备的用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层，即Al-doped ZnO薄膜。
[0004]本发明还提供一种用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层的制备方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层，其特征在于该电子传输层的制备方法包括如下步骤: 1)AZO前驱液的配制:称取0.5-2克二水和合醋酸锌(Zn (CH3CO2) 2.2H20)和0.01-0.03克九水合硝酸铝(Al (NO3)3- 9H20)溶解在20毫升乙醇中，取0.1-0.5毫升单乙醇胺加入该溶液中作为稳定剂，将配置好的溶液在10~65 °C下搅拌0.2~1 h，待溶液清澈透明后，在室温条件下陈化24 h以上，前驱液配制完成；
2)AZ0薄膜的制备:将前驱液滴在ITO玻璃衬底上，设置匀胶机转速为500~2000rpm，旋涂时间为5~30 S，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~200 °C热板上加热5~10 min进行预退火，之后再将热板温度调至240~300 °C，进行5~30 min的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜；
将AZO薄膜冷却后放入盛有乙醇溶液的玻璃皿中，超声处理3~10 min后，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层。
[0006]—种采用所述的电子传输层制得的倒结构聚合物太阳电池。
[0007]作为优选，该倒结构聚合物太阳电池的制备方法包括如下步骤:
1)活性层的制备:将给体和受体材料聚3-己基噻吩(P3HT): [6，6]苯基C61 丁酸甲酯(PCBM)质量比为1:0.8溶解在I毫升氯苯溶液中配置成活性层溶液，其中包含P3HT: 12mg/ml; PCBM: 9.6 mg/ml，避光50 °C下加热搅拌12小时后，活性层溶液配制完成，将活性层溶液滴涂在AZO薄膜上，设置匀胶机转速为500~800 rpm旋涂时间为5~30 S，将样品放置在60~120 °C热板上进行1~10 min退火处理，完成活性层的制备；
2)电极制备:将样品放入镀膜机中，采用常规蒸镀的方式，利用掩膜版在104 Pa条件下蒸链 1—3 nm MoO3 和 50—100 nm Ag 电极。
[0008]本发明根据聚合物倒结构太阳电池电子传输层材料的研究现状，提供一种电子传输层材料(Al-doped ZnO, ΑΖ0)的制备方法。该方法简单快捷，可操作性强，无需大型真空设备，无需高高温退火，可在较低温度下、空气中大面积制备，制备成本低廉，并与大面积卷对卷(roll-to-roll)商业化生产工艺相兼容。并且通过电池器件性能的测试验证，该方法能有效提高电池器件的短路电流密度和填充因子，电池性能得到有效地提高。
[0009]本发明的有益结果是:采用本发明提出的制备AZO薄膜的方法，作为倒结构聚合物太阳电池中的电子传输层，不但能够提高ZnO电子传输层的电学性能，解决了 ZnO厚度与电池性能的矛盾问题，而且无需高温退火，在大气环境下即可制备完成，并且有效降低器件的串联电阻，减少载流子复合，显著提高电池短路电流密度和填充因子，实现电池能量转换效率的提升。特别是该方法简单易行，与商业化大面积生产制备工艺兼容，从而能够加快该类型太阳电池的产业化进程，满足社会需求。
【具体实施方式】
[0010]下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
[0011 ] 在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
[0012] 实施例: 称取2克醋酸锌和0.03克硝酸铝溶解在20 ml乙醇中，加入0.5 ml乙醇胺为稳定剂。将该混合溶液在65 °C下搅拌I h ;室温下陈化24 h，AZO前驱液配制完成。
[0013]将陈化完毕的AZO前驱液涂抹在去离子水洗净并烘干的ITO玻璃衬底上，采用匀胶机转速为2000 rpm，旋涂时间为30 S。旋涂完毕之后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在200 °C热板上加热10 min进行预退火处理，再将热板温度调至300 °C，进行30 min的后退火处理，退火过程完毕，得到AZO薄膜。
[0014]将AZO薄膜冷却后放入盛有乙醇溶液的玻璃皿中，超声处理10 min后，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层。
[0015]将P3HT: PCBM (质量比为1:0.8)溶解在Iml氯苯中配置活性层溶液(包含P3HT:12 mg/ml; PCBM: 9.6 mg/ml)避光，加热搅拌 12 h。
[0016]待AZO薄膜冷却后，将活性层溶液旋涂在AZO薄膜上，采用转速为800 rpm旋涂时间为30 S0在120 °C热板上进行10 min退火处理。冷却后将该样品移入电阻蒸发镀膜仪，在4*10 4 Pa条件下蒸镀MoO3空穴传输层3 nm，最后，蒸镀100 nm Ag电极，倒结构聚合物P3HT:PCBM电池制备完成。本发明制得的倒结构聚合物太阳电池为层状结构，自上而下依次为:普通玻璃载体、ITO透明导电薄膜、AZO电子传输层、P3HT:PCBM薄膜、MoO3空穴传输层、Ag电极。该电池器件的能量转换效率达到2.79% (Jsc=1.06 mA/cm2, Voc=0.56 V,FF=49.6%)ο
[0017]以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
【主权项】
1.一种用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层，其特征在于该电子传输层的制备方法包括如下步骤: 1)AZO前驱液的配制:称取0.5-2克二水和合醋酸锌(Zn (CH3CO2) 2.2H20)和0.01-0.03克九水合硝酸铝(Al (NO3)3- 9H20)溶解在20毫升乙醇中，取0.1-0.5毫升单乙醇胺加入该溶液中作为稳定剂，将配置好的溶液在10~65 °C下搅拌0.2~1 h，待溶液清澈透明后，在室温条件下陈化24 h以上，前驱液配制完成； 2)AZ0薄膜的制备:将前驱液滴在ITO玻璃衬底上，设置匀胶机转速为500~2000rpm，旋涂时间为5~30 S，旋涂完毕后，将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~200 °C热板上加热5~10 min进行预退火，之后再将热板温度调至240~300 °C，进行5~30 min的后退火，退火处理过程完毕得到AZO薄膜； 将AZO薄膜冷却后放入盛有乙醇溶液的玻璃皿中，超声处理3~10 min后，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层。2.一种采用权利要求1所述的电子传输层制得的倒结构聚合物太阳电池。3.根据权利要求2所述的倒结构聚合物太阳电池，其特征在于其制备方法包括如下步骤: 1)活性层的制备:将给体和受体材料聚3-己基噻吩(P3HT): [6，6]苯基C61 丁酸甲酯(PCBM)质量比为1:0.8溶解在I毫升氯苯溶液中配置成活性层溶液，其中包含P3HT: 12mg/ml; PCBM: 9.6 mg/ml，避光50 °C下加热搅拌12小时后，活性层溶液配制完成；将活性层溶液滴涂在AZO薄膜上，设置匀胶机转速为500~800 rpm旋涂时间为5~30 S，将样品放置在60~120 °C热板上进行1~10 min退火处理，完成活性层的制备； 2)电极制备:将样品放入镀膜机中，采用常规蒸镀的方式，利用掩膜版在104 Pa条件下蒸链 1—3 nm MoO3 和 50—100 nm Ag 电极。
【专利摘要】本发明属于新能源中的太阳能电池技术领域，涉及一种用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层及其应用。该电子传输层的制备方法包括如下步骤：1）AZO前驱液的配制，2）AZO薄膜的制备：将前驱液滴在ITO玻璃衬底上，旋涂，然后将载有前驱液的ITO玻璃衬底放置在100~200℃热板上加热5~10min进行预退火，之后再将热板温度调至240~300℃，进行5~30min的后退火,退火处理过程完毕得到AZO薄膜；将AZO薄膜冷却后放入盛有乙醇溶液的玻璃皿中，超声处理3~10？min后，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，得到用于倒结构聚合物太阳电池的电子传输层。
【IPC分类】H01L51/00, H01L51/42
【公开号】CN105047817
【申请号】CN201510255511
【发明人】余璇, 于晓明, 潘洪军, 张建军
【申请人】浙江海洋学院
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月18日