一種無pedot的聚合物太陽能電池及其製備方法
2023-05-30 17:35:31 1
專利名稱：一種無pedot的聚合物太陽能電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種無PEDOT聚合物太陽能電池及其製備方法，屬於聚合物太陽能電池技術領域。
背景技術：
隨著近年來能源危機和環境汙染的逐漸加劇，對可再生能源的需求愈來愈大。作為一種清潔的可再生能源，太陽能電池的研究和應用在過去的幾十年中取得了巨大的發展。聚合物太陽能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在ITO透明正極和金屬負極之間所組成，具有結構和製備工藝簡單、重量輕、造價低廉、容易製備大面積柔性器件等優點而受到廣泛關注。結構規整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60 衍生物PCBM是最具代表性的給體和受體光伏材料。通過優化設計合成新型的聚合物給體材料和富勒烯衍生物受體材料以及優化活性層中給受體的微相分離結構，使本體異質結聚合物太陽能電池光電轉化效率已經超過8%，接近非晶矽電池的水平。在傳統的本體異質結聚合物太陽能電池中，由於陽極ITO的功函較低(4. 7eV)，不能與大多數共軛聚合物光伏材料的最高佔據分子軌道能級(5. OeV左右)匹配，常用PED0T:PSS做為陽極修飾層以提高陽極的功函，從而增加空穴的收集能力。但是PED0T:PSS本身具有一定的酸性，長期使用會腐蝕陽極ΙΤ0，從而造成陽極界面的不穩定，最終影響太陽能電池的長期穩定性。因此用高功函的中性溶液來製備陽極修飾層越來越引起人們的關注。如圖1，聚合物太陽能電池主要包含依次層疊的襯底1，透明導電金屬氧化物電極層2，陽極修飾層3，光電活性層4，陰極修飾層(也可以沒有)5以及低功函陰極層6等，電池以金屬導線8與負載或測試裝置7連接， 入射光9從襯底1方向射入。二(乙醯丙酮)氧化釩為藍至藍綠色晶體，化學式VO(C5H7O2)2，其結構如式1所示。 分子量沈5. 16，熔點256-259°C，沸點187. 6°C (760mmHg)，閃點:71. 9°C，熔化前分解，在苯
中是單體。由硫酸釩醯、乙醯丙酮在碳酸鈉溶液中反應而得，主要用作催化劑。
0灰。ο(式 1)
發明內容
本發明的目的是提供一種聚合物太陽能電池及其製備方法。本發明首次將二(乙醯丙酮)氧化釩用作陽極修飾材料應用於聚合物太陽能電池中。本發明所提供的聚合物太陽能電池，包括依次層疊的襯底、透明導電金屬氧化物電極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層(也可以沒有)和低功函陰極層，其中，所述陽極修飾層為二(乙醯丙酮)氧化釩膜。在本發明中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的優選厚度為10 -500A。其中，本發明聚合物太陽能電池的襯底可選用玻璃或聚酯薄膜；透明導電金屬氧化物電極層為In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其複合多元氧化物；光電活性層為電子給體和電子受體共混膜，其中所述的電子給體材料選自聚 (對亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、聚(對亞苯基)類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉類、嚇啉類、酞菁類或者選自由吸電子共軛單元如吡咯並吡咯二酮(DPP)、苯並噻二唑(BT)、噻吩並吡咯二酮(TP)與給電子共軛單元如咔唑(Cz)、芴(F)、苯並二噻吩 (BDT)、二噻吩並苯(BDP)偶聯等組成的共聚物等，電子受體材料選自富勒烯或其衍生物、 茈或其衍生物、萘或其衍生物、醌類或者選自III-V族和II-VI族半導體納米晶等；所述陰極修飾層為鹼金屬的氟化物、鹼土金屬的氟化物、Ti或ai的氧化物或其複合多元氧化物；所述低功函陰極層為Ca、Mg、Cs、Al或其複合電極。上述聚合物太陽能電池的製備方法，包括如下步驟(1)在襯底上製備透明導電金屬氧化物電極層，作為聚合物太陽能電池的陽極；(2) 二(乙醯丙酮)氧化釩與溶劑混合形成混合溶液，在透明導電陽極上旋塗上述混合溶液，經烘烤，得到作為陽極修飾層的二(乙醯丙酮)氧化釩膜；(3)在陽極修飾層上依次製備光電活性層和低功函陰極層，或者在陽極修飾層上依次製備光電活性層、陰極修飾層和低功函陰極層，得到所述聚合物太陽能電池。在製備過程中，主要利用旋塗的轉速來控制二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度，轉速優選 1000-5000rpm。步驟⑵中，混合溶液中二(乙醯丙酮)氧化釩的濃度優選2-10mg/mL。烘烤的溫度可為20-250°C，時間可為1分鐘到48小時。步驟O)中，所述溶劑為異丙醇、異辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的任意一種或幾種。本發明的有益效果為陽極修飾層為二(乙醯丙酮)氧化釩膜，將二(乙醯丙酮) 氧化釩作為陽極修飾材料，將其引入聚合物太陽能電池中，實現了空穴的高效收集；並且與現有的PED0T:PSS相比，本發明還具有修飾層不腐蝕陽極、光電轉換效率高、工藝簡單，成本低廉，實驗重複性好、適合於大規模工業化生產等特點。本發明應用二(乙醯丙酮)氧化釩膜作為陽極修飾層，可以有效的實現空穴的收集，提高陽極尤其是ITO的功函，在聚合物太陽能電池中表現出優異的性能。
圖1為聚合物太陽能電池結構示意圖；圖2為ITO/ 二(乙醯丙酮)氧化釩/P3HT PC60BM/Ca/Al的電流-電壓特性曲線；圖3為ITO/ 二(乙醯丙酮)氧化釩/P3HT PC70BM/Ca/Al的電流-電壓特性曲線；圖4為ITO/ 二(乙醯丙酮)氧化釩/P3HT IC60BA/Ca/Al的電流-電壓特性曲線；圖5為ITO/ 二(乙醯丙酮)氧化釩/P3HT IC70BA/Ca/Al的電流-電壓特性曲線圖中標號
1-襯底；2-透明導電金屬氧化物層；3-陽極修飾層；4-光電活性層；5-陰極修飾層；6-低功函陰極層；7-負載或測試裝置；8-金屬導線；9-入射光。
具體實施例方式實施例1將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮氣吹乾，在5000rpm的轉速下旋塗2. 5mg/mL的二(乙醯丙酮) 氧化釩異丙醇溶液，150°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層。然後將20mg/mL的P3HT 與PC6tlBM 1 1(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉速下直接旋塗於上述陽極修飾層上， 作為光電活性層。最後，在5X10_5帕下真空蒸鍍20納米的鈣和IOOnm的鋁作陰極。所得的聚合物太陽能電池中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為50A。所製得的器件在100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 58伏，短路電流為10. 97毫安每平方釐米， 填充因子為63. 8 %，轉換效率為4. 06%。實施例2將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮氣吹乾，在4000rpm的轉速下旋塗2. 5mg/mL的二(乙醯丙酮) 氧化釩異丙醇溶液，130°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層。然後將20mg/mL的P3HT 與PC6tlBM 1 1(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉速下直接旋塗於上述陽極修飾層上， 作為光電活性層。最後，在5X10_5帕下真空蒸鍍20納米的鈣和IOOnm的鋁作陰極。所得的聚合物太陽能電池中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為100A。所製得的器件在100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 58伏，短路電流為11. 32毫安每平方釐米， 填充因子為66. 8%，轉換效率為4. 38%。圖2給出了該器件在未經光照射和經100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。實施例3將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮氣吹乾，在IOOOrpm的轉速下旋塗5mg/mL的二(乙醯丙酮)氧化釩異丙醇溶液，150°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層。然後將20mg/mL的P3HT 與PC7tlBM 1 1(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉速下直接旋塗於上述陽極修飾層上， 作為光電活性層。在5X 10_5帕下真空蒸鍍1納米的氟化鋰陰極修飾層，最後，在5X 10_5帕下真空蒸鍍20納米的鈣和IOOnm的鋁作陰極。所得的聚合物太陽能電池中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為500A。所製得的器件在100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 58伏，短路電流為11. 14毫安每平方釐米，填充因子為65. 5%，轉換效率為 4. 23%。實施例4將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮氣吹乾，在3000rpm的轉速下旋塗2. 5mg/mL的二(乙醯丙酮) 氧化釩異丙醇溶液，140°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層。然後將20mg/mL的P3HT 與PC7tlBM 1 1(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉速下直接旋塗於上述陽極修飾層上，作為光電活性層。最後，在5X10_5帕下真空蒸鍍20納米的鈣和IOOnm的鋁作陰極。所得的聚合物太陽能電池中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為200A。所製得的器件在loo毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 58伏，短路電流為11. 74毫安每平方釐米， 填充因子為66. 9 %，轉換效率為4. 55%。圖3給出了該器件在未經光照射和經100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。實施例5將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮氣吹乾，在4000rpm的轉速下旋塗2. 5mg/mL的二(乙醯丙酮) 氧化釩異丙醇溶液，140°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層。然後將17mg/mL的P3HT 與IC6tlBA 1 1(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉速下直接旋塗於上述陽極修飾層上， 作為光電活性層。最後，在5X10_5帕下真空蒸鍍20nm的鈣和IOOnm的鋁作陰極。所得的聚合物太陽能電池中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為100A。所製得的器件在100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 85伏，短路電流為10. 23毫安每平方釐米， 填充因子為71. 3%，轉換效率為6. 20%。圖4給出了該器件在未經光照射和經100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。實施例6將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮氣吹乾，在4000rpm的轉速下旋塗2. 5mg/mL的二(乙醯丙酮) 氧化釩異丙醇溶液，140°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層。然後將20mg/mL的P3HT 與IC7tlBA 1 1(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉速下直接旋塗於上述陽極修飾層上， 作為光電活性層。最後，在5X10_5帕下真空蒸鍍20nm的鈣和IOOnm的鋁作陰極。所得的聚合物太陽能電池中，二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為100A。所製得的器件在100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 85伏，短路電流為10. 62毫安每平方釐米， 填充因子為70. 3 %，轉換效率為6. 35%。圖5給出了該器件在未經光照射和經100毫瓦每平方釐米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種聚合物太陽能電池，包括依次層疊的襯底、透明導電金屬氧化物電極層、陽極修飾層和光電活性層，光電活性層上設置低功函陰極層或者光電活性層上層疊陰極修飾層後再設置低功函陰極層，其特徵在於所述陽極修飾層為二(乙醯丙酮)氧化釩膜。
2.根據權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度為10 -500A。
3.根據權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於所述襯底選用玻璃或聚酯薄膜；透明導電金屬氧化物電極層為In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其複合多元氧化物；光電活性層為電子給體和電子受體共混膜；所述陰極修飾層為鹼金屬的氟化物、鹼土金屬的氟化物、Ti或Si的氧化物或其複合多元氧化物；所述低功函陰極層為Ca、Mg、Cs、Al或其複合電極。
4.根據權利要求3所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於所述光電活性層中，所述的電子給體材料選自聚(對亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、聚(對亞苯基) 類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉類、嚇啉類、酞菁類或者選自由吸電子共軛單元與給電子共軛單元偶聯組成的共聚物，電子受體材料選自富勒烯或其衍生物、茈或其衍生物、 萘或其衍生物、醌類或者選自III-V族和II-VI族半導體納米晶。
5.根據權利要求4所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於所述吸電子共軛單元為吡咯並吡咯二酮、苯並噻二唑或者噻吩並吡咯二酮，所述給電子共軛單元為咔唑、芴、苯並二噻吩或者二噻吩並苯。
6.權利要求1至5任意一個權利要求所述的聚合物太陽能電池的製備方法，其特徵在於包括如下步驟(1)在襯底上製備透明導電金屬氧化物電極層，作為聚合物太陽能電池的陽極；(2)二(乙醯丙酮)氧化釩與溶劑混合形成混合溶液，在透明導電陽極上旋塗上述混合溶液，經烘烤，得到作為陽極修飾層的二(乙醯丙酮)氧化釩膜；(3)在陽極修飾層上依次製備光電活性層和低功函陰極層，或者在陽極修飾層上依次製備光電活性層、陰極修飾層和低功函陰極層，得到所述聚合物太陽能電池。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於在製備過程中，主要利用旋塗的轉速來控制二(乙醯丙酮)氧化釩膜的厚度，轉速為1000-5000rpm。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟⑵中，混合溶液中二(乙醯丙酮) 氧化釩的濃度為2-10mg/mL，烘烤的溫度為20_250°C，時間為1分鐘到48小時。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟(2)中，所述溶劑為異丙醇、異辛醇、 乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的的任意一種或幾種。
10.二(乙醯丙酮)氧化釩作為陽極修飾材料在聚合物太陽能電池中的應用。
全文摘要
本發明公開了屬於聚合物太陽能電池技術領域的一種無PEDOT的聚合物太陽能電池及其製備方法。聚合物太陽能電池，包括依次層疊的襯底、透明導電金屬氧化物電極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層(可以沒有)和低功函陰極層，所述陽極修飾層為二(乙醯丙酮)氧化釩膜。在襯底上製備透明導電金屬氧化物電極層，作為電池的陽極；在透明導電陽極上旋塗二(乙醯丙酮)氧化釩與溶劑的混合溶液，經烘烤，得到陽極修飾層；在陽極修飾層上依次製備光電活性層、陰極修飾層(可以沒有)和低功函陰極層即可。將二(乙醯丙酮)氧化釩膜作為陽極修飾層，可以有效的實現空穴的收集，提高陽極尤其是ITO的功函，在聚合物太陽能電池中表現出優異的性能。
文檔編號H01L51/54GK102315392SQ201110289068
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者張文慶, 譚佔鰲, 錢德平 申請人:華北電力大學