一種對稱結構聚合物太陽能電池及其應用的製作方法

2023-05-17 22:32:11 2

一種對稱結構聚合物太陽能電池及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種對稱結構聚合物太陽能電池及其應用。該對稱結構聚合物太陽能電池，包括依次層疊的透明導電電極、第一界面層(1)、光電活性層(2)、第二界面層(3)和對電極(4)，所述的第一界面層(1)與第二界面層(3)的材料的功函數相等。本發明具有光電轉換效率高、工藝簡單、空氣穩定好、實驗重複性好等特點，可有效用於聚合物光電性能評估和器件穩定性研究。
【專利說明】一種對稱結構聚合物太陽能電池及其應用

【技術領域】
[0001]本發明屬於聚合物光電子器件領域，特別涉及的是一種對稱結構聚合物太陽能電池及其在聚合物光電性能評估和器件穩定性方面的應用。

【背景技術】
[0002]共軛聚合物可以低溫加工，能與柔性襯底兼容，可採用卷對卷的工藝大規模製備，在大面積、低成本、柔性電子器件方面具有非常光明的應用前景。共軛聚合物作為活性層材料有望在有機顯示器的有源驅動電路、有機傳感器、存儲器、有機光伏電池、電子書或電子紙、射頻識別標籤等領域得到廣泛應用。
[0003]設計和開發新型的光電子器件具有極其重要的地位。就太陽能電池而言，器件結構的每一次創新都帶來突破性的進展。例如，1986年Tang C.W.等發明了雙層結構的有機太陽能電池[Tang, C.ff.,Appl.Phys.Lett.1986，48 (2)，183-185]。1995 年加州大學聖色色拉分校的Alan J.Heeger等發明了本體異質結結構的聚合物太陽能電池，該結構成為該領域迄今最廣泛使用的光伏器件結構[Yu，G.；Gao, J.；Hummelen, J.C.；ffudl, F.；Heeger, A.J.，Sciencel995, 270(5243)，1789-1791]。2011 年以來，加州大學洛杉磯分校Yang Yang研究組報導了多種高效疊層結構的聚合物太陽能電池，首次實現了 10%的能量轉換效率[Dou, L.T.；et al., Nat.Photonics2012, 6 (3), 180-185 ；You, J.；et al., Nat.Commun.2013,4，1446]。近年來，國內也在器件結構的開發方面取得一些重要成果。例如，中科院化學所侯劍輝研究組和香港大學Wallace Choy研究組合作報導了一種雙等離子體結構的反向聚合物太陽能電池，能量轉換效率高達8.8% [Li, X.H.；et al.,Adv.Mater.2012，24 (22)，3046-3052]。中科院化學所李永舫研究組、侯劍輝研究組和華北電力大學譚佔鰲研究組合作報導了一種基於醇溶性氧化鈦螯合物的反向聚合物太陽能電池，能量轉換效率高達 7.4% [Tan, Z.A.；et al.，Adv.Mater.2012，24 (11)，1476-1481]。2012 年華南理工大學曹鏞院士和吳宏濱研究組開發了一種新型倒置結構的聚合物太陽能電池，並取得了單結電池的世界紀錄[He, Z.C.；et al.，Nat.Photonics2012, 6 (9)，591-595]。這表明器件結構的設計和優化將在聚合物光電領域方面發揮重要的作用。
[0004]如何綜合地評估聚合物材料的光電性能是聚合物太陽能電池器件結構設計中一個十分重要的課題。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種對稱結構聚合物太陽能電池及其在聚合物光電性能評估和器件穩定性方面的應用。本發明的對稱結構聚合物太陽能電池，具有光電轉換效率高、工藝簡單、空氣穩定好、實驗重複性好等特點。
[0006]本發明通過如下技術方案實現:
[0007]—種對稱結構聚合物太陽能電池，其包括依次層疊的透明導電電極、第一界面層、光電活性層、第二界面層和對電極，所述的第一界面層與第二界面層的材料的功函數相等。
[0008]本發明中，所述的第一界面層與第二界面層的材料不相同時，該對稱結構聚合物太陽能電池結構可表示為透明導電電極/第一界面層/光電活性層/第二界面層/對電極。所述的第一界面層與第二界面層的材料相同時，該對稱結構聚合物太陽能電池結構可表示為透明導電電極/界面層/光電活性層/界面層/對電極。
[0009]本發明中，所述透明導電電極選自含有氧化銦錫(ITO)的玻璃或薄膜。
[0010]本發明中，所述第一界面層和第二界面層的材料分別獨立地選自氟化鋰、氧化鋅、三氧化鑰、PED0T:PSS、PFN、鈣、鎂、鋇、鋁、銀、金、銅、鎳、鋅、鈦、錳、鐵、鉬或鑰中的一種。
[0011]本發明中，所述對電極的材料選自鈣、鎂、鋇、鋁、銀、金、銅、鎳、鋅、鈦、錳、鐵、鉬或鑰中的一種金屬。
[0012]本發明中，所述光電活性層的厚度在20nm?100nm之間。優選地,所述厚度範圍在40?200nm之間。
[0013]本發明中，所述第一界面層和第二界面層的厚度分別在大於O到10nm之間。優選地，所述厚度範圍在大於O到60nm之間。
[0014]本發明中，所述對電極的厚度在50nm?500nm之間。優選地,所述厚度範圍在70?200nm之間。
[0015]本發明中，所述光電活性層中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、葉啉類、酞菁類或者由吸電子共軛單元與給電子共軛單元偶聯組成的共聚物。優選地，所述電子受體材料選自:富勒烯或其衍生物、茈或其衍生物、萘或其衍生物。
[0016]本發明中，所述吸電子共軛單元為吡咯並吡咯二酮(DPP)、苯並噻二唑(BT)、噻吩並吡咯二酮(TPD)或者噻吩並噻吩(TT)，所述給電子共軛單元為咔唑(Cz)、芴(F)、苯並二噻吩(BDT)、苯並二呋喃(BDT)、二噻吩並苯(BDP)或引達省(IDT)。
[0017]在優選的實施方案中，所述對稱結構聚合物太陽能電池的器件結構為透明導電電極/PEDOT: PSS/光電活性層/金/對電極，透明導電電極/金/光電活性層/金/對電極，透明導電電極/三氧化鑰/光電活性層/金/對電極，或透明導電電極/氧化鋅/光電活性層/鋁/對電極。
[0018]根據本發明，所述聚合物太陽能電池進一步為正向或倒置的對稱結構聚合物太陽能電池。
[0019]本發明還提供如下技術方案:
[0020]上述的對稱結構聚合物太陽能電池的應用，其可以應用於材料光電性能的評估，優選為對兩維共軛光伏聚合物的篩選。
[0021]上述的對稱結構聚合物太陽能電池的應用，其可以應用於光伏器件穩定性的研究，優選為空氣穩定性光伏器件的製備。
[0022]本發明的有益結果為:該結構的聚合物太陽能電池的開路電壓在0-0.8V之間可調，能量轉換效率較高(可達5.0%以上)、重複性好、工藝簡單、穩定性好。該器件可有效用於高效光伏聚合物材料的篩選或器件穩定性的研究。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的對稱結構聚合物太陽能電池的結構示意圖。
[0024]圖 2 顯示了結構為 IT0/PED0T: PSS/PTB7_Th: PCBM (1:1.5,重量比)/Ca (1nm) /Al (80nm)的常規結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0025]圖 3 顯示了結構為 IT0/PED0T: PSS/PTB7_Th: PCBM (1:1.5,重量比)/Au (1nm) /Al (80nm)的對稱結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0026]圖 4 顯示了結構為 IT0/PED0T: PSS/PTB7_Th: PCBM (1:1.5,重量比)/Au (50nm) /Al (80nm)的對稱結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0027]圖 5 顯示了結構為 IT0/PED0T: PSS/PTB7: PCBM (1: 1.5，重量比)/Au (1nm)/Al (80nm)的對稱結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0028]圖6 顯示了結構為 IT0/Au(10nm)/PTB7-Th:PCBM(l:l.5，重量比)/Au (1nm)/Al (80nm)的對稱結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0029]圖 7 顯示了結構為 I T0/Mo03 (1nm) /PTB7-Th: PCBM (1:1.5,重量比)/Au (1nm) /Al (80nm)的對稱結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0030]圖 8 顯示了結構為 ITO/ZnO (1nm) /PTB7-Th: PCBM (1:1.5,重量比)/Al (1nm) /Ag(80nm)的對稱結構聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線。
[0031 ] 圖 9 顯示了結構為 IT0/PED0T: PSS/PTB7_Th: PCBM (1:1.5,重量比)/Au (1nm) /Al (80nm)和結構為 IT0/PED0T:PSS/PTB7_Th:PCBM(l: 1.5，重量比)/Ca (1nm)/Al (80nm)的器件在空氣中的能量轉換效率變化曲線。
[0032]圖 10 顯示了結構為 IT0/PED0T:PSS/PTB7-Th:PCBM(1:1.5,重量比)/Au (1nm) /Al (SOnm)的對稱結構聚合物太陽能電池的外量子效率曲線。

【具體實施方式】
[0033]如上所述，本發明公開了一種對稱結構聚合物太陽能電池，如圖1所示，其包括依次層疊的透明導電電極、第一界面層1、光電活性層2、第二界面層3和對電極4，所述的第一界面層I與第二界面層3的材料的功函數相等。所謂功函數相等，是指從兩種材料釋放電子所必須給予的最小能量值相等。該能量值可採用循環伏安法和紫外光電子能譜測試。
[0034]下面通過實施例進一步詳細闡述本發明，但是本領域技術人員了解，本發明的實施例並非對本發明保護範圍的限制，任何在本發明基礎上做出的改進和變化，都在本發明的保護範圍之內。
[0035]實施例1 (對比例)(在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0036]將聚合物PTB7_Th(Liao, S.-H.；et al.，Adv.Mater.2013，25 (34)，4766-4771)與PCBM以重量比為1: 1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0037]將常用的陽極修飾層PED0T:PSS旋塗在透明ITO玻璃襯底表面進行修飾，使用Dektak XT膜厚儀測試PED0T:PSS層的厚度為30nm。接著在所述PEDOT:PSS層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍1nm鈣和SOnm鋁的薄層，得到常規結構的聚合物太陽能電池。
[0038]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度-電壓曲線示於圖2。其中開路電壓為0.79V，短路電流為16.2mA/cm2,填充因子為67.2%，能量轉換效率為8.6%。
[0039]實施例2 (在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0040]將PTB7_Th與PCBM以重量比為1:1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0041]將常用的陽極修飾層PED0T:PSS旋塗在透明ITO玻璃襯底表面進行修飾，使用Dektak XT膜厚儀測試PED0T:PSS層的厚度為30nm。接著在所述PEDOT:PSS層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍1nm金和80nm鋁的薄層，得到正向對稱結構的聚合物太陽能電池。
[0042]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度_電壓曲線示於圖3。其中開路電壓為0.76V，短路電流為13.8mA/cm2，填充因子為58.5%，能量轉換效率為6.1 %。
[0043]實施例3 (在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0044]將PTB7_Th與PCBM以重量比為1:1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0045]將常用的陽極修飾層PED0T:PSS旋塗在透明ITO玻璃襯底表面進行修飾，使用Dektak XT膜厚儀測試PED0T:PSS層的厚度為30nm。接著在所述PEDOT:PSS層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍50nm金和80nm鋁的薄層，得到正向對稱結構的聚合物太陽能電池。
[0046]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度_電壓曲線示於圖4。其中開路電壓為0.61V，短路電流為13.7mA/cm2，填充因子為56.4%，能量轉換效率為4.7%。
[0047]實施例4 (在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0048]將聚合物PTB7 (Liang, Y.Y.；et al.，Adv.Mater.2010，22，E135-E138)與 PCBM 以重量比為1:1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0049]將常用的陽極修飾層PED0T:PSS旋塗在透明ITO玻璃襯底表面進行修飾，使用Dektak XT膜厚儀測試PED0T:PSS層的厚度為30nm。接著在所述PEDOT:PSS層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍1nm金和80nm鋁的薄層，得到正向對稱結構的聚合物太陽能電池。
[0050]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度-電壓曲線示於圖5。其中開路電壓為0.40V，短路電流為12.8mA/cm2，填充因子為51.1 %，能量轉換效率為2.6%實施例2和實施例4的對比結果表明兩維共軛聚合物PTB7-Th性能明顯優於 PTB7。
[0051]實施例5 (在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0052]將PTB7_Th與PCBM以重量比為1:1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0053]在大約10_4Pa的壓力下在透明ITO玻璃襯底表面蒸鍍1nm金。接著在所述金的鍍層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍1nm金和80nm招的薄層,得到正向對稱結構的聚合物太陽能電池。
[0054]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度-電壓曲線示於圖6。其中開路電壓為0.08V，短路電流為5.6mA/cm2,填充因子為26.7%，能量轉換效率為0.13%。
[0055]實施例6 (在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0056]將PTB7_Th與PCBM以重量比為1:1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0057]在大約10_4Pa的壓力下在透明ITO玻璃襯底表面蒸鍍1nm三氧化鑰，厚度約為1nm0接著在所述三氧化鑰鍍層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍1nm金和80nm鋁的薄層，得到正向對稱結構的聚合物太陽能電池。
[0058]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度-電壓曲線示於圖7。其中開路電壓為0.22V，短路電流為9.7mA/cm2,填充因子為46.4%，能量轉換效率為1.0%。
[0059]實施例7 (在透明ITO玻璃襯底上製備聚合物太陽能電池)
[0060]將PTB7_Th與PCBM以重量比為1:1.5共混溶解於二氯苯製備15g/L的共混活性層溶液。
[0061]將陰極修飾層ZnO旋塗在透明ITO玻璃襯底表面進行修飾，厚度約為10nm。接著在所述ZnO塗層上旋塗上述的共混活性層溶液的薄層，厚度為lOOnm。然後在大約10_4Pa的壓力下相繼蒸鍍1nm鋁和SOnm銀的薄層，得到倒置對稱結構的聚合物太陽能電池。
[0062]在填充N2的手套箱中使用AAA級太陽光模擬器AM1.5G在lOOmW/cm2的強度下對所製備聚合物太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉換效率進行測試。所述太陽光模擬器使用美國Newport公司認證的矽電池進行校正。測試後的電流密度-電壓曲線示於圖8。其中開路電壓為0.33V，短路電流為9.7mA/cm2,填充因子為33.6%，能量轉換效率為1.1 %。
[0063]實施例8(對稱結構聚合物太陽能電池在空氣中的穩定性測試)
[0064]將實施例1和實施例2製備的聚合物太陽能電池同時放在空氣中，每隔12小時測試一次光伏性能，結果示於圖9。實施例1的電池12小時後效率降到0，而實施例2的電池24小時後效率還能保持為原來的85%。
[0065]實施例9
[0066]基於本發明的實施例2製備的聚合物太陽能電池，使用臺灣光焱公司的外量子效率測試儀測試其外量子效率曲線，結果示於圖10。可以看出，該對稱結構的聚合物太陽能電池的外量子效率在整個光譜範圍內基本都大於50%。顯示了該器件對光響應的程度較好。
[0067]本發明參照特定的實施方案和實施例進行描述。然而，本發明不局限於僅僅上述的實施方案和實施例。本領域普通技術人員應認識到，基於本文的教導，在不偏離權利要求書所限定的本發明的範圍下可進行許多替代和改變。
【權利要求】
1.一種對稱結構聚合物太陽能電池，包括依次層疊的透明導電電極、第一界面層(I)、光電活性層(2)、第二界面層(3)和對電極(4)，其特徵在於，所述的第一界面層(I)與第二界面層(3)的材料的功函數相等。
2.根據權利要求1所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的第一界面層(I)與第二界面層(3)的材料不相同時，該對稱結構聚合物太陽能電池結構可表示為透明導電電極/第一界面層(I)/光電活性層(2)/第二界面層(3)/對電極(4)。
3.根據權利要求1所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的第一界面層(I)與第二界面層(3)的材料相同時，該對稱結構聚合物太陽能電池結構可表示為透明導電電極/界面層(I)/光電活性層(2)/界面層(I)/對電極(4)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於， 所述透明導電電極選自含有氧化銦錫(ITO)的玻璃或薄膜。 所述第一界面層(I)和第二界面層(3)的材料分別獨立地選自氟化鋰、氧化鋅、三氧化鑰、PEDOT:PSS或PFN或I丐、鎂、鋇、招、銀、金、銅、鎳、鋅、鈦、猛、鐵、鉬或鑰中的一種。 所述對電極(4)的材料選自鈣、鎂、鋇、鋁、銀、金、銅、鎳、鋅、鈦、錳、鐵、鉬或鑰中的一種金屬。 所述光電活性層的厚度在20nm?100nm之間。優選地，所述厚度範圍在40?200nm之間。 所述第一界面層和第二界面層的厚度分別在大於O到10nm之間。優選地，所述厚度範圍在大於O到60nm之間。 所述對電極的厚度在50nm?500nm之間。優選地，所述厚度範圍在70?200nm之間。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述光電活性層(2)中，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。
6.根據權利要求5所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述吸電子共軛單元為吡咯並吡咯二酮(DPP)、苯並噻二唑(BT)，噻吩並吡咯二酮(TPD)或者噻吩並噻吩(TT);所述給電子共軛單元為咔唑(Cz)、芴(F)、苯並二噻吩(BDT)、苯並二呋喃(BDT)，二噻吩並苯(BDP)或者引達省(IDT)。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述對稱結構聚合物太陽能電池的器件結構為透明導電電極/PEDOT:PSS/光電活性層/金/對電極，透明導電電極/金/光電活性層/金/對電極，透明導電電極/三氧化鑰/光電活性層/金/對電極，或透明導電電極/氧化鋅/光電活性層/鋁/對電極。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的對稱結構聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述聚合物太陽能電池為正向或倒置的對稱結構聚合物太陽能電池。
9.權利要求1至8中任一項所述的對稱結構聚合物太陽能電池的應用，其可以應用於材料光電性能的評估。優選為對兩維共軛光伏聚合物的篩選。
10.權利要求1至8中任一項所述的對稱結構聚合物太陽能電池的應用，其可以應用於光伏器件穩定性的研究。優選為空氣穩定性光伏器件的製備。
【文檔編號】H01L51/44GK104134751SQ201410347779
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】侯劍輝, 葉龍, 趙文超 申請人:中國科學院化學研究所