專利名稱：一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有機光電領域，具體地說涉及一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光 伏電池及其制備方法。
背景技術：
隨著全球石油資源的耗盡，新能源的開發(fā)顯得日益重要。太陽能電池是將光能直 接轉化為電能的裝置。作為解決世界能源危機的一個可行的方法，太陽能的利用成為一個 廣泛研究的前沿性課題。因此，大力發(fā)展太陽電池產(chǎn)業(yè)，利用太陽光發(fā)電已經(jīng)成為世界各 國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的新能源戰(zhàn)略。專家預測，到2030年光伏發(fā)電將占到世界發(fā)電總量的 50%。太陽能電池的研究與開發(fā)始終圍繞以下兩個關鍵問題而展開(1)提高光電轉換效 率及壽命(2)新型材料制備以降低成本。到目前為止，以無機硅材料為代表的光伏電池通 ?？梢赃_到10-20%的轉換效率。然而，無機光伏電池在制備過程中所需的高溫、高真空使 得無機光伏電池的生產(chǎn)成本非常之高，這使得其應用受到很大的限制。1992年，N. Sariciftci等首次發(fā)現(xiàn)聚合物/C60之間的光誘導超快電荷傳遞現(xiàn)象。 1995年A.J. Heeger等提出了“本體異質結”(BHJ)的概念，發(fā)明的“本體異質結”型單層聚 合物/C60光伏電池大大提高了 D/A異質結的接觸面積。而共軛聚合物/C60本體異質結太 陽能電池由于結構簡單、容易制備引起了人們的廣泛關注。圍繞提高有機光伏電池的效率， 從寬吸收、窄帶隙聚合物的設計合成到器件結構的優(yōu)化人們進行了大量的探索研究。2002 年C. J. Brabec等通過在金屬電極和活性層之間插入LiF材料制得了能量轉換效率(PCE) 為3. 3%的聚合物太陽能電池，2004年又將能量轉換效率提高到3. 85%。2005年美國加州 大學圣巴巴拉分校的A. J. Heeger教授等通過熱處理P3HT:PCBM活性層獲得了 5%的效率。 2007年K. Lee等報道了采用透明的TiOx作為級聯(lián)材料形成疊層結構的異質結有機電池，效 率高達6.5%。華南理工大學曹鏞院士課題組在P3HT:PCBM中加入油酸(oleic acid)并熱 處理后獲得了 4. 3%的光電轉化效率。2008年12月9日，Konarka公司宣布該公司和A J Heeger課題組合作已經(jīng)獲得了 6%的轉換效率。2010年8月1日，Solarmer Energy宣布 該公司Li Gang博士領導的研究組已經(jīng)獲得了 8. 13%有機聚合物光伏電池的轉換效率，并 通過美國國家可再生能源實驗室(NREL)的證實。中科院北京化學所李永舫教授課題組報 道的新受體材料ICBA與P3HT所組成的異質結電池的效率達6. 5%。有機光伏電池以其成 本低、無毒、容易制備、易于實現(xiàn)柔性器件、可以方便有效地改變有機材料的化學結構以控 制最佳的能帶、電荷遷移率、溶解度甚至取向程度來提高電池的效率等特點而成為近年來 的研究熱點。如果有機光伏電池的光電轉換效率達到10%，就有可能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。器件結構是影響光電池能量轉換效率提高的重要因素。太陽能電池的性能可通 過電極修飾或其他界面修飾得到不同程度的改善。電極修飾層的目的是使其功函數(shù)與給 體材料的最高占有軌道(HOMO)或受體材料的最低未占有軌道(LUMO)相匹配，以提高電 荷引出效率和阻擋激子和非收集載流子的傳輸。目前較為普遍的陰極修飾材料是金屬氟化物。Brabec等研究了氟化鋰(LiF)陰極修飾層對聚合物太陽能電池的影響(Brabec， C. J. ；Shaheen, S. Ε. ；Winder, C. ；Sariciftci, N. S. ；Denk, P. Appl. Phys. Lett. 2002,80, 1288)。LiF的插入增大了器件的填充因子、短路電流及能量轉換效率，減小了器件的串 聯(lián)電阻。這是因為LiF本身是一種極性較強的離子化合物。它可能在界面上有序排列而 形成一層界面偶極層，從而降低了金屬的功函數(shù)，使得有機層與電極之間形成良好的歐姆 接觸。這樣就降低了器件的串聯(lián)電阻，增大了太陽電池的填充因子與短路電流。其他的 修飾材料包括 TiOx (Hayakawa, A. ；Yoshikawa, 0. ；Fujieda, Τ. ；Uehara, K. ；Yoshikawa, S. Appl. Phys. Lett. 2007，90，163517) ,2,9- 二甲基 _4，7- 二苯基-1，10-鄰二氮雜菲(BCP， bathocproine) (Vogel, M. ；Doka, S. ；Breyer, C. ；Lux-Steiner, M. C. ；Fostiropoulos, K. Appl. Phys. Lett. 2006，89，163501)。這些無機物(LiF、TiOx)成膜需要用到昂貴的電子 束和真空蒸鍍裝置，方法較為復雜，膜厚不易精確控制。有機材料BCP需要通過真空蒸鍍 的方法成膜，而且膜厚和實驗條件有關，價格昂貴，無法大面積制備。從實用化的角度來 看，不利于工業(yè)化批量生產(chǎn)。李永舫等研究了溶液法TIPD陰極修飾層對MEH-PPV光伏電 池器件性能的影響(Tan，Ζ. ；Yang, C. ；Zhou, Ε. ；Wang，X. ；Li. Y. Appl. Phys. Lett. 2007, 91，023509)。在 AMI. 5G (100mff/cm2)光照下，Jsc、Voc, FF、PCE 分別由原來的 4. 29mA/cm2、 0. 84V,0. 46、1· 66%增加至 5. 73mA/cm2、0. 87V,0. 51，2. 52%。Lee 等以溶液方法制備的 TiOx 作為光隔離層將光的空間分布與活性層的位置相匹配增加光的吸收，有助于提高器件的光 電流。在 AML 5 光照下，Jsc、Voc, FF、ηρ 分別由原來的 7. 5mA/cm2、0. 51V、0. 54,2. 3%增 加至 11. lmA/cm2、0. 61V、0. 66、5% (Kim, J. Y. ；Kim, S. H. ；Lee, H. H. ；Lee, K. ；Ma, W. ；Gong, X. ；Heeger，A. J. Adv. Mater. 2006，18，572)。因此，尋找價格低廉的陰極修飾層材料或溶液 可加工的陰極修飾層材料就成為了有機光伏電池制備中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有有機光伏電池制備中光電轉化效率較低、穩(wěn)定性差的問 題，提供了一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池的制備方法。本發(fā)明提供的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，具體結構如附圖1所 示，依次包括1)、透明導電襯底(1);2)、位于上述導電玻璃陽極層(1)上的陽極緩沖層PED0T:PSS(2)；3)、位于上述陽極緩沖層PED0T:PSS(2)上的活性層(3)；4)、位于上述活性層(3)上的陰極修飾層(4)，所述陰極修飾層(4)可以通過熱蒸 鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上；5)、位于上述陰極修飾層(4)上的金屬背電極(5)。上述的透明導電襯底⑴是帶有IT0、FT0、AZ0導電層的玻璃或者柔性襯底。苯甲 酸鋰陰極修飾層(4)可以通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上。旋涂苯甲酸 鋰陰極修飾層的溶劑為無水乙醇。濃度為0.01-0. 5mg/mL。苯甲酸鋰陰極修飾層(4)的厚 度χ 為 lnm。上述的有機光伏電池器件的制備方法，包括以下步驟(1)清洗透明導電襯底并烘干；
(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽 極緩沖層(2)，干燥；(3)在PEDOT PSS陽極緩沖層(2)旋涂上有機活性層(3)，干燥；(4)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰陰極修飾層⑷沉積在活性層(3) 上；(5)在苯甲酸鋰陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極(5)。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明提供了一種通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰作為器件的陰極修 飾層，從而顯著地提高了有機光伏電池器件的光電轉化效率和穩(wěn)定性的方法。相對于傳統(tǒng) 的無機氟化鋰(LiF)陰極修飾層相比，苯甲酸鋰作為陰極修飾層可以和活性層之間形成更 良好的界面接觸。通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰作為器件的陰極修飾層可以簡 化器件制作工藝，成本低，重現(xiàn)性好，提高器件的光電轉化效率和穩(wěn)定性。采用溶液加工不 需要高真空的制備條件，制備條件簡單，適用于未來的大規(guī)模的滾筒式(roll-to-roll)工 業(yè)化生產(chǎn)有機太陽能電池及其組件。

圖1是器件結構示意具體實施方式實施例1(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽極緩沖層上旋涂有機活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)利用真空蒸鍍法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機光伏電池器件，器件結構IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/苯甲酸鋰/Al。用類似辦法制 備以LiF為陰極緩沖層的對比器件1和不加任何修飾層的對比器件2。(8)器件制備完成后，將所有條形ITO陽極一端接電流表正極，所有條形Al陰極一 端接電流表負極。測試結果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AMI. 5G(100mff/cm2)光 照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 12. 44mA/cm2、0. 65V、0. 51、4. 1%0 器件的半衰期為 IOOOh0 以LiF為陰極緩沖層的對比器件1在AMI. 5G(100mff/cm2)光照下，Jsc, Voc, FF、PCE分別 為11. 88mA/cm2、0· 65V、0. 48,3. 7%0器件衰減很快，半衰期為800h左右。不加任何修飾層 的對比器件 2 在 AMI. 5G(100mff/cm2)光照下，Jsc、Voc, FF、PCE 分別為 10. lmA/cm2、0. 65V、 0·47、3· 1%。器件衰減很快，半衰期為400h左右。實施例2(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽極緩沖層上旋涂有機活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)將苯甲酸鋰溶解在無水乙醇里，濃度為0. lmg/mL。在3000轉每分鐘轉速下利 用旋涂法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度約為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機光伏電池器件。測試結果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AM1.5G(100mW/ cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 86mA/cm2、0. 66V、0. 47、3· 4%。實施例3(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽極緩沖層上旋涂有機活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)將苯甲酸鋰溶解在無水乙醇里，濃度為0. 3mg/mL。在3000轉每分鐘轉速下利 用旋涂法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度約為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機光伏電池器件。測試結果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AM1.5G(100mW/ cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 84mA/cm2、0. 65V、0. 47、3.3%。實施例4(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經(jīng)異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽極緩沖層上旋涂有機活性層P3HT:PCBM，在150度下干燥 30mino(4)將苯甲酸鋰溶解在無水乙醇里，濃度為0. 3mg/mL。在3000轉每分鐘轉速下利 用旋涂法將陰極緩沖層苯甲酸鋰制成厚度約為1. Onm的薄膜。(5)借助條形掩膜板，在苯甲酸鋰層之上真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極。從而制 成有機光伏電池器件。測試結果表明以苯甲酸鋰為陰極緩沖層的器件在AM1.5G(100mW/ cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 11. 23mA/cm2、0. 64V、0. 46、3· 3%。
權利要求
1.一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，該有機光伏電池依次 包括1)、透明導電襯底(1)；2)、位于上述透明導電襯底(1)上的陽極緩沖層PEDOTPSS(2)；3)、位于上述陽極緩沖層PED0T:PSS(2)上的活性層(3)；4)、位于上述活性層(3)上的陰極修飾層(4)，所述陰極修飾層(4)可以通過熱蒸鍍或 溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上；5)、位于上述陰極修飾層(4)上的金屬背電極(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，陰 極修飾層(4)是苯甲酸鋰。
3.根據(jù)權利要求1所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，所 述透明導電襯底(1)是帶有IT0、FT0、AZ0導電層的玻璃或者柔性襯底。
4.根據(jù)權利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，苯 甲酸鋰陰極修飾層(4)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層(3)上。
5.根據(jù)權利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，旋 涂苯甲酸鋰陰極修飾層(4)的溶劑為無水乙醇。
6.根據(jù)權利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，旋 涂陰極修飾層(4)的苯甲酸鋰乙醇溶液的濃度為0.01-0. 5mg/mL。
7.根據(jù)權利要求2所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于，苯 甲酸鋰陰極修飾層⑷的厚度χ為0. 5彡χ彡1. Onm。
8.—種權利要求1所述的以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池的制備方法，其特 征在于，該方法包括以下步驟a)清洗透明導電襯底⑴并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底(1)上旋涂PEDOT:PSS陽極緩 沖層(2)，干燥；c)在PEDOT:PSS陽極緩沖層(2)旋涂上有機活性層(3)，干燥；d)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在苯甲酸鋰陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以苯甲酸鋰為陰極修飾層的有機光伏電池及其制備方法，屬于有機光電領域。包括透明導電襯底1、陽極緩沖層PEDOT:PSS 2、活性層3、陰極修飾層4和金屬背電極層5。所述陰極修飾層4可以通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法沉積在活性層3上。其制備方法包括(1)清洗透明導電襯底并烘干；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電襯底1上旋涂PEDOT:PSS陽極緩沖層2，等等。本發(fā)明通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將苯甲酸鋰作為有機光伏器件的陰極修飾層。與傳統(tǒng)的無機鹽氟化鋰(LiF)陰極修飾層相比，苯甲酸鋰有機鹽作為陰極修飾層可以和活性層之間形成更良好的界面接觸，從而顯著地提高了有機光伏電池器件的光電轉化效率和穩(wěn)定性。
文檔編號H01L51/44GK102005537SQ20101028404
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2010年9月17日
發(fā)明者印壽根, 姚聰, 徐昊, 楊利營, 王亞凌, 田慧 申請人:天津理工大學