一種聚合物太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種聚合物太陽能電池及其制備方法，所述聚合物太陽能電池包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層和陰極，所述中間層的材質(zhì)為聚3,4-二氧乙基噻吩、聚苯磺酸鹽與銫鹽摻雜形成的混合物，其中，中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為100nm～150nm。本發(fā)明將聚3,4-二氧乙基噻吩、聚苯磺酸鹽、銫鹽與偶氮類物質(zhì)摻雜制備中間層，偶氮類物質(zhì)分解后形成空隙，使中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而擴大n型摻雜材料與p型摻雜材料的接觸界面，提高激子分離幾率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，制備方法簡單，適于工業(yè)應(yīng)用。
【專利說明】一種聚合物太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，特別是涉及一種聚合物太陽能電池及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]1982年，Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性質(zhì)，制造出了第一個具有真正意義上的太陽能電池，但是其光電轉(zhuǎn)換效率極低(10_3%)。緊接著，Glenis等制作了各種聚噻吩的太陽能電池，也面臨電池的開路電壓極低和光電轉(zhuǎn)換效率低的問題。直到1986年，C.ff.Tang等首次將ρ型半導(dǎo)體和η型半導(dǎo)體引入雙層結(jié)構(gòu)的器件中，使光電流得到極大程度的提高，以此為里程碑，有機聚合物太陽能電池蓬勃發(fā)展起來。
[0003]聚合物太陽能電池的基本原理是利用光入射到半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)或金屬半導(dǎo)體界面附近產(chǎn)生的光生伏打效應(yīng)，該效應(yīng)是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對即激子被各種因素引起的靜電勢能分離產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，當(dāng)光入射到光敏材料時，光敏材料被激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對，在太陽能電池內(nèi)建電場的作用下分離和傳輸，然后被各自的電極收集，電子向陰極移動，空穴向陽極移動，形成電流。
[0004]目前，聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較低，為提高能量轉(zhuǎn)換效率，電池材料的改進及器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是兩個主要途徑，其中，開發(fā)新的光電活性材料是活性層改進的重要方法，但該方法的研發(fā)成本高，周期長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明旨在提供一種聚合物太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明的聚合物太陽能電池包括改進后的活性層，由第一活性層、中間層和第二活性層組成，中間層由聚3，4-二氧乙基噻吩(PED0T)、聚苯磺酸鹽(PSS)與銫鹽摻雜制備，制備中間層時加入偶氮類物質(zhì)并使其分解，形成細(xì)微結(jié)構(gòu)的空間，使中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將混合后的材質(zhì)分隔開，擴大各種物質(zhì)之間的接觸界面，從而提高激子在界面處的分離幾率，提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，同時偶氮類物質(zhì)分解形成網(wǎng)絡(luò)狀的鏈段互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，也為空穴和電子提供良好的傳輸通道，利于提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]第一方面，本發(fā)明提供一種聚合物太陽能電池，包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層和陰極，第一活性層及第二活性層的材質(zhì)均為聚3-己基噻吩(Ρ3ΗΤ)與(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的混合物，所述中間層的材質(zhì)為聚3，4- 二氧乙基噻吩(PEDOT)、聚苯磺酸鹽(PSS)與銫鹽摻雜形成的混合物，其中，中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),所述納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為IOOnm?150nm。
[0007]所述聚合物太陽能電池包含由聚3，4-二氧乙基噻吩(PED0T)、聚苯磺酸鹽(PSS)與銫鹽摻雜制備的中間層，其中，聚3，4- 二氧乙基噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鹽(PSS)混合后為P型摻雜材料，用于傳輸空穴，聚3，4- 二氧乙基噻吩(PEDOT)與銫鹽混合后為η型摻雜材料，用于傳輸電子，兩者混合后被偶氮類物質(zhì)分解引入的空位分割，使中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，材料接觸界面增加，使在界面處的激子分離幾率提高，其次，偶氮類物質(zhì)分解形成網(wǎng)絡(luò)狀的鏈段互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，也為空穴和電子提供良好的傳輸通道，同時中間層與活性層能級相匹配，利于提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0008]所述第一活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的混合物。P3HT為聚3-己基噻吩，是常用的空穴傳輸材料，(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的分子式為C72H14O2，為C60的衍生物，是常用的電子傳輸材料。
[0009]優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:0.5?1:4。更優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT):(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:3。
[0010]優(yōu)選地，所述第一活性層的厚度為8(T300nm。更優(yōu)選地，所述第一活性層的厚度為180nm。
[0011]優(yōu)選地，所述中間層的材質(zhì)中，所述聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的的重量比為2:1?6:1。更優(yōu)選地，所述聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的重量比為3:1。
[0012]優(yōu)選地，所述銫鹽為氟化銫(CsF)、氯化銫(CsCl)、疊氮化銫(CsN3)或碳酸銫(Cs2CO3)0
[0013]優(yōu)選地，所述聚3，4-二氧乙基噻吩(PEDOT)與銫鹽的重量比為1:(1?20)。
[0014]優(yōu)選地，所述中間層的厚度為l(T40nm。
[0015]第二活性層與第一活性層的材質(zhì)相同，具體如下:
[0016]所述第二活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的混合物。
[0017]優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT): (6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:0.5?1:4。更優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT):(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:3。
[0018]優(yōu)選地，所述第二活性層的厚度為8(T300nm。更優(yōu)選地，所述第二活性層的厚度為180nm。
[0019]所述第一及第二活性層中PCBM的LUMO能級與中間層中的銫鹽功函數(shù)相匹配，利于電子注入，第一及第二活性層中P3HT的HOMO能級與中間層中PEDOT的功函數(shù)相匹配。
[0020]所述陽極基底為帶有陽極功能層的玻璃，為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟氧化錫玻璃(FT0)、摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(ΙΖ0)。陽極基底為市場上購買的，規(guī)格統(tǒng)一，陽極功能層厚度為8(T250nm。
[0021]優(yōu)選地，所述空穴緩沖層的材質(zhì)是聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯乙烯磺酸(PSS)0優(yōu)選地，所述PEDOT =PSS的重量比為2:1?6:1。更優(yōu)選地，所述PEDOT =PSS的重量比為3:1。
[0022]優(yōu)選地，所述空穴緩沖層的厚度為20?80nm。更優(yōu)選地，所述空穴緩沖層的厚度為 40nm。
[0023]優(yōu)選地，所述電子緩沖層的材質(zhì)為疊氮化銫(CsN3)、氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)或碳酸銫(Cs2CO3X更優(yōu)選地，所述電子緩沖層的材質(zhì)為氟化鋰(LiF)。
[0024]優(yōu)選地，所述電子緩沖層的厚度為0.5?10nm。更優(yōu)選地，所述電子緩沖層的厚度為0.7nm。[0025]優(yōu)選地，所述陰極為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)。更優(yōu)選地，所述陰極為鋁(Al)。
[0026]優(yōu)選地，所述陰極的厚度為8(T300nm。更優(yōu)選地，所述陰極厚度為150nm。
[0027]第二方面，本發(fā)明提供一種聚合物太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0028]取清洗干凈后的陽極基底，進行預(yù)處理后在陽極基底上旋涂制備空穴緩沖層及第一活性層；第一活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的混合物；
[0029]然后制備中間層，具體操作為:將聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)加入水中，得到水溶液，將偶氮類物質(zhì)和銫鹽加入所述水溶液中混合均勻，得到混合物，在第一活性層上旋涂所述混合物，在100?200°C干燥5?30min，得到中間層；所述偶氮類物質(zhì)為偶氮二異丁脒鹽酸鹽(AIBA)、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽(AIBI)或偶氮異丁氰基甲酰胺(V30);所述中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為IOOnm?150nm ;
[0030]在中間層上旋涂制備第二活性層，第二活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的混合物，然后依次蒸鍍制備電子緩沖層和陰極，得到聚合物太陽能電池。
[0031]所述第一活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的混合物。P3HT為聚3-己基噻吩，是常用的空穴傳輸材料，(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的分子式為C72H14O2，為C60的衍生物，是常用的電子傳輸材料。
[0032]優(yōu)選地，所述旋涂制備第一活性層的具體操作為:將聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基461-丁酸甲酯(？0810加入溶劑中溶解，得到聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的溶液，于惰性氣氛中在空穴緩沖層上旋涂所述溶液，旋涂后在50?200°C下退火5?lOOmin，得到第一活性層。
[0033]制備第一活性層的操作中，優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT):(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:0.5?1:4。更優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT):(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:3。
[0034]制備第一活性層的操作中，優(yōu)選地，所述溶劑為甲苯、二甲苯、氯苯或氯仿。
[0035]制備第一活性層的操作中，優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的溶液的質(zhì)量濃度為8?30mg/ml。聚3-己基噻吩(P3HT)與PCBM的溶液的質(zhì)量濃度為聚3-己基噻吩(P3HT)與PCBM的質(zhì)量之和與溶劑的體積之比。更優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的溶液的質(zhì)量濃度為28mg/ml。
[0036]制備第一活性層的操作中，優(yōu)選地，所述旋涂時的速率為200(T6000rpm，時間為10?30s。
[0037]制備第一活性層的操作中，優(yōu)選地，所述旋涂后在100°C下退火5min。
[0038]優(yōu)選地，所述第一活性層的厚度為8(T300nm。更優(yōu)選地，所述第一活性層的厚度為180nm。
[0039]優(yōu)選地，制備中間層的具體操作中，所述聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的水溶液中，聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的重量比為2:1?6:1。更優(yōu)選地，所述聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的重量比為3:1。
[0040]優(yōu)選地，所述水溶液中，聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%?5%。即所述水溶液中，聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)的質(zhì)量為水溶液總質(zhì)量的1%?5%。更優(yōu)選地，所述水溶液中，聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。
[0041]所述的偶氮類物質(zhì)為具有低分解溫度的水溶性偶氮類物質(zhì)，為偶氮二異丁脒鹽酸鹽(AIBA)、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽(AIBI)或偶氮異丁氰基甲酰胺(V30)。優(yōu)選地，所述偶氮類物質(zhì)與所述水溶液的重量比為(I?10):100。
[0042]優(yōu)選地，所述銫鹽為氟化銫(CsF)、氯化銫(CsCl)、疊氮化銫(CsN3)或碳酸銫(Cs2CO3)0
[0043]優(yōu)選地,所述銫鹽與所述水溶液的重量比為(5?20):100。
[0044]優(yōu)選地，旋涂所述混合物時的轉(zhuǎn)速為3000?5000rpm，時間為10?30s。
[0045]優(yōu)選地，所述中間層的厚度為l(T40nm。
[0046]第二活性層與第一活性層的材質(zhì)相同，具體如下:
[0047]所述第二活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的混合物。
[0048]優(yōu)選地，所述旋涂制備第二活性層的具體操作為:將聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基461-丁酸甲酯(？0810加入溶劑中溶解，得到聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的溶液，于惰性氣氛中在空穴緩沖層上旋涂所述溶液，旋涂后在100?200°C下退火5?lOOmin，得到第二活性層。
[0049]優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT): (6，6 )-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:0.5?1:4。更優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT):(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的重量比為1:3。
[0050]優(yōu)選地，所述溶劑為甲苯、二甲苯、氯苯或氯仿。
[0051]優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的溶液的質(zhì)量濃度為8?30mg/ml。聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的溶液的質(zhì)量濃度為聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)的質(zhì)量之和與溶劑的體積之比。更優(yōu)選地，所述聚3-己基噻吩(P3HT)與(6，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的溶液的質(zhì)量濃度為28mg/ml。
[0052]優(yōu)選地，所述旋涂時的速率為400(T6000rpm，時間為l(T30s。
[0053]優(yōu)選地，所述旋涂后在100°C下退火5min。
[0054]優(yōu)選地，所述第二活性層的厚度為8(T300nm。更優(yōu)選地，所述第二活性層的厚度為180nm。
[0055]所述第一及第二活性層中PCBM的LUMO能級與中間層中的銫鹽功函數(shù)相匹配，利于電子注入，第一及第二活性層中P3HT的HOMO能級與中間層中PEDOT的功函數(shù)相匹配，利于空穴注入，且中間層由PED0T、PSS與銫鹽摻雜制備，PEDOT與PSS混合后為ρ型摻雜材料，利于空穴傳輸，PEDOT與銫鹽混合后為η型摻雜材料，利于電子傳輸，兩者與偶氮類物質(zhì)混合后干燥，偶氮類物質(zhì)發(fā)生分解，使中間層形成納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將混合后的材質(zhì)分隔，擴大了 η型摻雜材料與ρ型摻雜材料的接觸界面，提高激子在界面處的分離幾率，同時偶氮類物質(zhì)分解形成網(wǎng)絡(luò)狀的鏈段互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，也為空穴和電子提供良好的傳輸通道，利于提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0056]所述陽極基底為帶有陽極功能層的玻璃，為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟氧化錫玻璃(FT0)、摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(ΙΖ0)。陽極基底為市場上購買的，規(guī)格統(tǒng)一，陽極功能層厚度為8(T250nm。
[0057]所述清洗是依次用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇和異丙醇各超聲15min，去除陽極基底表面的有機污染物。所述預(yù)處理包括進行氧等離子處理，所述氧等離子處理的時間為5~15min，功率為10~50W。
[0058]優(yōu)選地，所述空穴緩沖層的材質(zhì)是聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯乙烯磺酸(PSS)的混合物。
[0059]所述旋涂制備空穴緩沖層操作具體為:將聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)加入水中，得到聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的溶液，然后在陽極基底上旋涂所述溶液，旋涂后在100~200°C下加熱15~60min，得到空穴緩沖層。優(yōu)選地，所述PEDOT:?35的重量比為2:1~6:1。更優(yōu)選地，所述PEDOT:PSS的重量比為3:1。
[0060]優(yōu)選地，所述聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的溶液中，聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%。更優(yōu)選地，所述聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸鹽(PSS)的溶液中，聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。
[0061]優(yōu)選地，所述旋涂時的轉(zhuǎn)速為200(T6000rpm，時間為l(T30s。
[0062]更優(yōu)選地，所述旋涂后在200°C下加熱30min。 [0063]優(yōu)選地，所述空穴緩沖層的厚度為20~80nm。更優(yōu)選地，所述空穴緩沖層的厚度為 40nm。
[0064]優(yōu)選地，所述電子緩沖層的材質(zhì)為疊氮化銫(CsN3)、氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)或碳酸銫(Cs2CO3X更優(yōu)選地，所述電子緩沖層的材質(zhì)為氟化鋰(LiF)。
[0065]優(yōu)選地，所述電子緩沖層的厚度為0.5~10nm。更優(yōu)選地，所述電子緩沖層的厚度為0.7nm。
[0066]優(yōu)選地，所述蒸鍍制備電子緩沖層采用真空蒸鍍，真空度為2 X10-4~3X10_3Pa，蒸發(fā)速率為0.l^lnm/so
[0067]優(yōu)選地，所述陰極為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)。更優(yōu)選地，所述陰極為鋁(Al)。
[0068]優(yōu)選地，所述陰極的厚度為8(T300nm。更優(yōu)選地,所述陰極厚度為150nm。
[0069]優(yōu)選地，所述蒸鍍制備陰極采用真空蒸鍍，真空度為2 X10-4~3X10_3Pa，蒸發(fā)速率為I~10nm/s。
[0070]本發(fā)明的聚合物太陽能電池在活性層中插入中間層，該中間層由聚3，4-二氧乙基噻吩(PEDOT )、聚苯磺酸鹽(PSS )與銫鹽摻雜制備，其中，制備時，上述物質(zhì)混合于水中后進行旋涂，與活性層的有機物不相容，而不會發(fā)生滲透，不會影響各層的功能；其次，銫鹽功函數(shù)為-2.5~-3.0eV, PCBM的LUMO能級大約為-2.7eV，兩者相匹配，利于電子注入，聚3，4- 二氧乙基噻吩(PEDOT)的功函數(shù)大約為-5.4eV，P3HT的HOMO能級大約為-5.6eV，兩者相匹配，利于空穴注入。另一方面，聚3，4-二氧乙基噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鹽(PSS)混合后為P型摻雜材料，利于空穴傳輸，聚3，4- 二氧乙基噻吩(PEDOT)與銫鹽混合后為η型摻雜材料，利于電子傳輸，兩者與偶氮類物質(zhì)混合后干燥，偶氮類物質(zhì)發(fā)生分解，在中間層內(nèi)部形成細(xì)微結(jié)構(gòu)的空間，使中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將混合后的材質(zhì)分隔開，擴大了η型摻雜材料與P型摻雜材料的接觸界面，避免電子和空穴在中間層中復(fù)合淬滅，提高界面處的激子分離幾率，同時偶氮類物質(zhì)分解形成網(wǎng)絡(luò)狀的鏈段互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，也為空穴和電子提供良好的傳輸通道，利于提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0071]本發(fā)明提供一種聚合物太陽能電池及其制備方法，有如下有益效果:
[0072](I)本發(fā)明將聚3，4-二氧乙基噻吩(PED0T)、聚苯磺酸鹽(PSS)、銫鹽與偶氮類物質(zhì)摻雜制備中間層，偶氮類物質(zhì)在干燥過程中發(fā)生分解，在中間層內(nèi)部形成細(xì)微結(jié)構(gòu)的空間，使中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而擴大η型摻雜材料與ρ型摻雜材料的接觸界面，提高界面處的激子分離幾率，同時偶氮類物質(zhì)分解形成網(wǎng)絡(luò)狀的鏈段互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，為空穴和電子提供良好的傳輸通道，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0073]( 2 )本發(fā)明的聚合物太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，制備方法簡單易行，適于工業(yè)應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0074]圖1為本發(fā)明的聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖，包括依次層疊的陽極基底1、空穴緩沖層2、第一活性層3、中間層4、第二活性層5、電子緩沖層6和陰極7。
[0075]圖2為效果實施例中實施例一制備的聚合物太陽能電池及常見聚合物太陽能電池的電流密度-電壓曲線，分別對應(yīng)曲線I和曲線2。
【具體實施方式】
[0076]以下所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。
[0077]實施例一
[0078]一種聚合物太陽能電池，制備方法包括以下步驟:
[0079](I)先將ITO玻璃(ΙΤ0功能層的厚度為120nm)進行光刻處理，按尺寸2 X 2cm剪裁，光照面積為0.3X0.3cm2,依次用洗潔精,去離子水,丙酮，乙醇,異丙醇各超聲15min,去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對ITO玻璃進行氧等離子處理，處理時間為lOmin，功率為20W ；
[0080]將PEDOT與PSS按重量比為3:1加入水中溶解，配置PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的溶液，然后在ITO玻璃上以4000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為15s，在200°C下加熱30min，制備得到空穴緩沖層，厚度為40nm ；
[0081](2)將重量比為1:3的P3HT與PCBM溶解于氯苯，配置質(zhì)量濃度為28mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在空穴緩沖層上以5000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為20s，旋涂后在100°C下退火5min，制備得到第一活性層，厚度為ISOnm ；
[0082]將PEDOT與PSS按重量比為4:1加入水中溶解，配制得到PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的水溶液，將AIBA、Cs2C03與所述水溶液按重量比5:10:100混合均勻，得到混合物，在第一活性層上以4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂所述混合物，時間為20s，在100°C干燥20min，得到中間層，20nm，其中，PEDOT與Cs2CO3的重量比為0.35:1 ；[0083]將重量比為1:3的P3HT與PCBM溶解于氯苯，配置質(zhì)量濃度為28mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在第一活性層上以5500rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為15s，旋涂后在100°C下退火5min，制備得到第二活性層，厚度為ISOnm ；
[0084](3)采用高真空鍍膜設(shè)備(沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司，壓強〈IX 10_3Pa)真空蒸鍍LiF，得到電子緩沖層，蒸鍍壓力為5 X 10_4Pa，蒸鍍速率為0.2nm/s,厚度為0.1xm ;然后真空蒸鍍Al，得到陰極，蒸鍍壓力為5X10_4Pa，蒸鍍速率為5nm/s，厚度為150nm，得到聚合物太陽能電池。
[0085]其中，制備得到中間層后，用型號為CX-200TM的掃描電子顯微鏡設(shè)備觀察該層的三維顯微組織形貌，可以觀察到中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為IOOnm ?120nm。
[0086]本實施例制備的聚合物太陽能電池，包括依次層疊的陽極基底1、空穴緩沖層2、第一活性層3、中間層4、第二活性層5、電子緩沖層6和陰極7，結(jié)構(gòu)具體為:ΙΤ0/(PEDOT: PSS) / (Ρ3ΗΤ: PCBM) / (PEDOT: PSS: Cs2CO3) / (P3HT: PCBM) /LiF/Al，如圖1 所示。
[0087]制備用于對比的常見聚合物太陽能電池，結(jié)構(gòu)可簡要表示為:ITO/(PED0T:PSS)/(P3HT: PCBM) /LiF/Al，依次對應(yīng)陽極基底、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層和陰極，為常見結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池，簡稱對比電池，與實施例1的聚合物太陽能電池比較，多了中間層和第二活性層，對比器件的活性層與第一活性層一致，其他各層的組成、厚度及制備方法均與與實施例1的聚合物太陽能電池一致。
[0088]實施例二
[0089]一種聚合物太陽能電池，制備方法包括以下步驟:
[0090](I)先將IZO玻璃(ΙΖ0功能層的厚度為80nm)進行光刻處理，按尺寸2X2cm剪裁，光照面積為0.3X0.3cm2,依次用洗潔精,去離子水,丙酮，乙醇,異丙醇各超聲15min,去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對IZO玻璃進行氧等離子處理，處理時間為15min，功率為IOW ；
[0091]將PEDOT與PSS按重量比為2:1加入水中溶解，配置PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液，然后在IZO玻璃上以6000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為30s，在100°C下加熱60min，制備得到空穴緩沖層，厚度為20nm ；
[0092](2)將重量比為1:0.5的P3HT與PCBM溶解于氯仿，配置質(zhì)量濃度為8mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在空穴緩沖層上以2000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為10s，旋涂后在50°C下退火lOOmin，制備得到第一活性層，厚度為300nm ；
[0093]將PEDOT與PSS按重量比為6:1加入水中溶解，配制得到PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水溶液，將AIB1、CsF與所述水溶液按重量比1:5:100混合均勻，得到混合物，在第一活性層上以3000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂所述混合物，時間為10s，在200°C干燥5min，得到中間層，厚度為40nm，其中，PEDOT與CsF的重量比為1:1;
[0094]將重量比為1:4的P3HT與PCBM溶解于對二甲苯，配置質(zhì)量濃度為24mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在第一活性層上以4000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為10s，旋涂后在150°C下退火20min，制備得到第二活性層，厚度為300nm ；
[0095](3)采用高真空鍍膜設(shè)備(沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司，壓強〈IX 10_3Pa)真空蒸鍍Cs2CO3，得到電子緩沖層，蒸鍍壓力為3X10_3Pa，蒸鍍速率為0.lnm/s，厚度為5nm ;然后真空蒸鍍Au，得到陰極，蒸鍍壓力為3 X 10_3Pa，蒸鍍速率為lOnm/s，厚度為300nm，得到聚合物太陽能電池。
[0096]其中，制備得到中間層后，用型號為CX-200TM的掃描電子顯微鏡設(shè)備觀察該層的三維顯微組織形貌，可以觀察到中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為120nm ?130nm。
[0097]本實施例制備的聚合物太陽能電池，包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層和陰極，結(jié)構(gòu)具體為:IZO/(PEDOT:PSS)/(P3HT: PCBM) / (PEDOT: PSS: CsF) / (P3HT: PCBM) /Cs2C03/Au。實施例三
[0098]一種聚合物太陽能電池，制備方法包括以下步驟:
[0099](I)先將FTO玻璃(FT0功能層的厚度為250nm)進行光刻處理，按尺寸2X 2cm剪裁，光照面積為0.3X0.3cm2,依次用洗潔精,去離子水,丙酮，乙醇,異丙醇各超聲15min,去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對FTO玻璃進行氧等離子處理，處理時間為5min，功率為50W ；
[0100]將PEDOT與PSS按重量比為6:1加入水中溶解，配置PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液，然后在FTO玻璃上以2000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為10s，在200°C下加熱15min，制備得到空穴緩沖層，厚度為20nm ；
[0101](2)將重量比為1:2的P3HT與PCBM溶解于氯仿，配置質(zhì)量濃度為18mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在空穴緩沖層上以6000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為30s，旋涂后在200°C下退火lOOmin，制備得到第一活性層，厚度為80nm ；
[0102]將PEDOT與PSS按重量比為2:1加入水中溶解，配制得到PEDO T的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水溶液，將V30、CsCl與所述水溶液按重量比10:20:100混合均勻，得到混合物，在第一活性層上以5000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂所述混合物，時間為30s，在100°C干燥30min，得到中間層，厚度為10nm，其中，PEDOT與CsCl的重量比為0.25:1 ；
[0103]將重量比為1:0.8的P3HT與PCBM溶解于氯苯，配置質(zhì)量濃度為30mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在第一活性層上以6000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為30s，旋涂后在150°C下退火15min，制備得到第二活性層，厚度為120nm ；
[0104](3)采用高真空鍍膜設(shè)備(沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司，壓強〈IX 10_3Pa)真空蒸鍍CsN3，得到電子緩沖層，蒸鍍壓力為2 X 10_4Pa，蒸鍍速率為lnm/s，厚度為IOnm ;然后真空蒸鍍Ag，得到陰極，蒸鍍壓力為2 X 10_4Pa，蒸鍍速率為lnm/s，厚度為80nm，得到聚合物太陽能電池。
[0105]其中，制備得到中間層后，用型號為CX-200TM的掃描電子顯微鏡設(shè)備觀察該層的三維顯微組織形貌，可以觀察到中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為125nm ?140nmo
[0106]本實施例制備的聚合物太陽能電池，包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層和陰極，結(jié)構(gòu)具體為:FT0/(PED0T:PSS)/(P3HT: PCBM) / (PEDOT: PSS: CsCl) / (P3HT: PCBM) /CsN3Ag0
[0107]實施例四
[0108]一種聚合物太陽能電池，制備方法包括以下步驟:
[0109](I)先將ITO玻璃(ΙΤ0功能層的厚度為150nm)進行光刻處理，按尺寸2 X 2cm剪裁，光照面積為0.3X0.3cm2,依次用洗潔精,去離子水,丙酮，乙醇,異丙醇各超聲15min,去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對ITO玻璃進行氧等離子處理，處理時間為8min，功率為30W ；
[0110]將PEDOT與PSS按重量比為3.5:1加入水中溶解，配置PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的溶液，然后在ITO玻璃上以6000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為12s，在150°C下加熱20min，制備得到空穴緩沖層，厚度為80nm ；
[0111](2)將重量比為1:4的P3HT與PCBM溶解于氯仿，配置質(zhì)量濃度為30mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在空穴緩沖層上以5000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為20s，旋涂后在100°C下退火30min，制備得到第一活性層，厚度為200nm ；
[0112]將PEDOT與PSS按重量比為3:1加入水中溶解，配制得到PEDOT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的水溶液，將AIBA、CsN3與所述水溶液按重量比7:20:100混合均勻，得到混合物，在第一活性層上以3500rpm的轉(zhuǎn)速旋涂所述混合物，時間為20s，在200 V干燥20min，得到中間層，厚度為12nm，其中，PEDOT與CsN3的重量比為I:20 ；
[0113]將重量比為1:3的P3HT與PCBM溶解于氯仿，配置質(zhì)量濃度為8mg/ml的P3HT與PCBM的溶液，于充滿氮氣的手套箱中，在第一活性層上以4000rpm的速率旋涂所得溶液，旋涂時間為20s，旋涂后在200°C下退火lOOmin，制備得到第二活性層，厚度為80nm ；
[0114](3)采用高真空鍍膜設(shè)備(沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司，壓強〈IX 10_3Pa)真空蒸鍍Li2CO3，得到電子緩沖層，蒸鍍壓力為5 X 10_3Pa，蒸鍍速率為0.5nm/s，厚度為0.5nm ；然后真空蒸鍍Pt，得到陰極，蒸鍍壓力為5 X10_3Pa，蒸鍍速率為2nm/s，厚度為lOOnm，得到聚合物太陽能電池。
[0115]其中，制備得到中間層后，用型號為CX-200TM的掃描電子顯微鏡設(shè)備觀察該層的三維顯微組織形貌，可以觀察到中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為120nm ?150nmo
[0116]本實施例制備的聚合物太陽能電池，包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層和陰極，結(jié)構(gòu)具體為:IT0/(PED0T:PSS)/(P3HT: PCBM) / (PEDOT: PSS: CsN3) / (P3HT: PCBM) /Li2C03/Pt。
[0117]效果實施例
[0118]采用電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號:2602)及500W氙燈(Osram)與AMl.5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源，測試本發(fā)明實施例一?四制備的聚合物太陽能電池及對比電池的電流密度與電壓關(guān)系。實施例一制備的聚合物太陽能電池及對比電池的電流密度-電壓曲線見圖2，分別對應(yīng)曲線I和曲線2。由各實施例制備的聚合物太陽能電池及對比電池的電流密度與電壓關(guān)系曲線，得到短路電流、開路電壓、能量轉(zhuǎn)換效率和填充因子等性能數(shù)據(jù)均列于表I。
[0119]表I本發(fā)明的聚合物太陽能電池及對比電池的性能數(shù)據(jù)
[0120]
【權(quán)利要求】
1.一種聚合物太陽能電池，其特征在于，包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層和陰極，所述第一活性層及第二活性層的材質(zhì)均為聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯的混合物，所述中間層的材質(zhì)為聚3，4- 二氧乙基噻吩、聚苯磺酸鹽與銫鹽摻雜形成的混合物，其中，中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為IOOnm~150nm ;所述銫鹽為氟化銫、氯化銫、疊氮化銫或碳酸銫。
2.如權(quán)利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述中間層的材質(zhì)中，所述聚3，4-二氧乙基噻吩與銫鹽的重量比為1: (I~20)。
3.如權(quán)利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述中間層的材質(zhì)中，聚3，4-二氧乙烯噻吩和聚苯磺酸鹽的重量比為2:1~6:1。
4.如權(quán)利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述中間層的厚度為10~40nm。
5.一種聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 取清洗干凈后的陽極基底，進行預(yù)處理后在陽極基底上旋涂制備空穴緩沖層及第一活性層；第一活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯的混合物； 然后制備中間層，具體操作為:將聚3，4-二氧乙烯噻吩和聚苯磺酸鹽加入水中，得到水溶液，將偶氮類物質(zhì)和銫鹽加入所述水溶液中混合均勻，得到混合物，在第一活性層上旋涂所述混合物，在100~200°C干燥5~30min，得到中間層；所述偶氮類物質(zhì)為偶氮二異丁脒鹽酸鹽、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽或偶氮異丁氰基甲酰胺，所述銫鹽為氟化銫、氯化銫、疊氮化銫或碳酸銫，所得中間層具有納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔徑為IOOnm~150nm ； 在中間層上旋涂制備第二活性層，第二活性層的材質(zhì)為聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物；然后依次蒸鍍制備電子緩沖層和陰極，得到聚合物太陽能電池。
6.如權(quán)利要求5所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，制備中間層的具體操作中，所述水溶液中，聚3，4-二氧乙烯噻吩和聚苯磺酸鹽的重量比為2:1~6:1，聚3，4- 二氧乙烯噻吩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5% ;所述銫鹽與所述水溶液的重量比為(5~20):100。
7.如權(quán)利要求5所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述偶氮類物質(zhì)與所述水溶液的重量比為(I~10):100。
8.如權(quán)利要求5所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，旋涂所述混合物時的轉(zhuǎn)速為3000~5000rpm，時間為10~30s。
9.如權(quán)利要求5所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述旋涂制備第一活性層的具體操作為:將聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯加入溶劑中溶解，得到聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯的溶液，于惰性氣氛中在空穴緩沖層上旋涂所述溶液，旋涂后在50~200°C下退火5~lOOmin，得到第一活性層，所述聚3-己基噻吩:(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯的重量比為1:0.5~1:4。
10.如權(quán)利要求5所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述旋涂制備第二活性層的具體操作為:將聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯加入溶劑中溶解，得到聚3-己基噻吩與(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯的溶液，于惰性氣氛中在空穴緩沖層上旋涂所述溶液，旋涂后在100~200°C下退火5~lOOmin，得到第二活性層，所述聚3-己基噻吩:(6,6) -苯基-C61-丁酸甲酯的重量比為1:0.5~1:4。
【文檔編號】H01L51/50GK103928621SQ201310015387
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月16日
【發(fā)明者】周明杰, 王平, 黃輝, 陳吉星 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司