一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層及其在制備聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層的方法及其在制備高效聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層是以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過(guò)微波法一步合成制備得到；所述微波的功率不大于800W；微波的時(shí)間為2～15min。本發(fā)明所得界面修飾層材料具有低毒性、生物兼容性、光譜可調(diào)性、物理化學(xué)穩(wěn)定性、廉價(jià)易制備、環(huán)境友好等特性，用于制備聚合物太陽(yáng)能電池，不僅可優(yōu)化界面層功函數(shù)、改善界面層與活性層的接觸，而且能有效地增加器件對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而得到高效的聚合物太陽(yáng)能電池，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】
一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層及其在制備聚合物太 陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池材料技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種基于微波制備環(huán)境友 好界面修飾層及其在制備高效聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于共輒聚合物和富勒烯復(fù)合體系的聚合物太陽(yáng)能電池(PSCs)由于其制備成本 低、適于大面積及柔性器件的制備而發(fā)展迅速，然而，聚合物太陽(yáng)能電池的工業(yè)應(yīng)用仍需要 更進(jìn)一步提高其能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)。其中，對(duì)界面層的修飾有利于電荷傳輸和收集，可提 高PSCs的PCE。
[0003] 常見(jiàn)的PSCs的界面層包括η-型金屬氧化物等，如ZnO和ΑΖ0。此類材料有著高電子 迀移率、優(yōu)異的光學(xué)透過(guò)率等特點(diǎn)，并可以通過(guò)溶液制備。然而，ZnO和ΑΖ0的導(dǎo)帶能級(jí)與 PCBM的LUM0能級(jí)并不匹配，此外，金屬氧化物表面粗糙易捕獲電子，從而導(dǎo)致PSCs性能下 降。因此，研制高效界面修飾層成為改善界面層性能，提高PSCs能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵之一。
[0004] 通過(guò)添加界面修飾層，可優(yōu)化界面層的功函數(shù)，改善界面層與活性層的接觸，并且 能有效地增加器件對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而可改善器件的性能。因此，需要提供一種可通過(guò)簡(jiǎn) 便、環(huán)保的方法制備水溶性的界面修飾層，降低器件制備成本的同時(shí)提高器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有聚合物太陽(yáng)能電池界面層的缺陷和不 足，提供一種通過(guò)微波法一步合成環(huán)境友好的水溶性碳基量子點(diǎn)，作為聚合物太陽(yáng)能電池 的界面修飾層，用于聚合物太陽(yáng)能電池。本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化界面層的功函數(shù)，改善界面層與活 性層的接觸，并且能有效地增加器件對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而可改善器件的性能。
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層。
[0007] 本發(fā)明另一目的是提供上述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的再一目的是提供一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層的高效聚合物 太陽(yáng)能電池及其制備方法。
[0009] 本發(fā)明上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層，是以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過(guò) 微波法制備得到;所述微波的功率不大于800W;微波的時(shí)間為2~15min。
[0010] 其中，優(yōu)選地，所述碳源為檸檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或氨 基酸。
[0011]更優(yōu)選地，所述碳源為葡萄糖。
[0012] 優(yōu)選地，所述鈍化劑為PEG200N、4,7，10-三氧雜-1,13-十三烷二胺(TTDDA)、二乙 醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亞胺(PEI)。
[0013] 更優(yōu)選地，所述鈍化劑為4，7，10-三氧雜-1，13-十三烷二胺(TTDDA)。
[0014]另外，優(yōu)選地，所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為0.1~5:0.1~5:5~20。
[0015 ] 更優(yōu)選地，所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為0.5~2:0.5~2:8~15。
[0016]更優(yōu)選地，所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為1:1:10。
[0017]更優(yōu)選地，所述微波的功率為140~700W，微波的時(shí)間為2~15min。
[0018] 更優(yōu)選地，所述微波的功率為400~600W，微波的時(shí)間為5~12min。
[0019]更優(yōu)選地，所述微波的功率為560W，微波的時(shí)間為8min。
[0020] 另外，具體地，作為一種優(yōu)選地可實(shí)施方案，上述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾 層的方法，包括如下步驟： 51. 將碳源和鈍化劑混合加入水中，微波處理； 52. 微波處理后的溶液進(jìn)行透析，即得到所述界面修飾層溶液。
[0021] 優(yōu)選地，步驟S1所述微波處理的條件為：微波功率不大于800W，微波時(shí)間為2~ 15min〇
[0022] 更優(yōu)選地，步驟S1所述微波的功率為140~700W，微波的時(shí)間為2~15min。
[0023] 更優(yōu)選地，步驟S1所述微波的功率為400~600W，微波的時(shí)間為5~12min。
[0024]更優(yōu)選地，步驟S1所述微波的功率為560W，微波的時(shí)間為8min。
[0025]優(yōu)選地，步驟S1所述碳源為檸檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或 氨基酸。
[0026] 優(yōu)選地，步驟S1所述鈍化劑為PEG200N、4,7,10-三氧雜-1，13-十三烷二胺、二乙醇 胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亞胺。
[0027]更優(yōu)選地，步驟S1所述碳源為葡萄糖，所述鈍化劑為4,7,10-三氧雜-1，13-十三烷 二胺。
[0028] 優(yōu)選地，步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為0.1~5:0.1~5:5~20。
[0029] 更優(yōu)選地，步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為0.5~2:0.5~2:8~15。
[0030]更優(yōu)選地，步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為1:1:10。
[0031] 優(yōu)選地，步驟S2所述透析是使用Mw=1000~10000的透析袋，水環(huán)境中透析24~120 小時(shí)。
[0032] 更優(yōu)選地，步驟S2所述透析是使用Mw=3500的透析袋，水環(huán)境中透析72~96小時(shí)。
[0033] 更優(yōu)選地，步驟S2所述透析是使用Mw=3500的透析袋，水環(huán)境中透析72小時(shí)。
[0034] 利用上述方法制備得到的環(huán)境友好界面修飾層也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0035] 上述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層在制備環(huán)境友好高效聚合物太陽(yáng)能電池 中的應(yīng)用，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0036] -種環(huán)境友好高效聚合物太陽(yáng)能電池，所述聚合物太陽(yáng)能電池為倒裝結(jié)構(gòu)，依次 包括ΙΤ0玻璃、界面層、界面修飾層、活性層、陽(yáng)極修飾層和頂電極;所述界面修飾層為上述 基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層。
[0037] 優(yōu)選地，所述界面層為Ζη0、ΑΖ0或TiOx等。
[0038]優(yōu)選地，所述活性層為 P3HT: PCBM、PTB7-Th: PCBM、PTB7: PCBM 或 MEH-PPV: PCBM。 [0039] 優(yōu)選地，所述陽(yáng)極修飾層為Mo03、V20 5、NiO或Fe3〇4。
[0040] 優(yōu)選地，所述頂電極為A1、Ag、Cu、Au或Pt。
[0041] 另外，具體地，作為一種優(yōu)選地可實(shí)施方案，所述環(huán)境友好高效聚合物太陽(yáng)能電池 的制備方法，包括如下步驟： 51. 清洗ITO玻璃，并干燥； 52. 在干燥的ITO玻璃上涂布界面層，180~220°C退火3~8min; 53. 在步驟S2所述界面層上涂布界面修飾層，80~120 °C退火8~15min; 54. 在步驟S3所述界面修飾層上涂布活性層； 55. 將步驟S4處理后的樣品移至真空鍍膜系統(tǒng)，分別蒸鍍陽(yáng)極修飾層和頂電極(即分別 蒸鍍Mo03和A1)。
[0042] 其中，優(yōu)選地，步驟S2所述退火的條件為:200°C退火5 min。
[0043] 優(yōu)選地，步驟S3所述退火的條件為：100°C退火10 min。
[0044] 利用上述制備方法制備得到的基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層的高效聚合物 太陽(yáng)能電池也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0045] 上述所得的聚合物太陽(yáng)能電池，由于采用碳基量子點(diǎn)做界面修飾層，優(yōu)化界面層 的功函數(shù)，改善界面層與活性層的接觸，并且能有效地增加器件對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而可改 善器件的性能，可廣泛應(yīng)用于光伏器件的界面修飾中。
[0046] 因此，所述高效聚合物太陽(yáng)能電池的應(yīng)用也應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0047]本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過(guò)微波法一步合成水溶性碳基量子點(diǎn)， 作為環(huán)境友好高效聚合物太陽(yáng)能電池的界面修飾層，所述的界面修飾層材料具有低毒性、 生物兼容性、光譜可調(diào)性、物理化學(xué)穩(wěn)定性，廉價(jià)易制備，環(huán)境友好等特性，用于聚合物太陽(yáng) 能電池，不僅可優(yōu)化界面層功函數(shù)、改善界面層與活性層的接觸，而且能有效地增加對(duì)太陽(yáng) 光的吸收，從而得到高效的聚合物太陽(yáng)能電池，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0048]圖1為實(shí)施例5的聚合物太陽(yáng)能電池的電壓-電流密度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0049]以下結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但實(shí)施例并不對(duì)本發(fā)明 做任何形式的限定。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試 劑、方法和設(shè)備。
[0050] 除非特別說(shuō)明，以下實(shí)施例所用試劑和材料均為市購(gòu)。
[0051] 實(shí)施例1基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層 1、以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過(guò)微波法一步合成水溶性碳基量子點(diǎn)，作為 環(huán)境友好高效聚合物太陽(yáng)能電池的界面修飾層。
[0052] 具體地，所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層的方法，包括如下步驟： 51. 將碳源和鈍化劑混合加入水中，微波處理； 52. 微波處理后的溶液進(jìn)行透析，即得到所述界面修飾層溶液。
[0053]其中，步驟S1所述微波處理的條件為：微波功率不大于800W，微波時(shí)間為2~ 15min〇
[0054]步驟S1所述碳源為檸檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或氨基酸。
[0055] 步驟S1所述鈍化劑為PEG200N、4,7，10-三氧雜-1，13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二 胺、三乙胺或聚乙烯亞胺。
[0056] 步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為0.1~5:0.1~5:5~20。
[0057] 步驟S2所述透析是使用Mw=1000~10000的透析袋，水環(huán)境中透析24~120小時(shí)。
[0058]實(shí)施例2制備高效聚合物太陽(yáng)能電池 1、制備界面修飾層，包括如下步驟： 51. 按照碳源:鈍化劑:水的質(zhì)量比為1:1:10的比例，分別將碳源和鈍化劑加入水中， 560W微波處理8min; 52. 微波處理后的溶液進(jìn)行透析，即得到所述界面修飾層溶液。
[0059]其中，步驟S1所述碳源為葡萄糖，所述鈍化劑為4,7,10-三氧雜-1，13-十三烷二 胺。
[0000] 步驟S2所述透析是Mw=3500的透析袋，水環(huán)境中透析72=小時(shí)。
[0061] 2、制備聚合物太陽(yáng)能電池 利用上述基于微波制備的環(huán)境友好界面修飾層制備高效聚合物太陽(yáng)能電池，具體方法 如下： 51. 清洗ΙΤ0玻璃，并干燥； 52. 在干燥的ΙΤ0玻璃上涂布界面層，200°C退火5 min; 53. 在步驟S2所述界面層上涂布界面修飾層，100°C退火10 min; 54. 在步驟S3所述界面修飾層上涂布活性層； 55. 將步驟S4處理后的樣品移至真空鍍膜系統(tǒng)，分別蒸鍍Mo03和A1。
[0062] 2、制備所得聚合物太陽(yáng)能電池為倒裝結(jié)構(gòu)，依次包括ΙΤ0玻璃、界面層、界面修飾 層、活性層、陽(yáng)極修飾層和頂電極;所述界面修飾層為上述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾 層。
[0063] 其中，所述界面層為Ζη0、ΑΖ0或TiOx等，所述活性層為P3HT: PCBM、PTB7-Th: PCBM、 PTB7: PCBM或MEH-PPV: PCBM，所述陽(yáng)極修飾層為Mo03、V2〇5、Ni 0或Fe3〇4;所述頂電極為Al、Ag、 Cu、AuSPt。
[0064] 實(shí)施例3界面修飾層對(duì)P3HT: PCBM體系聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響 1、本實(shí)施例以ZnO為界面層，P3HT: PCBM作為活性層，分別蒸鍍Mo03和A1，制備聚合物太 陽(yáng)能電池，具體方法參見(jiàn)實(shí)施例2。
[0065] 實(shí)驗(yàn)分為兩組： (1)對(duì)照組:參照實(shí)施例2的方法制備聚合物太陽(yáng)能電池，唯一不同之處在于沒(méi)有涂布 界面修飾層。
[0066] (2)實(shí)驗(yàn)組:參照實(shí)施例2的方法制備的聚合物太陽(yáng)能電池。
[0067] 2、測(cè)試評(píng)價(jià)所制備聚合物太陽(yáng)能電池的PCE性能。
[0068] 3、結(jié)果如表1所示。
[0069]表1標(biāo)準(zhǔn)器件和碳基量子點(diǎn)器件的各項(xiàng)參數(shù)
由表1可知，結(jié)果顯示，使用本發(fā)明制得的界面修飾層材料后，聚合物太陽(yáng)能電池的短 路電流和填充因子均得到增加，最終能量轉(zhuǎn)換效率大大提升。
[0070] 實(shí)施例4界面修飾層對(duì)PTB7-Th:PCBM體系聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響 1、本實(shí)施例以ΑΖ0為界面層，PTB7-Th: PCBM作為活性層，分別蒸鍍Mo03和A1，制備聚合 物太陽(yáng)能電池，具體方法參見(jiàn)實(shí)施例2。
[0071] 實(shí)驗(yàn)分為兩組： (1)對(duì)照組:參照實(shí)施例2的方法制備聚合物太陽(yáng)能電池，唯一不同之處在于沒(méi)有涂布 界面修飾層。
[0072] (2)實(shí)驗(yàn)組:參照實(shí)施例2的方法制備的聚合物太陽(yáng)能電池。
[0073] 2、測(cè)試評(píng)價(jià)所制備聚合物太陽(yáng)能電池的PCE性能。
[0074] 3、結(jié)果如表2所示。
[0075]表2標(biāo)準(zhǔn)器件和碳基量子點(diǎn)器件的各項(xiàng)參數(shù)
結(jié)果顯示，使用本發(fā)明制得的界面修飾層材料后，聚合物太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓、短路 電流和填充因子均得到增加，最終能量轉(zhuǎn)換效率大大提升。
[0076]實(shí)施例5界面修飾層對(duì)PTB7:PCBM體系聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響 1、本實(shí)施例以ZnO為界面層，PTB7: PCBM作為活性層，分別蒸鍍Mo03和A1，制備聚合物太 陽(yáng)能電池，具體方法參見(jiàn)實(shí)施例2。
[0077] 實(shí)驗(yàn)分為兩組： (1)對(duì)照組:參照實(shí)施例2的方法制備聚合物太陽(yáng)能電池，唯一不同之處在于沒(méi)有涂布 界面修飾層。
[0078] (2)實(shí)驗(yàn)組:參照實(shí)施例2的方法制備的聚合物太陽(yáng)能電池。
[0079] 2、測(cè)試評(píng)價(jià)所制備聚合物太陽(yáng)能電池的PCE性能。
[0080] 3、結(jié)果如附圖1和表3所示。
[0081] 圖1為本實(shí)施例制備的聚合物太陽(yáng)能電池的電壓-電流密度曲線。
[0082] 表3標(biāo)準(zhǔn)器件和碳基量子點(diǎn)器件的各項(xiàng)參數(shù)
結(jié)果顯示，使用本發(fā)明制得的界面修飾層材料后，聚合物太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓、短路 電流和填充因子均得到增加，最終能量轉(zhuǎn)換效率大大提升。
[0083]以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但并不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，對(duì)本發(fā)明 做出的簡(jiǎn)單改進(jìn)都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層，其特征在于，是以碳源和鈍化劑為原料，以 水為溶劑，通過(guò)微波法制備得到;所述微波的功率不大于800W;微波的時(shí)間為2~15min。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層，其特征在于，所述碳源為檸 檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或氨基酸。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層，其特征在于，所述鈍化劑為 PEG200N、4,7，10-三氧雜-l，13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亞胺。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層，其特征在于，所述碳源:鈍 化劑:水的質(zhì)量比為0.1~5:0.1~5:5~20。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層，其特征在于，所述微波的 功率為140~700W，微波的時(shí)間為2~15min。6. 權(quán)利要求1所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層的制備方法，其特征在于，包括如 下步驟：51. 將碳源和鈍化劑混合加入水中，進(jìn)行微波處理；52. 微波處理后的溶液進(jìn)行透析，即得到所述界面修飾層溶液。7. 權(quán)利要求1所述基于微波制備環(huán)境友好界面修飾層在制備高效聚合物太陽(yáng)能電池中 的應(yīng)用。8. -種高效聚合物太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述聚合物太陽(yáng)能電池為倒裝結(jié)構(gòu)，依次 包括ITO玻璃、界面層、界面修飾層、活性層、陽(yáng)極修飾層和頂電極;所述界面修飾層為權(quán)利 要求1所述界面修飾層。9. 權(quán)利要求8所述高效聚合物太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：51. 清洗ITO玻璃，并干燥；52. 在干燥的ITO玻璃上涂布界面層，180~220 °C退火3~8min;53. 在步驟S2所述界面層上涂布界面修飾層，80~120 °C退火8~15min;54. 在步驟S3所述界面修飾層上涂布活性層；55. 將步驟S4處理后的樣品移至真空鍍膜系統(tǒng)，分別蒸鍍陽(yáng)極修飾層和頂電極。10. 權(quán)利要求8所述高效聚合物太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】H01L51/48GK106025069SQ201610340233
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】楊玉照, 林霄峰, 區(qū)潔美, 袁中柯, 陳旭東, 余丁山, 洪煒
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)