專利名稱：聚合物太陽能電池陰極修飾材料及應(yīng)用該修飾材料的電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種聚合物太陽能電池陰極修飾材料及應(yīng)用該修飾材料的電池。近年興起的有機和聚合物薄膜太陽能電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡單、可制備成大面積柔性器件等突出優(yōu)點而備受關(guān)注。通過優(yōu)化設(shè)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(yōu)化活性層中給受體的微相分離結(jié)構(gòu)，使本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率顯著提高到5-8 %，接近非晶硅電池的水平。但是傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池因用低功函活潑金屬如鈣、鋇等作為陰極層極易氧化，致使電池的穩(wěn)定性不佳，不利于器件的穩(wěn)定性和壽命的提高。LiF等堿金屬和堿土金屬鹵化物需要真空熱蒸鍍，所需厚度極薄，通常小于1納米，不易精確控制，器件重復(fù)性差。因此開發(fā)穩(wěn)定的，能溶液加工的陰極修飾層備受關(guān)注。如圖1，傳統(tǒng)有機/聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池主要包含依次層疊的襯底1，陽極層2，陽極修飾層3，光電活性層4，陰極修飾層5，以及陰極層6等，電池以金屬導(dǎo)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。乙酰丙酮氧化鈦是白色或淺黃色粉末狀固體，其結(jié)構(gòu)如式1所示。相對分子量或原子量為262. 12，熔點為200°C，沸點為159_160°C，常溫常壓下穩(wěn)定。該材料溶于異丙醇， 也溶于苯、甲苯和氯仿，且溶于水，溶解度為6. 6g/L。常用作樹脂交聯(lián)劑和固體促進劑，也可用作有機合成催化劑。本發(fā)明首次將其用作陰極修飾層應(yīng)用于聚合物太陽能電池中。式1

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種聚合物太陽能電池陰極修飾材料及應(yīng)用該修飾材料的電池。本發(fā)明提供一種聚合物太陽能電池陰極修飾材料，該陰極修飾材料為乙酰丙酮氧化鈦。本發(fā)明所提供的聚合物太陽能電池，包括依次層疊的襯底、陽極層、陽極修飾層、 光電活性層、陰極修飾層和陰極層，其中，陰極修飾層為乙酰丙酮氧化鈦膜。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明中，乙酰丙酮氧化鈦膜的優(yōu)選厚度為10-500A。其中，本發(fā)明太陽能電池的襯底可選用玻璃或聚酯薄膜；陽極層為ITO或金膜；所述陽極修飾層為聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)與聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)的復(fù)合膜；所述光電活性層為電子給體和電子受體共混膜；所述陰極為堿金屬、堿土金屬或含有鋁、銀或銅的覆蓋物。所述光電活性層中，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、P卜啉類、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(lián)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(dǎo)體納米
曰
曰曰°所述吸電子共軛單元為吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)或者噻吩并吡咯二酮(TP)，所述給電子共軛單元為咔唑(Cz)、芴(F)、苯并二噻吩(BDT)或者二噻吩并苯 (BDP)。上述聚合物太陽能電池的制備方法，包括如下步驟(1)在襯底上依次連續(xù)制備陽極層、陽極修飾層和光電活性層；(2)將乙酰丙酮氧化鈦與溶劑混合形成混合溶液，在光電活性層上旋涂上述混合溶液，真空干燥，得到陰極修飾層；(3)在陰極修飾層上制備陰極層，得到所述聚合物太陽能電池。其中，所述的溶劑為既能溶解乙酰丙酮氧化鈦，又不與下層的光電活性層發(fā)生作用，常用的有異丙醇、異辛醇、乙醇、乙酸乙酯、石油醚；優(yōu)選為異丙醇、異辛醇、乙醇。在制備過程中，主要利用旋涂的轉(zhuǎn)速來控制乙酰丙酮氧化鈦膜的厚度，轉(zhuǎn)速優(yōu)選 1000-5000rpm。烘烤的溫度可為室溫到250°C，時間可為1分鐘到48小時。步驟O)中，混合溶液中乙酰丙酮氧化鈦的濃度優(yōu)選l_20mg/ml。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明以乙酰丙酮氧化鈦為陰極修飾層，采用旋涂法制備陰極修飾層，將乙酰丙酮氧化鈦引入聚合物太陽電池中，實現(xiàn)了電子的高效收集；并且與現(xiàn)有的溶膠凝膠法制備的二氧化鈦和真空蒸鍍的LiF相比，本發(fā)明也具有光電轉(zhuǎn)換效率高、 工藝簡單，成本低廉，實驗重復(fù)性好、適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點。


圖1為聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖 2 為 Glass/ITO/PEDOTPSS/P3HT PC60BM/A1 的電流-電壓特性曲線；圖3為Glass/ITO/PEDOT PSS/P3HT PC60BM/乙酰丙酮氧化鈦/Al的電流-電壓特性曲線；圖4為Glass/ITO/PEDOT PSS/P3HT PC70BM/乙酰丙酮氧化鈦/Al的電流-電壓特性曲線；圖5 為 Glass/ITO/PEDOTPSS/P3HT IC6QBA/A1 的電流-電壓特性曲線；圖6為Glass/ITO/PEDOT PSS/P3HT IC60BA/乙酰丙酮氧化鈦/Al的電流-電壓特性曲線；圖7為Glass/ITO/PEDOT PSS/P3HT IC70BA/乙酰丙酮氧化鈦/Al的電流-電壓特性曲線；圖中標(biāo)號1-襯底；2-陽極層；3-陽極修飾層；4-光電活性層；5-陰極修飾層；6_陰極層； 7-負載或測試裝置；8-金屬導(dǎo)線；9-入射光。
具體實施例方式
下面的實施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例1(對比例)將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)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，氮氣吹干，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PED0T:PSS，150°C烘烤20分鐘， 自然冷卻，得到陽極修飾層。將20mg/mL的P3HT與PC6tlBMl 1(質(zhì)量比)的混合溶液在 SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層上，作為光電活性層。最后，在5X 10_5帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。圖2給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 57伏，短路電流為10. 15毫安每平方厘米，填充因子為0. 537，轉(zhuǎn)換效率為 3. 22%。實施例2 將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)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，氮氣吹干，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PED0T:PSS，150°C烘烤20分鐘， 自然冷卻，得到陽極修飾層。將20mg/mL的P3HT與PC6tlBMl 1(質(zhì)量比)的混合溶液在 SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層上，作為光電活性層。然后在5000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂lmg/mL的乙酰丙酮氧化鈦異丙醇溶液，100°C烘烤7分鐘，自然冷卻，得到陰極修飾層。最后，在5X10_5帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。所得的聚合物太陽能電池中，乙酰丙酮氧化鈦膜的厚度為50A。圖3給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 57伏，短路電流為10. 58毫安每平方厘米，填充因子為0. 579，轉(zhuǎn)換效率為3. 49%。與實施例1相比，用同樣的活性材料，經(jīng)本專利所涉及的乙酰丙酮氧化鈦修飾后的電池性能有進一步提高。實施例3 將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)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，氮氣吹干，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PED0T:PSS，150°C烘烤20分鐘， 自然冷卻，得到陽極修飾層。將20mg/mL的P3HT與PC7tlBMl 1(質(zhì)量比)的混合溶液在 SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層上，作為光電活性層。然后在4000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂lOmg/mL的乙酰丙酮氧化鈦異辛醇溶液，200°C烘烤6分鐘，自然冷卻，得到陰極修飾層。最后，在5X10_5帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。所得的聚合物太陽能電池中，乙酰丙酮氧化鈦膜的厚度為100A。圖4給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 58伏，短路電流為11. 01毫安每平方厘米，填充因子為0. 551，轉(zhuǎn)換效率為3. 52%。實施例4:(對比例)將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)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，氮氣吹干，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PED0T:PSS，150°C烘烤20分鐘， 自然冷卻，得到陽極修飾層。將17mg/mL的P3HT與IC6tlBAl 1(質(zhì)量比)的混合溶液在 SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層上，作為光電活性層。最后，在5X 10_5帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。圖5給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 67伏，短路電流為10. 46毫安每平方厘米，填充因子為0. 624，轉(zhuǎn)換效率為 4. 37%。實施例5 將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)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，氮氣吹干，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PED0T:PSS，150°C烘烤20分鐘， 自然冷卻，得到陽極修飾層。將17mg/mL的P3HT與IC6tlBAl 1(質(zhì)量比)的混合溶液在 SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層上，作為光電活性層。然后在3000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂15mg/mL的乙酰丙酮氧化鈦乙醇溶液，140°C烘烤5分鐘，自然冷卻，得到陰極修飾層。最后，在5X10_5帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。所得的聚合物太陽能電池中，乙酰丙酮氧化鈦膜的厚度為400A。圖6給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 79伏，短路電流為10. 08毫安每平方厘米，填充因子為0. 629，轉(zhuǎn)換效率為5. 00%。與實施例4相比，用同樣的活性材料，經(jīng)本專利所涉及的乙酰丙酮氧化鈦修飾后的電池性能有進一步提高。實施例6 將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)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，氮氣吹干，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PED0T:PSS，150°C烘烤20分鐘， 自然冷卻，得到陽極修飾層。將17mg/mL的P3HT與IC7tlBAl 1(質(zhì)量比)的混合溶液在 SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層上，作為光電活性層。然后在IOOOrpm的轉(zhuǎn)速下旋涂20mg/mL的乙酰丙酮氧化鈦異丙醇溶液，然后80°C干燥15分鐘，得到陰極修飾層。 最后，在5X 10_5帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。所得的聚合物太陽能電池中，乙酰丙酮氧化鈦膜的厚度為500A。圖7給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 82伏，短路電流為11. 08毫安每平方厘米，填充因子為0. 616，轉(zhuǎn)換效率為 5. 59%。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種聚合物太陽能電池，包括依次層疊的襯底、陽極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，其特征在于所述陰極修飾層為乙酰丙酮氧化鈦膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述乙酰丙酮氧化鈦膜的厚度為10-500A。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述襯底選用玻璃或聚酯薄膜；所述陽極層為ITO或金膜；所述陽極修飾層為聚乙撐二氧噻吩與聚苯乙烯磺酸鈉的復(fù)合膜；所述光電活性層為電子給體和電子受體共混膜；所述陰極為堿金屬、堿土金屬或含有鋁、銀或銅的覆蓋物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述光電活性層中，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(lián)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(dǎo)體納米晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述吸電子共軛單元為吡咯并吡咯二酮、苯并噻二唑或者噻吩并吡咯二酮，所述給電子共軛單元為咔唑、芴、苯并二噻吩或者二噻吩并苯。
6.權(quán)利要求1至5任意一個權(quán)利要求所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)在襯底上依次連續(xù)制備陽極層、陽極修飾層和光電活性層；(2)將乙酰丙酮氧化鈦與溶劑混合形成混合溶液，在光電活性層上旋涂上述混合溶液， 真空干燥，得到陰極修飾層；(3)在陰極修飾層上制備陰極層，得到所述聚合物太陽能電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的溶劑為有異丙醇、異辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于旋涂的轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm，烘烤的溫度為室溫到250°C，時間為1分鐘到48小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于步驟O)中，混合溶液中乙酰丙酮氧化鈦的濃度為l_20mg/ml。
10.一種聚合物太陽能電池陰極修飾材料，該陰極修飾材料為乙酰丙酮氧化鈦。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于聚合物太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域的一種聚合物太陽能電池陰極修飾材料及應(yīng)用該修飾材料的電池。所述聚合物太陽能電池，包括依次層疊的襯底、陽極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，其中，所述陰極修飾層為乙酰丙酮氧化鈦膜。所述陰極修飾材料為乙酰丙酮氧化鈦。本發(fā)明以乙酰丙酮氧化鈦為陰極修飾層，采用旋涂法制備陰極修飾層，將乙酰丙酮氧化鈦引入聚合物太陽電池中，實現(xiàn)了電子的高效收集；并且與現(xiàn)有的溶膠凝膠法制備的二氧化鈦和真空蒸鍍的LiF相比，本發(fā)明也具有光電轉(zhuǎn)換效率高、工藝簡單，成本低廉，實驗重復(fù)性好、適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點。
文檔編號H01L51/48GK102447069SQ20111035900
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者張文慶, 徐琦, 李良杰, 譚占鰲 申請人:華北電力大學(xué)