專利名稱：一種聚合物太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物太陽能電池及其制備方法。
技術(shù)背景隨著近年來能源危機和環(huán)境污染的逐漸加劇，對可再生能源的需求也越來越大。 作為一種清潔的可再生能源，太陽能電池的研究和應用在過去的幾十年中取得了巨大 的發(fā)展。有機/聚合物太陽能電池由于具有制備工藝簡單、重量輕、造價低廉、容易制備大面積柔性器件等優(yōu)點而得到廣泛的關(guān)注(l: Tang， C. W. Appl.Phys. Lett.， 1986， 48， 183. 2: Brabec, C. J.; Sariciftci, N. S.; Hummelen, J. C. Adv. Funct. Mater. 2001， 11， 15)。在過去的幾年中，越來越多的研究工作集中在改善有機/聚合物太陽能電池在 陰、陽兩極電荷的收集效率上(1: Hasobe， T.; Imahori， H.; Kamat, P. V.; Fuk腿mi, S, J. Am. Chem. Soc. 2003,125, 14962, 2: Zhang, F. L.; Gadisa， A.; Inganas， O. Appl. Phys. Lett. 2004， 84， 3卯6. 3:Tets手，T.; Masayuki， C.; Yuji, Y. Kazuhiro, S.; Kiyoshi， Y. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 1832. 4: Shrotriya, V.; Li, G.; Yao, Y,; Chu, C. W.; Yang, Y. A卯l. Phys. Lett. 2006, 88, 073508. 5: Brabec， C. J.; Shaheen， S. E.; Winder, C.; Sariciftci, S.; Denk， P. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, 1288. 5: Kim, J. Y.; Kim, S. H.; Lee, H. H.; Lee, K. Ma， W.; Gong, X.; Heeger， A. J. Adv. Mater. 2006, 18， 572.)。如圖1，有機/聚合物太陽能電池 主要包含兩兩依次連接的襯底1 (常用材料為玻璃或聚酯薄膜等)，高功函透明陽 極2 (常用材料為IT0，金膜等)，陽極修飾層3 (常用材料為聚乙撐二氧噻吩(PEDOT): 聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)的復合膜等)，光電活性層4(有機/聚合物給體/受體復合層)， 陰極修飾層5以及陰極層6等，電池以金屬導線8與負載或測試裝置7連接，入射光 9從襯底1方向射入。在光電活性層4中，含有電子給體材料和電子受體材料，常用 電子給體材料可選自聚(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、卟啉類、酞菁類等；電子受體 材料可選自富勒烯及其衍生物、茈及其衍生物、萘及其衍生物、醌類以及III一V族和 II一VI族半導體納米晶等。陰極層6包括具有較低功函數(shù)的堿金屬、堿土金屬或含有 鋁、銀或銅的覆蓋物。目前，常用陰極修飾層5材料是氟化鋰，通過修飾后，器件性 能得到明顯提高，但其機理仍然不是很清楚，目前的解釋主要有1)氟化鋰與鋁相
互作用生成低功函的鋰，從而減小界面的勢壘；2)引入氟化鋰可以有效的阻擋蒸鍍 的金屬原子對活性層的摻雜，從而提高器件的穩(wěn)定性。但是，由于器件的性能與氟化鋰的厚度有很大的依耐性，要得到理想的性能必須將厚度控制在5 15埃之間，這對 工藝要求很高，很難準確控制，也不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦是淡紅色透明液體，其結(jié)構(gòu)如式I所示，相對分 子量或原子量為364.31;密度為1.01克/毫升；熔點為l(TC; 25。C時的粘度為10.0 raPa，s。該材料溶于異丙醇，也溶于苯、甲苯和氯仿，有水存在時能水解，水解時分 解出兩摩爾醇。在空氣中干燥，則脫水變成不溶性羥基化合物。對該材料加熱，可變 成具有螯合性能的化合物。該材料主要用作涂料、油墨、清漆等的改性劑；固化促進劑、表面處理劑的增粘劑等。本發(fā)明的目的是提供一種聚合物太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的聚合物太陽能電池，包括兩兩依次相連接的襯底、陽極層、陽 極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，其中，陰極修飾層為二垸氧基雙(乙 酰丙酮)合鈦膜。在本發(fā)明中，二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度優(yōu)選為5 — 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聚苯乙烯磺酸鈉的復合膜;所述光電活性層為PPV 衍生物與PCBM的復合膜；所述陰極為堿金屬、堿土金屬或含有鋁、銀或銅的覆蓋物。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)在光電活性層上旋涂上二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦溶液，真空干燥，得到
發(fā)明內(nèi)容
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，可用的二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦溶液的溶劑為既能溶解二烷氧基雙(乙 酰丙酮)合鈦，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)速來控制二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚 度，轉(zhuǎn)速越快膜厚度越?。晦D(zhuǎn)速越慢，膜厚度越大；旋涂時的轉(zhuǎn)速為1000卬m—5000rpm。 真空干燥的溫度為室溫一25(TC，時間為5分鐘到48小時。本發(fā)明應用二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦作為陰極修飾層材料，將其引入聚合 物太陽能電池中，與未帶陰極修飾的聚合物太陽能電池相比，不僅提高了本發(fā)明聚合 物太陽能電池開路電壓，增大短路電流，同時也提高了填充因子，進而增加了太陽能 電池的光電轉(zhuǎn)換效率；并且，與現(xiàn)有以氟化鋰為陰極修飾層材料的電池相比，本發(fā)明 也具有工藝簡單，成本低廉，實驗重現(xiàn)性好等特點。而且，采用非常簡單的旋轉(zhuǎn)涂膜 等方式即可將二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦涂膜于光電活性層上，制備過程簡單， 厚度容易控制，并對下層的光電活性層沒有任何破壞，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
圖1為聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為未經(jīng)陰極修飾的聚合物太陽能電池(IT0/PED0T:PSS/MEH-PPV+PCBM/A1) 的暗電流和光電流曲線；圖3為未經(jīng)修飾和在1000 rpm旋轉(zhuǎn)涂膜制得陰極修飾材料并在80'C真空干燥處 理30分鐘得到的聚合物太陽能電池的電流一電壓曲線；圖4為未經(jīng)修飾和在4000 rpm旋轉(zhuǎn)涂膜制得陰極修飾材料并在80。C真空干燥處 理30分鐘得到的聚合物太陽能電池的電流一 電壓曲線；圖5為未經(jīng)修飾和在3000 rpm旋轉(zhuǎn)涂膜制得陰極修飾材料并在ll(TC真空干燥處 理30分鐘得到的聚合物太陽能電池的電流一電壓曲線；圖6為未經(jīng)修飾和在2500 rpm旋轉(zhuǎn)涂膜制得陰極修飾材料并在5(TC真空干燥處 理30分鐘得到的聚合物太陽能電池的電流一電壓曲線。
具體實施方式
實施例l (對比例)、未帶陰極修飾層的太陽能電池的制備 將濺射有ITO (陽極)的透明導電玻璃依次用洗潔凈、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極 修飾薄膜，150t干燥10分鐘。將3毫克每毫升的MEH-PPV與PCBM 1: 4 (質(zhì)量比) 的混合溶液在1600轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，作 為光電活性層，然后5(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫；最后，在5X1(^帕下真空 蒸鍍150納米的鋁作陰極。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 電流一電壓曲線。所制得的器件在IOO毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓 為0.78伏，短路電流為4.39毫安每平方厘米，填充因子為0.39，轉(zhuǎn)換效率為1.34%。實施例2、本發(fā)明太陽能電池的制備準確量取50微升70%的二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦的異丙醇溶液(購自美 國AlfaAesar公司)，將其加入到1000微升的無水無氧的異丙醇中，充分攪拌，靜置， 并用5微米的濾頭過濾，待用。將濺射有ITO (陽極)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極 修飾薄膜，150。C干燥10分鐘。將3毫克每毫升的MEH-PPV與PCBM 1: 4 (質(zhì)量比) 的混合溶液在1600轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，作 為光電活性層，然后5(TC干燥3(5分鐘，自然冷卻至室溫。將所制得的二異丙氧基雙 (乙酰丙酮)合鈦的異丙醇溶液在1000rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂在光電活性層的上面， 并在80。C真空干燥3O分鐘，自然冷卻；最后，在5X1(^帕下真空蒸鍍150納米的鋁 作陰極。所得電池中二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜厚度為250 A左右，且在制備過程 中對光電活性層沒有產(chǎn)生破壞；圖3給出了對比器件和該器件在未經(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一電壓曲線。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0.81伏，短路電流為5.83毫安每平方厘米， 填充因子為0.48,轉(zhuǎn)換效率為2.29%。與未經(jīng)修飾的電池相比，開路電壓提高0.03伏， 短路電流提高33%，填充因子提高23%，效率提高71%。實施例3、將濺射有ITO (陽極)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極 修飾薄膜，15(TC干燥10分鐘。將3毫克每毫升的MEH-PPV與PCBM 1: 4 (質(zhì)量比) 的混合溶液在1600轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，作 為光電活性層，然后5(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫。將所制得的二異丙氧基雙 (乙酰丙酮)合鈦的異丙醇溶液在4000rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂在光電活性層的上面， 并在8(TC真空干燥30分鐘，自然冷卻；最后，在5X1(^帕下真空蒸鍍150納米的鋁 作陰極。所得電池中二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜厚度為70 — 80A左右，且在制備過 程中對光電活性層沒有產(chǎn)生破壞；圖4給出了對比器件和該器件在未經(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一電壓曲線。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0.81伏，短路電流為5.81毫安每平方厘米， 填充因子為0.52，轉(zhuǎn)換效率為2.47%。與未經(jīng)修飾的電池相比，開路電壓提高0.03伏， 短路電流提高32%，填充因子提高33%，效率提高84%。實施例4、將濺射有ITO (陽極)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極 修飾薄膜，15(TC干燥10分鐘。將3毫克每毫升的MEH-PPV與PCBM 1: 4 (質(zhì)量比) 的混合溶液在1600轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，作 為光電活性層，然后5(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫。將所制得的二異丙氧基雙 (乙酰丙酮)合鈦的異丙醇溶液在3000rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂在光電活性層的上面， 并在11(TC真空干燥30分鐘，自然冷卻；最后，在5X1(^帕下真空蒸鍍150納米的 鋁作陰極。所得電池中二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜厚度為150A左右，且在制備過程 中對光電活性層沒有產(chǎn)生破壞；圖5給出了對比器件和該器件在未經(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一電壓曲線。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0.81伏，短路電流為5.88毫安每平方厘米， 填充因子為0.46，轉(zhuǎn)換效率為2.17%。與未經(jīng)修飾的電池相比，開路電壓提高0.03伏， 短路電流提高34%，填充因子提高18%，效率提高62%。實施例5、將濺射有ITO (陽極)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極
修飾薄膜，15(TC干燥10分鐘。將3毫克每毫升的MEH-PPV與PCBM 1: 4 (質(zhì)量比) 的混合溶液在1600轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，作 為光電活性層，然后50'C千燥30分鐘，自然冷卻至室溫。將所制得的二異丙氧基雙 (乙酰丙酮)合鈦的異丙醇溶液在2500rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂在光電活性層的上面， 并在20(TC真空干燥30分鐘，自然冷卻；最后，在5X1(^帕下真空蒸鍍150納米的 鋁作陰極。
所得電池中二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜厚度為180A左右，且在制備過程 中對光電活性層沒有產(chǎn)生破壞；圖6給出了對比器件和該器件在未經(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一電壓曲線。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0.81伏，短路電流為6.04毫安每平方厘米， 填充因子為0.45，轉(zhuǎn)換效率為2.18%。與未經(jīng)修飾的電池相比，開路電壓提高0.03伏， 短路電流提高38%，填充因子提高15%，效率提高63%。
其他的溶劑，如異辛醇、乙醇、乙酸乙酯、石油醚等均可以用作二異丙氧基雙(乙 酰丙酮)合鈦的溶劑，并且與光電活性層不會發(fā)生作用，所得的聚合物太陽能電池也 具有相同的性能。
權(quán)利要求
1、 一種聚合物太陽能電池，包括兩兩依次相連接的襯底、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二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述二垸氧基雙(乙 酰丙酮)合鈦膜的厚度為5 — 500A。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述襯底為玻 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聚苯 乙烯磺酸鈉的復合膜；所述光電活性層為PPV衍生物與PCBM的復合膜；所述陰極為堿金屬、堿土金屬或含有鋁、銀或銅的覆蓋物。
4、 權(quán)利要求l所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) 在光電活性層上旋涂上二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦溶液，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。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦溶液的溶劑為醇類、酯類和，類溶劑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的偉!j備方法，其特征在于所述溶劑為異丙醇、異辛醇、乙醇、乙酸乙酯、石油醚。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述溶劑為異丙醇、異辛醇、乙醇。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于旋涂時的轉(zhuǎn)速為1000rpm — 5000rpm。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于真空干燥的溫度為室溫一250 。C，時間為5分鐘到48小時。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述襯底為玻璃或聚酯薄膜; 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聚苯乙烯磺酸鈉的復合膜；所述光電活性層為PPV衍生物與PCBM的復合膜；所述陰極為堿金屬、堿土金屬或含有鋁、銀或銅的覆蓋物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚合物太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的聚合物太陽能電池，包括兩兩依次相連接的襯底、陽極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，其中，陰極修飾層為二烷氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜。本發(fā)明應用二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦作為陰極修飾層材料，將其引入聚合物太陽能電池中，增加了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；并且，與現(xiàn)有以氟化鋰為陰極修飾層材料的電池相比，本發(fā)明也具有工藝簡單，成本低廉，實驗重現(xiàn)性好等特點。而且，采用非常簡單的旋轉(zhuǎn)涂膜等方式即可將二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦涂膜于光電活性層上，制備過程簡單，厚度容易控制，并對下層的光電活性層沒有任何破壞，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號H01L51/46GK101123296SQ20061008919
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月8日
發(fā)明者李永舫, 楊春和, 譚占鰲 申請人:中國科學院化學研究所