專利名稱：一種p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領域，尤其涉及ー種P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池。本發(fā)明還涉及該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備方法。
背景技術：
1982年，Weinberger等研究了聚こ炔的光伏性質,制造出了第一個具有真正意義上的太陽能電池，但是當時的光電轉換效率極低(10_3% )。緊接著，Glenis等制作了各種聚 噻吩的太陽能電池，當時都面臨的問題是極低的開路電壓和光電轉換效率。直到1986年，C. ff. Tang等首次將P型半導體和η型半導體引入到雙層結構的器件中，才使得光電流得到了極大程度的提高，從此以該工作為里程碑，有機聚合物太陽能電池蓬勃發(fā)展起來。1992年Sariciftci 等發(fā)現(xiàn)2-甲氧基-5-(2-こ基-己氧基)-1，4_苯こ(MEH-PPV)與復合體系中存在快速光誘導電子轉移現(xiàn)象，引起了人們的極大興趣，而在1995年，Yu等用MEH-PPV與C6tl (即60個碳原子有機物)的衍生物PCBM混合作為活性層制備了有機聚合物體異質結太陽能電池。器件在20mW/cm2430nm的単色光照射下，能量轉換效率為2. 9%。這是首個基于聚合物材料與PCBM受體制備的本體異質結太陽能電池，并提出了復合膜中互穿網(wǎng)絡結構的概念。至此，本體異質結結構在聚合物太陽能電池中的應用得到了迅速的發(fā)展。這種結構也成為目前人們普遍采用的有機聚合物太陽能電池結構。聚合物太陽能電池的工作原理主要分為四部分(I)光激發(fā)和激子的形成；(2)激子的擴散；⑶激子的分裂；⑷電荷的傳輸和收集。首先，共軛聚合物在入射光照射下吸收光子，電子從聚合物最高占有軌道(HOMO)躍遷到最低空軌道(LUMO)，形成激子，激子在內(nèi)建電場的作用下擴散到給體/受體界面處分離成自由移動的電子和空穴，然后電子在受體相中傳遞并被陰極收集，空穴則通過給體相并被陽極收集，從而產(chǎn)生光電流，這就形成了一個有效的光電轉換過程。目前太陽能電池結構為ΙΤ0陽極/空穴緩沖層/活性層/電子緩沖層/陰極。聚合物太陽能電池一般都是利用銦錫氧化物(ITO)薄膜作為太陽能電池的陽極，通過濺射的方法制備在玻璃襯底上，但是銦是稀有元素，不適合未來商業(yè)化的需要，而錫是有毒元素，對環(huán)境有一定的危害性；另外，金屬元素作為陽極，會使金屬離子往有機層內(nèi)進行擴散，影響太陽能電池的穩(wěn)定性，以及造成有機膜出現(xiàn)各種缺陷(如載流子陷阱)，最終影響太陽能電池的光電轉換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能量轉換率高、成本低且環(huán)保的P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池?！NP型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池包括依次層疊的基底、第一陰極層、第一電子緩沖層、第一活性層、P型摻雜層、第二活性層、第ニ電子緩沖層、第二陰極層，即該電池的結構依次為基底/第一陰極層/第一電子緩沖層/第一活性層/P型摻雜層/第二活性層/第二電子緩沖層/第二陰極層。所述P型摻雜層將該太陽能電池分成兩個電池単元，即基底、第一陰極層、第一空電子沖層、第一活性層和P型摻雜層構成正置型第一電池單元，且P型摻雜層和第一陰極層分別作為該第一電池單元的陽極和陰極；P型摻雜層、第二活性層、第二電子緩沖層和第二陰極層構成倒置型第二電池單元，且P型摻雜層和第二陰極層分別作為該第二電池單元的陽極和陰極；其中，P型摻雜層即同時作為第一電池單元與第二電池單元的陽極，這樣第一電池單元與第二電池單元通過P型摻雜層形成并聯(lián)式的聚合物太陽能電池。該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池中，各功能層所用材質如下基底為普通的玻璃；
所述第一陰極層和第二陰極層的材料為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)；所述第一電子緩沖層和第二電子緩沖層的材料為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)、氯化鋰(LiCl)、碘化鋰(LiI)或溴化鋰(LiBr)；第一活性層和第二活性層的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基_5_(3，7. ニ甲基辛氧基)對苯撐こ烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-^ -こ烯基-己氧基)聚對苯こ烯撐](MEH-PPV)與[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)混合后形成的混合物，即P3HT PCBM、MDMO-PPV PCBM 或者 MEH-PPV PCBM 混合物；其中，P3HT PCBM 的質量比控制在I : I I : O. 8的范圍，MDMO-PPV PCBM或者MEH-PPV PCBM的質量比分別控制在I : 4 I : I的范圍；所述P型摻雜層的材料為空穴注入材料摻雜空穴傳輸材料所形成的摻雜混合物；其中，所述空穴傳輸材料為1，I- ニ [4_[N, N' - ニ(p-甲苯基)氨基]苯基]環(huán)己燒(TAPC)、4，4'，4"-三(咔唑-9-基)三苯胺(TCTA)、N，N’-(I-萘基)-N，N’-ニ苯基-4，4’-聯(lián)苯ニ胺(NPB)或者4，4，4，-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺(m_MTDATA)；所述空穴注入材料為氟三氧化鑰(MoO3)、三氧化鎢(WO3)、五氧化ニ釩(V2O5)、2，3，5，6_四氟_7，7，8，8，_四氰基-對苯ニ醌ニ甲烷(F4-TCNQ)、4，4，4-三(萘基-1-苯基-銨)三苯胺(IT-NATA)或者4，4，4-三(萘基-I-苯基-銨)三苯胺(2T-NATA)。本發(fā)明的另一目的在于提供上述P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備方法，其エ藝步驟如下SI、將基底依次在洗潔精，去離子水，丙酮，こ醇，異丙醇中超聲清洗各15min，去除表面的有機污染物；S2、在基底表面蒸鍍第一陰極層，隨后在第一陰極層表面蒸鍍第一電子緩沖層；S3、在第一電子緩沖層表面旋涂第一活性層，然后干燥處理；S4、在干燥的第一活性層表面蒸鍍P型摻雜層；S5、在P型摻雜層表面旋涂第二活性層，然后干燥處理；S6、在第二活性層表面蒸鍍第二電子緩沖層，隨后在第二電子緩沖層表面蒸鍍第ニ陰極層；最后制得P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池。本發(fā)明的P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，兩個電池単元的活性層可以盡可能的捕獲更多的太陽光，達到提高吸收效率；兩個電池単元的連接層采用P-型摻雜層，提高太陽能的穩(wěn)定性以及進一步提聞空穴的傳輸速度，使電極收集載流子的效率提聞，最終提高了能量轉換效率；同時，襯底表面沒有采用ITO(氧化銦錫)導電層，避免了錫元素對環(huán)境的污染，省去稀有元素銦的使用，從而降低了制作成本。


圖I為本發(fā)明P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池結構示意圖；圖2為本發(fā)明P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備エ藝流程圖； 圖3為實施例I的P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池玻璃/Ag/LiF/P3HT:PCBM/MoO3: NPB/P3HT: PCBM/LiF/Al 與對比例電池IT0/Mo03/P3HT:PCBM/LiF/Al 的電流密度與電壓關系圖；其中，曲線I為實施例I的曲線，曲線2為對比例的曲線。
具體實施例方式本發(fā)明的ー種P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，如圖I所示,該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池包括依次層疊的基底11、第一陰極層12、第一電子緩沖層13、第一活性層14、p型摻雜層15、第二活性層16、第二電子緩沖層17、第二陰極層18 ;即該電池的結構為基底11/第一陰極層12/第一電子緩沖層13/第一活性層14/p型摻雜層15/第二活性層16/第二電子緩沖層17/第二陰極層18。所述P型摻雜層15將該太陽能電池分成兩個電池単元，即第一陰極層12、第一電子緩沖層13、第一活性層14、p型摻雜層15構成正置型第一電池單元，且P型摻雜層15和第一陰極層12分別作為該第一電池單元的陽極和陰極；p型摻雜層15、第二活性層16、第ニ電子緩沖層17、第二陰極層18構成倒置型第二電池單元，且P型摻雜層15和第二陰極層18分別作為該第二電池單元的陽極和陰極；其中，P型摻雜層15即同時作為第一電池單元與第二電池單元的陰極，這樣第一電池單元與第二電池單元通過P型摻雜層15形成并聯(lián)式的聚合物太陽能電池。該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池中，各功能層所用材質如下基底為普通的玻璃，可以市購；所述第一陰極層和第二陰極層的材料為金屬材料，如，鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt);所述第一陰極層和第二陰極層的厚度分別為IO-IOOnm ;所述第一電子緩沖層和第二電子緩沖層的材料為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)、氯化鋰(LiCl)、碘化鋰(LiI)或溴化鋰(LiBr)，優(yōu)選為LiF ;所述第一電子緩沖層和第二電子緩沖層厚度分別為O. 5 10nm，優(yōu)選厚度為O. Ixm ；第一活性層和第二活性層的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2_甲氧基_5_(3，7. ニ甲基辛氧基)對苯撐こ烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-^ -こ烯基-己氧基)聚對苯こ烯撐](MEH-PPV)與[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)混合后形成的混合物，即P3HT PCBM、MDMO-PPV PCBM 或者 MEH-PPV PCBM 混合物；其中，P3HT PCBM 的質量比控制在I : I I : O. 8的范圍，MDMO-PPV PCBM或者MEH-PPV PCBM的質量比分別控制在I : 4 I : I的范圍；所述P型摻雜層的材料為空穴注入材料摻雜空穴傳輸材料所形成的摻雜混合物，且空穴傳輸材料為主體，空穴注入材料為客體(即摻雜材料)，客體材料的摻雜比為O. 5 40wt% (質量百分含量，下同)；該P型摻雜層的厚度為10 80nm;其中，
所述空穴傳輸材料為I, I- ニ [4_[N, N' - ニ(p-甲苯基)氨基]苯基]環(huán)己燒(TAPC)、4，4' A"-三(咔唑-9-基)三苯胺(TCTA)、N，N’-(I-萘基)-N，N’-ニ苯基-4，4’-聯(lián)苯ニ胺(NPB)或者4，4，4，-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺(m_MTDATA)；所述空穴注入材料為三氧化鑰(MoO3)、三氧化鎢(WO3)、五氧化ニ釩(V2O5) ,2,3,5,6-四氟-7，7，8，8，-四氰基-對苯ニ醌ニ甲烷(F4-TCNQ)、4，4，4-三(萘基-1-苯基-銨)三苯胺(IT-NATA)或者4，4，4-三(萘基-I-苯基-銨)三苯胺(2T-NATA)。上述P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備方法，如圖2所示，其エ藝步驟如下
SI、將基底依次在洗潔精，去離子水，丙酮，こ醇，異丙醇中超聲清洗各15min，去除表面的有機污染物；S2、在基底表面蒸鍍厚度為10 IOOnm的第一陰極層，隨后在第一陰極層表面蒸鍍厚度為O. 5 IOnm的第一電子緩沖層；S3、在第一電子緩沖層表面旋涂厚度為80 300nm的第一活性層，然后干燥處理；S4、在干燥的第一活性層表面蒸鍍厚度為10 80nm的p型摻雜層；S5、在P型摻雜層表面旋涂厚度為80 300nm的第二活性層，然后干燥處理；S6、在第二活性層表面蒸鍍厚度O. 5 IOnm的第二電子緩沖層，隨后在第二電子緩沖層表面蒸鍍厚度為10 150nm的第二陰極層；最后制得P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池。上述制備方法的步驟S3和S5中，第一活性層和第二活性層的材料為溶液體系，其溶劑為甲苯、ニ甲苯、氯苯或氯仿中的ー種或兩種混合溶劑，溶質為P3HT PCBM、MDMO-PPV PCBM或者MEH-PPV PCBM ;每種體系的總濃度控制在8_30mg/ml，而P3HT PCBM的質量比控制在I : I I : O. 8的范圍；MDM0_PPV PCBM或者MEH-PPV PCBM的質量比控制在I : 4 I : I的范圍，然后在充滿惰性氣體的手套箱中進行旋涂，最后在50-200°C下退火10 lOOmin，或者在25°C下放置24 48h，厚度控制在80-300nm;優(yōu)選總濃度為10mg/ml的P3HT PCBM氯苯溶液體系，優(yōu)選P3HT PCBM的質量比為I : 0.8，優(yōu)選為150で下退火10!^11，優(yōu)選第ー活性層和第ニ活性層厚度分別為200nmo本發(fā)明的P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，兩個電池単元的活性層可以盡可能的捕獲更多的太陽光，達到提高吸收效率；兩個電池単元的連接層采用P-型摻雜層，提高太陽能的穩(wěn)定性以及進一步提聞空穴的傳輸速度，使電極收集載流子的效率提聞，最終提高了能量轉換效率；同時，襯底表面沒有采用ITO(氧化銦錫)導電層，避免了錫元素對環(huán)境的污染，省去稀有元素銦的使用，從而降低了制作成本。下面對本發(fā)明的較佳實施例作進ー步詳細說明。實施例I本實施例中P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的結構為玻璃/Ag/LiF/P3HT: PCBM/M0O3: NPB/P3HT: PCBM/LiF/Al。該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備エ藝如下I、將玻璃依次用洗潔精，去離子水，丙酮，こ醇，異丙醇清洗，且清洗時各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；2、通過蒸鍍エ藝，在玻璃的ー個表面蒸鍍厚度為20nm的第一陰極層，材料為Ag ；3，在第一陰極層表面蒸鍍厚度為O. Ixm的第一電子緩沖層，材料為LiF ；4、將P3HT PCBM氯苯溶液體系旋涂在第一電子緩沖層表面，旋涂完后，在150°C下退火lOmin，制得厚度為200nm的第一活性層；其中，為P3HT PCBM氯苯溶液體系中，溶劑為氯苯，P3HT與PCBM的總濃度為10mg/ml, P3HT PCBM的質量比為I O. 8 ；5、在第一活性層表面蒸鍍厚度為30nm的P型摻雜層，材料為MoO3 NPB，且NPB為主體材料，MoO3為摻雜材料，且MoO3摻雜比例為15wt% ；6、將P3HT PCBM氯苯溶液體系旋涂在p型摻雜層表面，旋涂完后，在150°C下退火lOmin，制得厚度為200nm的第二活性層；其中，為P3HT PCBM氯苯溶液體系中，溶劑為氯苯，P3HT與PCBM的總濃度為10mg/ml, P3HT PCBM的質量比為I O. 8 ；7、在第二活性層表面蒸鍍厚度為O. 7nm的第二電子緩沖層，材料為LiF ；8、通過蒸鍍エ藝，在第二電子緩沖層表面蒸鍍厚度為SOnm的第二陰極層，材料為Al ；9、上述制備エ藝完成后，得到所需P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池。附圖3是實施例I的制備P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池(結構為玻璃/Ag/LiF/P3HT: PCBM/Mo03: NPB/P3HT: PCBM/LiF/Al)與對比例電池(結構為ΙΤ0/Μο03/P3HT:PCBM/LiF/Al)的電流密度與電壓關系。上述電流密度與電壓的測試，采用美國Keithly公司生成的型號為2602電流-電壓測試儀進行的，測試エ藝為用500W氙燈(Osram)與AM I. 5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。從圖3中可以看到，對比例太陽能電池的光電轉換效率為I. 51%，而本實施例中采用P型摻雜層作為并聯(lián)連太陽能的連接層的光電轉換效率則提高到了 2. 03% ;這說明，這種并聯(lián)結構的太陽能電池的電阻降低，使兩個活性層更有效的吸收了太陽光，最終使太陽能電池的能量轉換效率得到了增強。表I為曲線I和曲線2相對應的具體數(shù)據(jù)；其中，曲線I為實施例I的曲線，曲線2為對比例的曲線；表I
權利要求
1.ー種P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在干，該P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池包括依次層疊的基底、第一陰極層、第一電子緩沖層、第一活性層、P型摻雜層、第二活性層、第二電子緩沖層、第二陰極層。
2.根據(jù)權利要求I所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在于，所述第一陰極層和第二陰極層的材料為鋁、銀、金或鉬。
3.根據(jù)權利要求I所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在于，所述第一電子緩沖層和第二電子緩沖層的材料為氟化鋰、碳酸鋰、氯化鋰、碘化鋰或溴化鋰。
4.根據(jù)權利要求I所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在于，所述第一活性層和第二活性層的材料為聚3-己基噻吩、聚[2-甲氧基-5-(3，7. ニ甲基辛氧基)對苯撐こ烯]或聚[2-甲氧基-5-(2'-こ烯基-己氧基)聚對苯こ烯撐]與[6，6]-苯基<61-丁酸甲酷混合后形成的混合物。
5.根據(jù)權利要求4所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在干，所述聚3-己基噻吩與[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯所形成的混合物中，聚3-己基噻吩與[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的質量比為I : I I : 0.8; 所述聚[2-甲氧基-5-(3, 7. ニ甲基辛氧基)對苯撐こ烯]與[6,6]-苯基-C61- 丁酸甲酯所形成的混合物中，聚[2-甲氧基-5-(3，7. ニ甲基辛氧基)對苯撐こ烯]與[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯的質量比為I : 4 I : I; 所述聚[2-甲氧基-5- (2丨-こ烯基-己氧基)聚對苯こ烯撐]與[6，6]-苯基-C61- 丁酸甲酯所形成的混合物中，聚[2-甲氧基-5-(2'-こ烯基-己氧基)聚對苯こ烯撐]與[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯的質量比為I : 4 I : I。
6.根據(jù)權利要求I所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在于，所述P型摻雜層的材料為空穴注入材料摻雜空穴傳輸材料所形成的摻雜混合物。
7.根據(jù)權利要求6所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在于，所述空穴傳輸材料為1，1_ ニ [4_[N，N' - ニ(p-甲苯基)氨基]苯基]環(huán)己烷、4，4'，4"-三(咔唑-9-基)三苯胺、N，N，-(I-萘基)-N，N，-ニ苯基-4，4’ -聯(lián)苯ニ胺或者4，4，4，-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺； 所述空穴注入材料為三氧化鑰、三氧化鎢、五氧化ニ釩、2，3，5，6-四氟-7，7，8，8，-四氰基-對苯ニ醌ニ甲烷、4，4，4-三(萘基-1-苯基-銨)三苯胺或4，4，4-三(萘基-1-苯基-銨)三苯胺。
8.根據(jù)權利要求I所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，其特征在于，所述基底材料為玻璃。
9.一種如權利要求I所述的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在干，該制備方法包括如下步驟 ·51、對基底表面進行清洗處理、干燥后備用； ·52、在基底表面蒸鍍第一陰極層，隨后在第一陰極層表面蒸鍍第一電子緩沖層； ·53、在第一電子緩沖層表面旋涂第一活性層，隨后干燥處理； ·54、在干燥的第一活性層表面蒸鍍p型摻雜層； ·55、在p型摻雜層表面旋涂第二活性層，隨后干燥處理； ·56、在第二活性層表面蒸鍍第二電子緩沖層，隨后在第二電子緩沖層表面蒸鍍第二陰極層，制得所述P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池。
10.根據(jù)權利要求9所述的P型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中的清洗處理包括將基底依次在洗潔精，去離子水，丙酮，こ醇，異丙醇中超聲清洗。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池領域，其公開了一種p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，該p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池為層狀結構，該層狀結構依次包括基底、第一陰極層、第一電子緩沖層、第一活性層、p型摻雜層、第二活性層、第二電子緩沖層、第二陰極層。本發(fā)明的p型摻雜并聯(lián)式聚合物太陽能電池，兩個電池單元的活性層可以盡可能的捕獲更多的太陽光，達到提高吸收效率；兩個電池單元的連接層采用p-型摻雜層，提高太陽能的穩(wěn)定性以及進一步提高空穴的傳輸速度，使電極收集載流子的效率提高，最終提高了能量轉換效率。
文檔編號H01L51/48GK102856497SQ20111017750
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權日2011年6月28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有限公司