專利名稱：聚合物太陽能電池及其制備方法
聚合物太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聚合物太陽能電池及其制備方法。
背景技術：
1982年，Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性質,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-乙基-己氧基)-1，4_苯乙(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的單色光照射下，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，從而產生光電流。這就形成了一個有效的光電轉換過程。研究表明，在活性層中的絕大部分區(qū)域是不能產生激子的，這就使得光生載流子的產生效率嚴重下降。而且，在活性層中激子主要將在靠近IT0/PED0T電極一側產生，由于激子擴散長度的有限性，大量的載流子就也將在靠近IT0/PED0T電極一側產生。在聚合物中電子的遷移率要遠低于空穴的遷移率，加之載流子產生的位置使得電子在薄膜中的傳輸距離長于空穴的傳輸距離，因此薄膜中電子向Al電極處的傳輸是十分困難的。這將導致大量的載流子在傳輸過程中復合消失，不會對光生電流有任何的貢獻，嚴重的影響了聚合物電池的光電轉換效率。

發(fā)明內容基于此，有必要提供一種光電轉換效率較高的聚合物太陽能電池及其制備方法?！N聚合物太陽能電池，包括依次層疊的陽極基底、空穴緩沖層、活性層及金屬陰極，所述聚合物太陽能電池還包括設于所說活性層和金屬陰極之間的無機層。在優(yōu)選的實施例中，所述無機層為氧化鋅、硫化鋅、二氧化鈦、氧化鎂或硫化錳。在優(yōu)選的實施例中，所述空穴緩沖層為質量比為2 : I 6 : I的PED0T:PSS。
在優(yōu)選的實施例中，所述活性層為P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM，其中，P3HT 與 PCBM 的質量比為 I : O. 8 I : 1，MDMO-PPV 與 PCBM 或者MEH-PPV與PCBM的質量比為I : I I : 4。 在優(yōu)選的實施例中，所述陽極基底為銦錫氧化物玻璃、摻氟氧化錫玻璃、摻鋁的氧化鋅玻璃或摻銦的氧化鋅玻璃；所述陰極為鋁、銀、鈣、銅、金或鉬。一種聚合物太陽能電池的制備方法，包括如下步驟步驟一、清洗陽極基 底；步驟二、旋涂空穴緩沖層；步驟三、旋涂活性層；步驟四、磁控濺射或電子束蒸鍍制備無機層，及步驟五、蒸鍍金屬陰極。在優(yōu)選的實施例中，步驟一中，先將陽極基底進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，然后依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，再對所述陽極基底進行氧等離子處理或UV-臭氧處理。在優(yōu)選的實施例中，步驟二中，采用質量百分數為I % 5%的PED0T:PSS水溶液，其中PEDOT與PSS的重量比為2 : I 6 : 1，通過旋涂的方式制備在所述陽極基底上，旋涂后在100 200°C下加熱15 60min，空穴緩沖層的厚度控制在20 80nm。在優(yōu)選的實施例中，步驟三中，采用P3HT:PCBM、MDMO-PPV:PCBM或者MEH-PPV:PCBM的有機溶液在惰性氣氛下進行旋涂，其中，該有機溶液的溶劑為甲苯，二甲苯，氯苯，氯仿的一種或兩種混合溶劑，每種有機溶液中溶質的濃度為8 30mg/ml,最后在50 200°C下退火10 lOOmin，或者在室溫下放置24 48h，活性層的厚度控制在80 300nmo在優(yōu)選的實施例中，P3HT與PCBM的質量比為I : O. 8 I : I，MDMO-PPV與PCBM或者MEH-PPV與PCBM的質量比為I : I I : 4。上述聚合物太陽能電池包括活性層/無機層結構，能夠改善光場在活性層中的分布，從而改變載流子的產生區(qū)域，為激子的解離提供了良好的場所，同時也提高了載流子的傳輸效率，也可以將活性層與陰極的接觸界面分開，阻止金屬原子向活性層的擴散而破壞了活性層的結構，起到了緩沖層的作用，提高電子在電極處的收集效率。

通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。圖I為一實施方式的聚合物太陽能電池的結構示意圖；圖2為一實施例的聚合物太陽能電池的制備方法的流程圖；圖3為實施例I的聚合物太陽能電池與傳統(tǒng)的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。請參閱圖1，一實施例的聚合物太陽能電池100包括依次層疊的陽極基底10、空穴緩沖層20、活性層30、無機層40及陰極50。陽極基底10優(yōu)選為銦錫氧化物玻璃(ITO)、摻氟的氧化錫玻璃(FTO)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)?？昭ň彌_層20優(yōu)選為質量比為2 : I 6 : I的PED0T:PSS，厚度為20 80nm。更為優(yōu)選的，PEDOT(聚(3，4-二氧乙基噻吩))與PSS(聚(對苯乙烯磺酸))的質量比為6 : I,厚度為40nm?！せ钚詫?30 為 P3HT: PCBM、MDM0_PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM0 其中，P3HT (聚 3-己基噻吩)與PCBM (C6tl富勒烯或其衍生物)的質量比為I : 0.8 I : I ,MDMO-PPV (聚對苯乙烯撐)與PCBM或者MEH-PPV (聚[2-甲氧基-5 (2，-乙基己氧基)對苯乙炔])與PCBM的質量比為I : I I : 4。無機層40優(yōu)選為氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鎂(MgO)或硫化錳(MnS)。金屬陰極50優(yōu)選為鋁(Al)、銀(Ag)、鈣(Ca)、銅(Cu)、金(Au)或鉬(Pt)。聚合物太陽能電池具有活性層/無機層結構，其可以改善光場在活性層中的分布，從而改變載流子的產生區(qū)域，為激子的解離提供了良好的場所，同時也提高了載流子的傳輸效率，也可以將活性層與陰極的接觸界面分開，阻止金屬原子向活性層的擴散而破壞了活性層的結構，起到了緩沖層的作用，提高電子在電極處的收集效率；另外，所用的無機材料的納米結構也可起到散射作用，對太陽光的入射起到一定的反射效應，提高光的利用率，而且，無機層在沉積過程中可能會與活性層中聚合物分子作用而形成極性鍵，從而提高器件的開路電壓，最終提高器件的光電轉換效率。請參閱圖2，一實施方式的聚合物太陽能電池的制備方法，包括如下步驟步驟S101、清洗陽極基底。陽極基底優(yōu)選為銦錫氧化物玻璃(ITO)、摻氟的氧化錫玻璃(FTO)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。優(yōu)選的，先將陽極基底進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，然后依次用洗潔精，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；清洗干凈后對導電基底進行合適的處理，例如氧等離子處理或UV-臭氧處理。其中氧等離子處理時間為5 15min，功率為10 50W ;UV_臭氧處理時間為5 20min。步驟S102、旋涂空穴緩沖層。優(yōu)選的，采用質量百分數為I % 5 %的PEDOT: PSS水溶液，其中PEDOT與PSS的重量比為2 : I 6 : 1，通過旋涂的方式制備在陽極基底上，旋涂后在100 200°C下加熱15 60min，厚度控制在20 80nm。優(yōu)選的，PEDOT與PSS的重量比為6:1，PEDOT: PSS水溶液的質量百分數為I. 3%，處理方法是在200°C下加熱30min，厚度為40nm。步驟S103、旋涂活性層。 優(yōu)選的，采用P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM的有機溶液進行旋涂，其中，該有機溶液的溶劑為甲苯，二甲苯，氯苯，氯仿的一種或兩種混合溶劑。每種有機溶液中溶質的總濃度控制在8 30mg/ml，而P3HT與PCBM的質量比控制在I : O. 8 I : I的范圍。MDMO-PPV與PCBM或者MEH-PPV與PCBM的質量比控制在I : I I : 4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lO-lOOmin，或者在室溫下放置24-48h，厚度控制在80-300nm。優(yōu)選的，采用質量比為I : O. 8，總濃度為12mg/ml的P3HT:PCBM的氯苯溶液 ，處理方法優(yōu)選為200°C下退火20min，厚度為120nm。步驟S104、磁控濺射或電子束蒸鍍制備無機層。優(yōu)選的,無機層為氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鎂(MgO)或硫化猛(MnS)。無機層的厚度優(yōu)選為10 lOOnm。步驟S105、蒸鍍金屬陰極。優(yōu)選的，金屬陰極為鋁(Al)、銀(Ag)、鈣(Ca)、銅(Cu)、金(Au)或鉬(Pt)。金屬陰極的厚度優(yōu)選為80 200nm。由此得到聚合物太陽能電池。上述聚合物太陽能電池制備方法中，通過制備活性層/無機層結構來制備器件，改變載流子的產生區(qū)域，提供良好的解離場所和載流子的傳輸效率，也阻止金屬原子向活性層的擴散而破壞了活性層的結構，同時起到了緩沖層的作用，提高電子在電極處的收集效率；另外，無機材料的納米結構也可起到散射作用，對太陽光起到反射效應，提高光的利用率，無機層在沉積過程中可能會與活性層中聚合物分子作用而形成極性鍵，從而提高器件的開路電壓。以下結合具體實施例對聚合物太陽能電池的制備方法進行詳細說明。以下實施例所用到的制備與測試儀器為高真空鍍膜設備(沈陽科學儀器研制中心有限公司，壓強< I X I(T3Pa)、電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號2602)、用500W氣燈(Osram)與AM I. 5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。實施例I :先將ITO進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，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；清洗干凈后對導電基底進行氧等離子處理，處理時間為5min，功率為35W ;旋涂空穴緩沖層，然后旋涂活性層，優(yōu)選質量比為I : O. 8，總濃度為12mg/ml的P3HT:PCBM的氯苯溶液，處理方法優(yōu)選為200°C下退火20min，厚度為120nm。然后電子束蒸鍍無機層，材料為ZnO,厚度為50nm,接著蒸鍍陰極,材料為Al,厚度為 150nm。請參閱表1，表I為實施例I和對比例制備的太陽能電池器件的能量效率測試數據。表I實施例I和對比例的光電流測試數據
權利要求
1.一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、活性層及金屬陰極，其特征在于所述聚合物太陽能電池還包括設于所說活性層和金屬陰極之間的無機層。
2.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述無機層為氧化鋅、硫化鋅、二氧化鈦、氧化鎂或硫化猛。
3.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述空穴緩沖層為質量比為 2 I 6 I 的 PEDOT:PSS。
4.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述活性層為P3HT:PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM,其中，P3HT 與 PCBM 的質量比為 I : O. 8 I : I，MDMO-PPV與PCBM或者MEH-PPV與PCBM的質量比為I : I I : 4。
5.根據權利要求4所述的聚合物太陽能電池，其特征在于所述陽極基底為銦錫氧化物玻璃、摻氟氧化錫玻璃、摻鋁的氧化鋅玻璃或摻銦的氧化鋅玻璃；所述陰極為鋁、銀、鈣、 銅、金或鉬。
6.一種聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一、清洗陽極基底； 步驟二、旋涂空穴緩沖層； 步驟三、旋涂活性層； 步驟四、磁控濺射或電子束蒸鍍制備無機層，及 步驟五、蒸鍍金屬陰極。
7.根據權利要求6所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于步驟一中，先將陽極基底進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，然后依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，再對所述陽極基底進行氧等離子處理或UV-臭氧處理。
8.根據權利要求6所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于步驟二中，采用質量百分數為I % 5%的PED0T:PSS水溶液，其中PEDOT與PSS的重量比為2 I 6 1，通過旋涂的方式制備在所述陽極基底上，旋涂后在100 200°C下加熱15 60min，空穴緩沖層的厚度控制在20 80nm。
9.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于步驟三中，采用P3HT:PCBM、MDMO-PPV: PCBM或者MEH-PPV: PCBM的有機溶液在惰性氣氛下進行旋涂，其中，該有機溶液的溶劑為甲苯，二甲苯，氯苯，氯仿的一種或兩種混合溶劑，每種有機溶液中溶質的濃度為8 30mg/ml，最后在50 200°C下退火10 lOOmin，或者在室溫下放置24 48h，活性層的厚度控制在80 300nm。
10.根據權利要求9所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于P3HT與PCBM的質量比為I : O. 8 I : I,MDMO-PPV與PCBM或者MEH-PPV與PCBM的質量比為I : I I 4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚合物太陽能電池及其制備方法。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、活性層及金屬陰極，所述聚合物太陽能電池還包括設于所說活性層和金屬陰極之間的無機層。上述聚合物太陽能電池包括活性層/無機層結構，能夠改善光場在活性層中的分布，從而改變載流子的產生區(qū)域，為激子的解離提供了良好的場所，同時也提高了載流子的傳輸效率，也可以將活性層與陰極的接觸界面分開，阻止金屬原子向活性層的擴散而破壞了活性層的結構，起到了緩沖層的作用，提高電子在電極處的收集效率。
文檔編號H01L51/42GK102956826SQ20111025114
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權日2011年8月29日
發(fā)明者周明杰, 王平, 黃輝, 張振華 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