專利名稱：一種雙活性層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的制備方法，具體涉及一種基于雙光活性層的聚合物太陽能電池制備方法。
背景技術(shù)：
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。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、可制備大面積柔性器件等優(yōu)點而得到廣泛的關(guān)注。在聚合物太陽能電池中，光活性層采用本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，給受體材料在納米尺寸水平上共混形成互穿網(wǎng)絡(luò)體系，大大增加了給受體之間的界面面積，提高了太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，是太陽能電池中的主流結(jié)構(gòu)。在聚合物太陽能電池中，常用的典型給體材料包括對苯撐乙烯衍生物(如聚(2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)-1，4-對 苯撐乙烯)(MDMO-PPV))和聚噻吩(如聚(3-己基噻吩)(P3HT));典型的受體材料為可溶性C60衍生物(如[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM))。有兩種方法可提高本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能，第一是設(shè)計合成窄帶隙聚合物，其可充分吸收太陽光，提高光生電荷的產(chǎn)生效率，如給受體共軛聚合物(Macromolecules. 2006，39，4317)、支鏈共軛聚噻吩(J. Am. Chem. Soc. 2006，128，4911)、噻吩與芴的共聚物(J. Am. Chem. Soc. 2006, 128，8980)等；第二是提高光生電荷分離后空穴在聚合物相的遷移率，如P3HT的空穴遷移率為O. 05—0.1cm2/Vs (Appl. Phys. Lett. 1996，69，4108)，而 MDMO-PPV 的空穴遷移率僅約為 l(T4cm2/Vs(Sciencel998, 280, 1741)0基于P3HT的太陽能器件經(jīng)過后退火處理后，P3HT在光活性層中形成微晶層狀堆疊，提高空穴傳輸效率，電池能量轉(zhuǎn)換效率可達5% (Adv. Funct.Mater. 2005, 15, 1617)。但是，MDMO-PPV和P3HT分別是無定形的和半結(jié)晶的聚合物，固態(tài)薄膜中存在大量的缺陷，空穴遷移率有待提高。PBTTT是一類新的聚噻吩衍生物(Nat. Mater. 2006, 5，328)，在固態(tài)薄膜中分子間具有較強的η— η作用，分子鏈緊密堆積，增加了有序性和結(jié)晶度，其空穴遷移率達到O. 2-0. 6cm2/Vs，高于P3HT的空穴遷移率，接近非晶硅的空穴遷移率。在本發(fā)明中，應(yīng)用PBTTT作為光活性層的給體材料，并制備了雙光活性層的太陽能電池。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種雙光活性層聚合物太陽能電池的制備方法。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種雙活性層聚合物太陽能電池，從下到上依次包括依次連接的玻璃襯底、陽極層、陽極修飾層、光活性層、陰極修飾層和陰極層，光活性層為兩層，第一層為PBTTT:PCBM，第二層為MDMO-PPV: [70]PCBM。優(yōu)選的，第一光活性層PBTTT:PCBM的質(zhì)量比為1:2 ;第二光活性層MDMO-PPV: [70]PCBM的質(zhì)量比為1:4。優(yōu)選的，第一光活性層的厚度為60nm，第二光活性層的厚度為90nm。
優(yōu)選的，所述襯底為玻璃；所述陽極層為錫銦氧化物；所述陽極修飾層為聚乙撐二氧噻吩聚苯乙烯磺酸納；所述陰極修飾層為氧化鈦；所述陰極為鋁。本發(fā)明還提供了一種雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，該方法包括如下步驟步驟1:在玻璃襯底上制備陽極修飾層；
步驟2 :在陽極修飾層上旋涂聚PBTTT:PCBM溶液，得到第一光活性層；步驟3 :在第一光活性層上旋涂聚MDMO-PPV: [70] PCBM溶液，得到第二光活性層；步驟4 :在第二光活性層上旋涂氧化鈦溶液，得到陰極修飾層；步驟5 :在陰極修飾層上制備陰極層，得到聚合物太陽能電池。優(yōu)選的，在玻璃襯底上旋涂30nm厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾層。優(yōu)選的，所述PBTTT:PCBM溶液的溶劑為1，2_ 二氯苯，溶液溫度為70°C，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于85°C熱退火I小時，自然冷卻至室溫。優(yōu)選的，所述MDMO-PPV: [70] PCBM溶液的溶劑為氯苯，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于80°C熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。優(yōu)選的，所述氧化鈦溶液的溶劑為乙醇，旋涂轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于80°C熱退火20分鐘，自然冷卻至室溫。優(yōu)選的，在5X 10_5帕真空下于陰極修飾層上蒸鍍150nm厚的Al作為陰極。 有益效果本發(fā)明制備了雙層光活性層PBTTT:PCBM (1:2)/MDMO-PPV: [70]PCBM(1:4)的器件，吸收光譜與太陽光譜更匹配，經(jīng)過后退火處理后得到器件性能參數(shù)Voc 為 O. 59V, Jsc 為 10. 1—10. 7mA/cm2, FF 為 O. 50，PCE 為 3. 0—3. 2%，比單層光活性層器件的Jsc和PCE增加了 2倍(詳細內(nèi)容見表I)。本發(fā)明表明，雙光活性層結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池比單光活性層結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池有明顯的優(yōu)勢。


圖1a是PBTTT的分子結(jié)構(gòu)式。圖1b 是 PBTTT: [70] PCBM (1:2)、MDMO-PPV: PCBM (1:4)及 PBTTT: [70] PCBM (1:2) /MDMO-PPV:PCBM(1:4)薄膜經(jīng)熱退火處理后的紫外可見吸收光譜。圖2是雙光活性層本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I是透明玻璃襯底，2是ITO陽極，3是陽極修飾層PEDOT:PSS，4是第一光活性層PBTTT:PCBM(1:2)，5是第二光活性層MDMO-PPV: [70]PCBM(1:4)，6是陰極修飾層TiOx，7是陰極Al。圖3是未經(jīng)陰極修飾的雙層本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池經(jīng)后退火處理前后的電流-電壓特性曲線。圖4是經(jīng)陰極修飾的雙層本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池經(jīng)后退火處理前后的電流-電壓特性曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步說明。本專利申請中的一些簡寫及縮寫為光活性層的第一層為聚(2，5-雙(3- 二i^一烷基噻吩-2-基)噻吩并[3，2_b]噻吩)(PBTTT) : [6，6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM)；第二層為聚(2-甲氧基_5-(3，7- 二甲基辛氧基)_1，4-對苯撐乙烯)(MDM0PPV) : [6，6]-C71-苯基丁酸甲酯([70]PCBM)；錫銦氧化物(ITO);聚苯乙烯磺酸納(PED0T:PSS);氧化鈦(TiOx)。表1.不同光活性層制備的太陽能電池的性能比較。
開路短路電流能量轉(zhuǎn)換
填充
電壓密度效率
活性層的組成因子
Voc JscPCE
FF
(V) (mA/cd)(%)
PBTTT:PCBM(1:2)/MDMO-PPV:[70]PCBM(1:4)0.57 9.1 O. 41 2.1
PBTTT: PCBMd: 2) /MDMO-PPV: [70] PCBM (1:4)-經(jīng)后 O. 59 10 I O. 50 3.0
退火處理
PBTTT:PCBM(1:2)/MDM0PPV: [70]PCBM(1:4)/TiOx O. 57 9.8 O. 42 2.4PBTTT:PCBM(1:2)'/MDMO-PPV: [70]PCBM(1:4)/TiOx O10 7 O υ0 3.2
-經(jīng)后退火處理本發(fā)明提供的雙活性層聚合物太陽能電池，從下到上依次包括依次連接的玻璃襯底1、陽極層2、陽極修飾層3、光活性層、陰極修飾層6和陰極層7，其光活性層為兩層，第一層 4 為 PBITT:PCBM，第二層 5 為 MDMO-PPV: [70]PCBM。第一光活性層PBTTT:PCBM的質(zhì)量比為1:2 ;第二光活性層MDMO-PPV: [70]PCBM的質(zhì)量比為1:4。第一光活性層的厚度為60nm，第二光活性層的厚度為90nm。所述襯底為玻璃；所述陽極層為錫銦氧化物；所述陽極修飾層為聚乙撐二氧噻吩聚苯乙烯磺酸納；所述陰極修飾層為氧化鈦；所述陰極為鋁。本發(fā)明還提供了一種雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，該方法包括如下步驟步驟1:在玻璃襯底I上制備陽極修飾層3 ；步驟2 :在陽極修飾層3上旋涂聚PBTTT:PCBM溶液，得到第一光活性層；步驟3 :在第一光活性層上旋涂聚MDMO-PPV: [70] PCBM溶液，得到第二光活性層；步驟4 :在第二光活性層上旋涂氧化鈦溶液，得到陰極修飾層；步驟5 :在陰極修飾層上制備陰極層，得到聚合物太陽能電池。在玻璃襯底上旋涂30nm厚的PEDOT: PSS作為陽極修飾層。所述PBTTT:PCBM溶液的溶劑為1，2_ 二氯苯，溶液溫度為70°C，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于85°C熱退火I小時，自然冷卻至室溫。
所述MDMO-PPV: [70] PCBM溶液的溶劑為氯苯，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于80°C熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。所述氧化鈦溶液的溶劑為乙醇，旋涂轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于80°C熱退火20分鐘，自然冷卻至室溫。在5X 1(Γ5帕真空下于陰極修飾層上蒸鍍150nm厚的Al作為陰極。實施例一將濺射有ITO (陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用清潔劑和去離子水超聲清洗，然后用紫外-臭氧處理基片表面20分鐘，再旋涂30nm厚的PED0T:PSS作為陽極修飾層，于150°C 下熱退火15分鐘。將20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在襯底50°C下將其旋涂于上述陽極修飾層，作為第一光活性層，然后于85°C下熱退火I小時，自然冷卻至室溫。再將IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室溫下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，將其旋涂于第一光活性層上，作為第二光活性層，然后于80°C下熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。最后，在5X 10_5帕下真空蒸鍍150nm鋁作為陰極。圖3給出了該器件的電流-電壓曲線，開路電壓為O. 57伏，短路電流密度為9.1毫安每平方厘米，填充因子為O. 41，能量轉(zhuǎn)換效率為2. 1%。實施例二 將濺射有ITO (陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用清潔劑和去離子水超聲清洗，然后用紫外-臭氧處理基片表面20分鐘，再旋涂上30nm厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾層，于150°C下熱退火15分鐘。將20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在襯底50°C下將其旋涂于上述陽極修飾層，作為第一光活性層，然后于85°C下熱退火I小時，自然冷卻至室溫。再將IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室溫下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，將其旋涂于第一光活性層上，作為第二光活性層，然后于80°C下熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。最后，在5X 10_5帕下真空蒸鍍150nm鋁作為陰極。器件經(jīng)120°C后退火處理4分鐘，再以1°C /分鐘的速率冷卻至室溫。圖3給出了該器件的電流-電壓曲線，開路電壓為O. 59伏，短路電流密度為10.1毫安每平方厘米，填充因子為O. 5，能量轉(zhuǎn)換效率為3. 0%。實施例三將濺射有ITO (陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用清潔劑和去離子水超聲清洗，然后用紫外-臭氧處理基片表面20分鐘，再旋涂上30nm厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾層，于150°C下熱退火15分鐘。將20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在襯底50°C下將其旋涂于上述陽極修飾層，作為第一光活性層，然后于85°C下熱退火I小時，自然冷卻至室溫。再將IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室溫下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，將其旋涂于第一光活性層上，作為第二光活性層，然后于80°C下熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。再將TiOx溶液在6000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂于第二光活性層上，作為陰極修飾層。最后，在5X10_5帕下真空蒸鍍150nm鋁作為陰極圖4給出了該器件的電流-電壓曲線，開路電壓為O. 57伏，短路電流密度為9. 8毫安每平方厘米，填充因子為O. 42，能量轉(zhuǎn)換效率為2. 4%。實施例四
將濺射有ITO (陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用清潔劑和去離子水超聲清洗，然后用紫外-臭氧處理基片表面20分鐘，再旋涂上30nm厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾層，于150°C下熱退火15分鐘。將20mg PBTTT和40mg PCBM溶解于ImLl, 2- 二氯苯中，在70°C下制成混合溶液，在襯底50°C下將其旋涂于上述陽極修飾層，作為第一光活性層，然后于85°C下熱退火I小時，自然冷卻至室溫。再將IOmgMDMO-PPV和40mg[70]PCBM室溫下溶解于ImL氯苯，形成MDM0-PPV: [70]PCBM溶液，將其旋涂于第一光活性層上，作為第二光活性層，然后于80°C下熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。再將TiOx溶液在6000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂于第二光活性層上，作為陰極修飾層。最后，在5X10_5帕下真空蒸鍍150nm鋁作為陰極。器件經(jīng)120°C后退火處理4分鐘，再以1°C /分鐘的速率冷卻至室溫。圖4給出了該器件的電流-電壓曲線，開路電壓為O. 59伏，短路電流密度為10. 7毫安每平方厘米，填充因子為O. 5，能量轉(zhuǎn)換效率為3. 2%。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán) 利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙活性層聚合物太陽能電池，從下到上依次包括依次連接的玻璃襯底(I)、陽極層(2)、陽極修飾層(3)、光活性層、陰極修飾層(6)和陰極層(7)，其特征在于光活性層為兩層,第一層(4)為 PBITT:PCBM，第二層(5)為 MDMO-PPV: [70]PCBM。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙活性層聚合物太陽能電池，其特征在于第一光活性層PBTTT:PCBM的質(zhì)量比為1:2 ;第二光活性層MDMO-PPV: [70]PCBM的質(zhì)量比為1:4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙活性層聚合物太陽能電池，其特征在于第一光活性層的厚度為60nm，第二光活性層的厚度為90nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙活性層聚合物太陽能電池，其特征在于所述襯底為玻璃；所述陽極層為錫銦氧化物；所述陽極修飾層為聚乙撐二氧噻吩聚苯乙烯磺酸納；所述陰極修飾層為氧化鈦；所述陰極為鋁。
5.一種雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 步驟1:在玻璃襯底(I)及陽極層(2)上制備陽極修飾層(3)； 步驟2 :在陽極修飾層(3)上旋涂聚PBTTT:PCBM溶液，得到第一光活性層(4)； 步驟3 :在第一光活性層上旋涂聚MDMO-PPV: [70]PCBM溶液，得到第二光活性層(5)； 步驟4 :在第二光活性層上旋涂氧化鈦溶液，得到陰極修飾層(6)； 步驟5 :在陰極修飾層上制備陰極層(7)，得到聚合物太陽能電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于在玻璃襯底上旋涂30nm厚的PED0T:PSS作為陽極修飾層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于所述PBTTT:PCBM溶液的溶劑為1，2- 二氯苯，溶液溫度為70°C，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于85°C熱退火I小時，自然冷卻至室溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于所述MDMO-PPV: [70]PCBM溶液的溶劑為氯苯，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于80°C熱退火30分鐘，自然冷卻至室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于所述氧化鈦溶液的溶劑為乙醇，旋涂轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分鐘，成膜后于80°C熱退火20分鐘，自然冷卻至室溫。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于在5X 1(T5帕真空下于陰極修飾層上蒸鍍150nm厚的Al作為陰極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙活性層聚合物太陽能電池的制備方法。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、光活性層、陰極修飾層和陰極層，其中，光活性層為兩層，分別為PBTTT:PCBM和MDMO-PPV:[70]PCBM。本發(fā)明利用PBTTT具有溶解度隨溫度變化的性質(zhì)，采用旋轉(zhuǎn)涂膜方式制成雙層光活性層，可充分吸收太陽光，提高薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明表明，雙光活性層(雙異質(zhì)結(jié))結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池比單光活性層(異質(zhì)結(jié))結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池有明顯的優(yōu)勢。
文檔編號H01L51/48GK103022358SQ20121057646
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者孫清江, 張毅, 張路, 高雷 申請人:東南大學(xué)