專利名稱：一種聚合物太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學領域，尤其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象，引起了人們的極大興趣，而在1995年，Yu等用MEH-PPV與C60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/cm2 430nm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。目前常用的結構為ΙΤ0陽極/空穴緩沖層/活性層/電子緩沖層/陰極。這種結構由于陰極一般采用低功函的活潑金屬；因此，容易與大氣中的氧氣發(fā)生反應，不利于電池的穩(wěn)定性，給應用帶來了很大的制約。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定性好、能量轉換率高的聚合物太陽能電池。本發(fā)明的技術方案如下一種聚合物太陽能電池，該電池為層狀結構，且該層狀結構依次為陽極基底、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層、陰極層、保護層、鈍化層，即該電池的結構為陽極基底/空穴緩沖層/活性層/電子緩沖層/陰極層/保護層/鈍化層。該聚合物太陽能電池中，各功能層所用材質如下，導電陽極基底為銦錫氧化物玻璃(ITO)、摻銦氧化鋅玻璃(IZO)、摻氟氧化錫玻璃(FTO)或摻鋁氧化鋅玻璃(AZO)中的任一種；空穴緩沖層的材料為聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物；活性層的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基_5_(3，7. 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-C -乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐](MEH-PPV)分別與富勒烯丁酸甲酯衍生物(PCBM)混合后形成混合物中的任一種；即P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM 混合物中的任一種；電子緩沖層的材料為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2C03)、碳酸銫(Cs2C03)、氮化銫(CsN3)或氟化銫(CsF)中的任一種；陰極層的材料為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)中的任一種金屬；保護層的材料為并五苯、C60或C7tl (即60或70個碳原子的有機物)的任一種；
鈍化層的材料為A1203、SiO2, SiO、SiCl4或Si3N4中的任一種。本發(fā)明的另一目的在于提供上述聚合物太陽能電池的制備方法，其工藝步驟如下SI、將陽極基底依次在洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇中超聲清洗，去除表面的有機污染物，清洗干凈后對其進行氧等離子處理，氧等離子處理時間為5-15min，功率為 10-50W ；S2、在陽極基底的陽極表面旋涂厚度為20_80nm的空穴緩沖層，干燥后再在空穴緩沖層表面旋涂厚度為O. 5-10nm的活性層，然后干燥處理；S3、在活性層表面蒸鍍厚度為O. 5-10nm的電子緩沖層；完后接著蒸鍍厚度為80-200nm的陰極層；隨后再在陰極層表面蒸鍍厚度為I-IOnm的保護層；S4、利用濺射工藝，在保護層表面濺鍍厚度為50_200nm的鈍化層，最后得到聚合物太陽能電池。本發(fā)明的聚合物太陽能電池，通過在陰極層上面制備一層鈍化層，使陰極并沒有暴露在空氣中，提高了器件的穩(wěn)定性，而鈍化層的材料可以起到高反射的作用，使一部分會穿透陰極的光到達鈍化層而發(fā)生反射，使活性層可以捕獲更多的太陽能，最終提高器件的穩(wěn)定性和能量轉換效率。


圖I為本發(fā)明聚合物太陽能電池結構示意圖；圖2為本發(fā)明聚合物太陽能電池的制備工藝流程圖；圖3為實施例I的聚合物太陽能電池ΙΤ0基底/PEDOT :PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag/并五苯/Si3N4與對比電池ITO基底/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM/LiF/Ag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)明的一種聚合物太陽能電池，如圖I所示，該電池為層狀結構，且該層狀結構依次為陽極基底11、空穴緩沖層12、活性層13、電子緩沖層14、陰極層15、保護層16、鈍化層17，即該電池的結構為陽極基底11/空穴緩沖層12/活性層13/電子緩沖層14/陰極層15/保護層16/鈍化層17。該聚合物太陽能電池中，各功能層所用材質如下，
導電陽極基底為銦錫氧化物玻璃(ITO)、摻銦氧化鋅玻璃(IZO)、摻氟氧化錫玻璃(FTO)或摻鋁氧化鋅玻璃(AZO)中的任一種；空穴緩沖層的材料為聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物；活性層的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基_5_(3，7. 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯](MDMO-PPV)或聚[2-甲氧基-5-C -乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐](MEH-PPV)分別與富勒烯丁酸甲酯衍生物(PCBM)混合后形成體系中的任一種；即P3HT: PCBM、MDMO-PPV: PCBM 或者 MEH-PPV: PCBM 混合物中的任一種。電子緩沖層的材料為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2C03)、碳酸銫(Cs2C03)、氮化銫(CsN3)或氟化銫(CsF)中的任一種；陰極層的材料為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)中的任一種金屬； 保護層的材料為并五苯、60個碳原子的有機物(C6tl)或70個碳原子的有機物(C7tl)中的任一種；鈍化層的材料為A1203、SiO2, SiO、SiCl4或Si3N4中的任一種；上述聚合物太陽能電池的制備方法，如圖2所示，其工藝步驟如下
SI、將陽極基底依次在洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇中超聲清洗，去除表面的有機污染物，清洗干凈后對其進行氧等離子處理，氧等離子處理時間為5-15min，功率為 10-50W ；S2、在陽極基底的陽極表面旋涂厚度為20_80nm的空穴緩沖層，干燥后再在空穴緩沖層表面旋涂厚度為O. 5-10nm的活性層，然后干燥處理；S3、在活性層表面蒸鍍厚度為O. 5-10nm的電子緩沖層；完后接著蒸鍍厚度為80-200nm的陰極層；隨后再在陰極層表面蒸鍍厚度為I-IOnm的保護層；S4、利用濺射工藝，在保護層表面濺鍍厚度為50_200nm的鈍化層，最后得到聚合物太陽能電池。上述制備方法的步驟S2中，活性層的材料為溶液體系，其溶劑為甲苯、二甲苯、氯苯或氯仿中的一種或兩種混合溶劑。每種體系的總濃度控制在8-30mg/ml，而P3HT PCBM的質量比控制在O. 8 1-1 I的范圍；MDMO-PPV PCBM或者MEH-PPV PCBM的質量比控制在I : 1-1 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)選總濃度為24mg/ml的P3HT PCBM氯苯溶液體系，優(yōu)選P3HT PCBM的質量比為I : 1，優(yōu)選100°C下退火15min,厚度為 lOOnm。上述制備方法的步驟S2中，空穴緩沖層采用重量比為2 1-6 I的PEDOT PSS水溶液，質量百分比為l_5wt%，空穴緩沖層旋涂結束后，在100-200°C下加熱15-60min，厚度控制在20-80nm ;優(yōu)選PEDOT PSS重量比為6 1，質量百分比為I. 3wt %的PEDOT PSS水溶液，優(yōu)選200°C下加熱30min，優(yōu)選厚度為40nm。本發(fā)明的聚合物太陽能電池，通過在陰極層上面制備一層鈍化層，使陰極并沒有暴露在空氣中，提高了器件的穩(wěn)定性，而鈍化層的材料可以起到高反射的作用，使一部分會穿透陰極的光到達鈍化層而發(fā)生反射，使活性層可以捕獲更多的太陽能，最終提高器件的穩(wěn)定性和能量轉換效率。
下面對本發(fā)明的較佳實施例作進一步詳細說明。實施例I本實施例中聚合物太陽能電池的結構為ITO 基底 /PEDOT: PSS/P3HT: PCBM/LiF/Ag/ 并五苯 /Si3N4。該聚合物太陽能電池的制備工藝如下I、將ITO基底依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，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，清洗干凈后對ITO基底的ITO層于功率為IOW條件下氧等離子表面處理5min ；2、將 PEDOT PSS 水溶液(其中，PEDOT PSS 重量比為 6 I ;PED0T 與 PSS 的 總質量百分比為I. 3wt% )通過旋涂的方式制備在ITO基底的ITO層表面；旋涂后在200°C下加熱30min，制得厚度為60nm的空穴緩沖層；3、將P3HT PCBM氯苯溶液體系旋涂在空穴緩沖層表面，旋涂完后，在100°C下退火15min，制得厚度為IOOnm的活性層；其中，P3HT PCBM氯苯溶液體系中，溶劑為氯苯，P3HT與PCBM的總濃度為24mg/ml, P3HT PCBM的質量比為1:1;4、通過蒸鍍工藝，在活性層表面蒸鍍電子緩沖層，材料為LiF，厚度為O. 7nm ；5、在活性層表面蒸鍍陰極層，材料為Ag，厚度為150nm ；6、在陰極層表面蒸鍍保護層，材料為并五苯，厚度為2nm ；7、最后，通過濺射工藝，在保護層表面濺鍍鈍化層，材料為Si3N4,厚度為150nm ；8、上述制備工藝完成后，得到所需的聚合物太陽能電池。附圖3是實施例I的制備聚合物太陽能電池(結構為ITO基底/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag/并五苯/Si3N4)與對比電池(結構為ITO基底/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Ag)的電流密度與電壓關系；其中，曲線I為實施例I的曲線，曲線2為對比例的曲線。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，測試工藝為用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，對比太陽能電池的效率為O. 98 %，而實施例I中加入保護層和鈍化層的太陽能電池的效率為1.40% ;這說明，采用了本發(fā)明的結構后，陰極得到了保護，同時，并沒有被制備鈍化層的濺射工藝所破壞，加強了太陽能電池的穩(wěn)定性，最終使太陽能電池的能量轉換效率得到了增強。表I :實施例I和對比例的光電流測試數據表I
電流密度(mA cm—2)電壓(V)~ 效率(％ ) 填充因子
~曲線 I &AAαΤ 1740032
~曲線 2 4 22065098035實施例2本實施例中聚合物太陽能電池的結構為
IZO 基底 /PEDOT :PSS/P3HT:PCBM/Li2C03/Al/C6(l/Al203。該聚合物太陽能電池的制備工藝如下I、將IZO基底依 次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，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，清洗干凈后對IZO基底的IZO層于功率為IOW條件下氧等離子表面處理5min ；2、將 PEDOT PSS 水溶液(其中，PEDOT PSS 重量比為 2 I ;PED0T 與 PSS 的總質量百分比為5wt% )通過旋涂的方式制備在IZO基底的IZO層表面；旋涂后在200°C下加熱30min，制得厚度為20nm的空穴緩沖層；3、將P3HT PCBM氯苯/甲苯溶液體系旋涂在空穴緩沖層表面，旋涂完后，在200°C下退火5min，制得厚度為80nm的活性層；其中，為P3HT PCBM氯苯/甲苯溶液體系中，溶劑為氯苯/甲苯混合溶劑，P3HT與PCBM的總濃度為30mg/ml，P3HT PCBM的質量比為 I : O. 8 ;4、通過蒸鍍工藝，在活性層表面蒸鍍電子緩沖層，材料為Li2CO3，厚度為O. 5nm ；5、在活性層表面蒸鍍陰極層，材料為Al，厚度為200nm ；6、在陰極層表面蒸鍍保護層，材料為C6tl，厚度為Inm ；7、最后，通過濺射工藝，在保護層表面濺鍍鈍化層，材料為Al2O3,厚度為200nm ；8、上述制備工藝完成后，得到所需的聚合物太陽能電池。實施例3本實施例中聚合物太陽能電池的結構為AZO 基底 /PEDOT: PSS/MEH-PPV: PCBM/Cs2C03/Au/C7(l/Si02。該聚合物太陽能電池的制備工藝如下I、將IZO基底依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，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，清洗干凈后對IZO基底的IZO層于功率為IOW條件下氧等離子表面處理5min ；2、將 PEDOT PSS 水溶液(其中，PEDOT PSS 重量比為 2 I ;PED0T 與 PSS 的總質量百分比為lwt% )通過旋涂的方式制備在IZO基底的IZO層表面；旋涂后在200°C下加熱30min，制得厚度為80nm的空穴緩沖層；3、將MEH-PPV PCBM氯仿溶液體系旋涂在空穴緩沖層表面，旋涂完后，在200°C下退火15min，制得厚度為140nm的活性層；其中，為MEH-PPV PCBM氯仿溶液體系中，溶劑為氯仿，MEH-PPV與PCBM的總濃度為8mg/ml，MEH-PPV PCBM的質量比為I 4 ；4、通過蒸鍍工藝，在活性層表面蒸鍍電子緩沖層，材料為Cs2CO3，厚度為IOnm ；5、在活性層表面蒸鍍陰極層，材料為Au，厚度為80nm ；6、在陰極層表面蒸鍍保護層，材料為C7tl，厚度為Inm ；7、最后，通過濺射工藝，在保護層表面濺鍍鈍化層，材料為SiO2,厚度為50nm ；8、上述制備工藝完成后，得到所需的聚合物太陽能電池。實施例4本實施例中聚合物太陽能電池的結構為FTO 基底 /PEDOT: PSS/MEH-PPV: PCBM/CsF/Au/C70/SiO。該聚合物太陽能電池的制備工藝如下
I、將FTO基底依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，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，清洗干凈后對FTO基底的FTO層于功率為IOW條件下氧等離子表面處理5min ；2、將 PEDOT PSS 水溶液(其中，PEDOT PSS 重量比為 2 I ;PED0T 與 PSS 的總質量百分比為3wt%)通過旋涂的方式制備在FTO基底的FTO層表面；旋涂后在200°C下加熱30min，制得厚度為40nm的空穴緩沖層；3、將MDMO-PPV PCBM甲苯溶液體系旋涂在空穴緩沖層表面，旋涂完后，在200°C下退火15min，制得厚度為140nm的活性層；其中，為MDMO-PPV PCBM甲苯溶液體系中，溶劑為甲苯，MDMO-PPV與PCBM的總濃度為8mg/ml，MDMO-PPV PCBM的質量比為I : 4;4、通過蒸鍍工藝，在活性層表面蒸鍍電子緩沖層，材料為CsF，厚度為2nm ；5、在活性層表面蒸鍍陰極層，材料為Pt，厚度為120nm ；
6、在陰極層表面蒸鍍保護層，材料為C7tl，厚度為IOnm ；7、最后，通過濺射工藝，在保護層表面濺鍍鈍化層，材料為SiO，厚度為150nm ；8、上述制備工藝完成后，得到所需的聚合物太陽能電池。實施例5本實施例中聚合物太陽能電池的結構為ITO 基底 /PEDOT :PSS/P3HT:PCBM/CsN3/Pt/C6(l/SiCl4。該聚合物太陽能電池的制備工藝如下I、將ITO基底依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，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，清洗干凈后對ITO基底的ITO層于功率為IOW條件下氧等離子表面處理5min ；2、將 PEDOT PSS 水溶液(其中，PEDOT PSS 重量比為 2 I ;PED0T 與 PSS 的總質量百分比為3wt% )通過旋涂的方式制備在ITO基底的ITO層表面；旋涂后在200°C下加熱30min，制得厚度為40nm的空穴緩沖層；3、將P3HT PCBM二甲苯溶液體系旋涂在空穴緩沖層表面，旋涂完后，在50°C下退火lOOmin，制得厚度為120nm的活性層；其中，為P3HT PCBM 二甲苯溶液體系中，溶劑為二甲苯，P3HT與PCBM的總濃度為20mg/ml，P3HT PCBM的質量比為I 2 ；4、通過蒸鍍工藝，在活性層表面蒸鍍電子緩沖層，材料為CsN3，厚度為5nm ；5、在活性層表面蒸鍍陰極層，材料為Pt，厚度為150nm ；6、在陰極層表面蒸鍍保護層，材料為C6tl，厚度為IOnm ；7、最后，通過濺射工藝，在保護層表面濺鍍鈍化層，材料為SiCl4，厚度為120nm ；8、上述制備工藝完成后，得到所需的聚合物太陽能電池。應當理解的是，上述針對本發(fā)明較佳實施例的表述較為詳細，并不能因此而認為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本發(fā)明的專利保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種聚合物太陽能電池，該電池為層狀結構，其特征在于，該層狀結構依次為陽極基底、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層、陰極層、保護層、鈍化層。
2.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述陽極基底為銦錫氧化物玻璃、摻銦氧化鋅玻璃、摻氟氧化錫玻璃或摻鋁氧化鋅玻璃中的任一種。
3.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鈉的混合物。
4.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩、聚[2-甲氧基-5-(3，7. 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯]或聚[2-甲氧基-5-(2'-乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐]分別與富勒烯丁酸甲酯衍生物形成混合物中的任一種。
5.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述電子緩沖層的材料為氟化鋰、碳酸鋰、碳酸銫、氮化銫或氟化銫中的任一種。
6.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述陰極層的材料為鋁、銀、金或鉬中的任一種金屬。
7.根據權利要求I所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述保護層的材料為并五苯、C6tl或C7tl中的任一種。
8.根據權利要求6所述的聚合物太陽能電池，其特征在于，所述鈍化層的材料為A1203、Si02、Si0、SiCl4 或 Si3N4 中的任一種。
9.一種如權利要求I至8任一所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟 51、對陽極基底表面進行清洗處理、干燥后備用； 52、在陽極基底的陽極層表面旋涂空穴緩沖層，干燥后再在該空穴緩沖層表面旋涂活性層，隨后干燥處理； 53、在干燥的活性層表面蒸鍍陰極層，干燥后再在陰極層表面蒸鍍電子緩沖層，完后接著蒸鍍陰極層；隨后再在陰極層表面蒸鍍保護層； 54、采用濺射工藝，在保護層表面濺鍍鈍化層，最后制得所述聚合物太陽能電池。
10.根據權利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中的清洗處理包括 S11、將陽極基底依次在洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇中超聲清洗； S12、在陽極基底的陽極表面進行氧等離子處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于電化學領域，其公開了一種聚合物太陽能電池，該電池為層狀結構，該層狀結構依次為陽極基底、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層、陰極層、保護層、鈍化層。本發(fā)明的聚合物太陽能電池，通過在陰極層上面制備一層鈍化層，使陰極并沒有暴露在空氣中，提高了器件的穩(wěn)定性，而鈍化層的材料可以起到高反射的作用，使一部分會穿透陰極的光到達鈍化層而發(fā)生反射，使活性層可以捕獲更多的太陽能，最終提高器件的穩(wěn)定性和能量轉換效率。
文檔編號H01L51/42GK102810641SQ20111014300
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權日2011年5月30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