一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其溶液加工制備方法。該太陽(yáng)電池包括依次層疊的襯底、陽(yáng)極、陽(yáng)極界面層、光活性層、陰極界面層和陰極；所述的光活性層的材料為可溶于溶劑具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料，且可通過添加聚合物添加劑提高性能。本發(fā)明提供了一種光活性層采用可溶液加工的鈣鈦礦有機(jī)-無機(jī)雜化材料，陽(yáng)極界面層和陰極界面層采用有機(jī)材料溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池器件。該方法有效改善電池器件加工中的能耗以及大面積生產(chǎn)問題，獲得較高的效率；克服了現(xiàn)有技術(shù)需高溫加工無機(jī)材料的不足，及有機(jī)太陽(yáng)電池中材料成本高的缺點(diǎn)?？勺鳛橐环N新型的材料和方法在太陽(yáng)電池中應(yīng)用。
【專利說明】一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其溶液加工制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球?qū)τ谀茉葱枨蟮闹鹉暝黾?，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的日益枯竭，以及對(duì)保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的需要，全世界越來越多的科學(xué)家將研究集中在氫氣、太陽(yáng)能等取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。
[0003]已經(jīng)成熟的無機(jī)硅、砷化鎵、磷化銦等基于無機(jī)材料的太陽(yáng)電池已經(jīng)在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位,然而由于其對(duì)于材料純度的要求高,加工過程中會(huì)產(chǎn)生高能耗及污染等問題，且其價(jià)格非常昂貴，因此在追求低成本和綠色環(huán)保的今天，其大規(guī)模應(yīng)用受到了限制。
[0004]染料敏化太陽(yáng)電池在上世紀(jì)90年代初取得了 12%的高效率后，其應(yīng)用一直受到封裝問題的阻礙。近年來開發(fā)的固體電解質(zhì)以及摻雜的聚合物空穴材料可以很好的解決染料敏化電池的封裝問題，但是其效率也有所降低。另外，染料敏化太陽(yáng)電池在加工過程中需要高溫處理TiO2的前驅(qū)體，將其轉(zhuǎn)化成TiO2的無機(jī)半導(dǎo)體。這兩點(diǎn)是染料敏化太陽(yáng)電池商業(yè)化進(jìn)程中的主要障礙。
[0005]具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化半導(dǎo)體材料在上世紀(jì)開始逐漸被人們所關(guān)注，其具備遷移率高，吸收好，以及可采用多種方式加工的優(yōu)點(diǎn)。早期的研究者注重其遷移率高等特征，制備了相關(guān)的晶體管等器件。而在近幾年，隨著研究的逐漸深入，逐漸有學(xué)者開始利用I丐鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化材料制備染料敏化電池。2009年,Tsutomu Miyasaka研究組首次將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化材料作為光活性層制備染料敏化太陽(yáng)電池。其效率達(dá)到了 3.81% (J.Am.Chem.Soc.2009, 131,6050)。
[0006]染料敏化太陽(yáng)電池制備過程中需要高溫將TiO2的前驅(qū)體轉(zhuǎn)化成無機(jī)半導(dǎo)體，并且高效的電池器件需要采用蒸鍍的方法來制備活性層，制備工藝較為復(fù)雜。相比之下，有機(jī)太陽(yáng)電池可以采用低溫全溶液加工方法，這一點(diǎn)不僅可以使得生產(chǎn)能耗大幅降低，還能實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)。除此之外，有機(jī)太陽(yáng)電池還可制備柔性器件，質(zhì)量輕便，可滿足不同的需要。目前其最高效率已超過10% (Nat.Commun.2013, 4，1446)。但，有機(jī)太陽(yáng)電池材料生產(chǎn)成本高，難以工業(yè)化批產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中無機(jī)材料需高溫加工的缺點(diǎn)與有機(jī)材料成本高的不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。該太陽(yáng)電池光活性層由溶液加工法制備得到，具有高性能的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的低溫溶液加工，且光活性層中聚合物添加劑的加入，極大的提高了太陽(yáng)電池的開路電壓及器件性能。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的溶液加工制備方法。[0009]本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，包括依次層疊的襯底、陽(yáng)極、陽(yáng)極界面層、光活性層、陰極界面層和陰極。
[0011]所述的光活性層的材料為可溶于溶劑具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料。
[0012]所述的光活性層為化合物A和化合物B摩爾比為1:1~10:1的共混物。
[0013]所述化合物A為含鹵素的有機(jī)鹽或無機(jī)鹽，優(yōu)選為以下化合物中的至少一種=CH3NH3I > CH3NH3Br、CH3NH3CU CH3CH2NH3I' CH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3CU CH3CH2CH2NH3I'CH3CH2CH2NH3Br, CH3CH2CH2NH3CU Cs1、CsBr, CsCl、CH(NH2)2I, CH(NH2)2Br, CH(NH2)2CUCH3CH (NH2)2I, CH3CH (NH2) 2Br、CH3CH (NH2) 2C1。
[0014]所述的化合物B為含鹵素的金屬無機(jī)鹽，優(yōu)選為以下化合物中的至少一種:PbI2、PbBr2λ PbCl2、Snl2、SnBr2Λ SnCl2、Gel2、GeBr2Λ GeCl20
[0015]本發(fā)明還提供一種所述光活性層的溶液加工方法，具體如下:把化合物A和化合物B按比例混合，溶于有機(jī)溶劑，加熱反應(yīng)后，涂覆在陽(yáng)極界面層形成光活性層。
[0016]所述的有機(jī)溶劑優(yōu)選為環(huán)己酮、環(huán)戊酮、Y-丁內(nèi)酯、δ-戊內(nèi)酯、Υ-戊內(nèi)酯、ε-己內(nèi)酯、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜和N-甲基吡咯烷酮中的至少一種。
[0017]所述的加熱反應(yīng)優(yōu)選在60°C下反應(yīng)12h。
[0018]所述涂覆的方法可為旋凃、刷涂、噴涂、浸凃、輥凃、絲網(wǎng)印刷、印刷或噴墨打印方式。
[0019]本發(fā)明的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池中的光活性層為高性能的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且可通過溶液法制備得到，可獲得高效的太陽(yáng)電池。
[0020]為了更好地提高本發(fā)明的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的開路電壓及器件性能，光活性層中可加入一系列聚合物添加劑。
[0021]所述的聚合物添加劑為可溶于有機(jī)溶劑中的具有線性結(jié)構(gòu)或者支化結(jié)構(gòu)的聚合物。
[0022]優(yōu)選地，所述的聚合物添加劑具有式(I )~(VI)所示結(jié)構(gòu)中的至少一種:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于包括依次層疊的襯底、陽(yáng)極、陽(yáng)極界面層、光活性層、陰極界面層和陰極； 所述的光活性層的材料為可溶于溶劑具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述的光活性層為化合物A和化合物B摩爾比為1:1~10:1的共混物；所述化合物A為含鹵素的有機(jī)鹽或無機(jī)鹽；所述的化合物B為含鹵素的金屬無機(jī)鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述化合物A為以下 化合物中的至少一種:CH3NH31、CH3NH3Br, CH3NH3Cl, CH3CH2NH3KCH3CH2NH3Br、CH3CH2NH3Cl, CH3CH2CH2NH31、CH3CH2CH2NH3Br、CH3CH2CH2NH3Cl, Cs1、CsBr、CsCl、CH (NH2)2I, CH (NH2) 2Br、CH (NH2) 2C1、CH3CH (NH2) 21、CH3CH (NH2) 2Br、CH3CH (NH2) 2C1 ;所述化合物B 為以下化合物中的至少一種:PbI2、PbBr2, PbCl2, SnI2, SnBr2, SnCl2, GeI2, GeBr2, GeCl20
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述光活性層由溶液加工方法得到，具體如下:把化合物A和化合物B按比例混合，溶于有機(jī)溶劑，加熱反應(yīng)后，涂覆在陽(yáng)極界面層形成光活性層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述的有機(jī)溶劑為環(huán)己酮、環(huán)戊酮、Y-丁內(nèi)酯、S-戊內(nèi)酯、Y-戊內(nèi)酯、ε-己內(nèi)酯、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜和N-甲基吡咯烷酮中的至少一種；所述的加熱反應(yīng)在60°C下反應(yīng)12h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述的光活性層中含有一系列聚合物添加劑；所述的聚合物添加劑為可溶于有機(jī)溶劑中的具有線性結(jié)構(gòu)或者支化結(jié)構(gòu)的聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所用聚合物添加劑的量為化合物A與化合物B質(zhì)量和的0.5~10%。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述的聚合物添加劑具有式(I )~(VI)所示結(jié)構(gòu)中的至少一種:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述的陰極界面層為碳60及其衍生物、碳70及其衍生物、共軛聚合物、無機(jī)半導(dǎo)體納米、石墨烯及其衍生物中的至少一種；所述的陰極材料為鋁、銀、金、鈣/鋁合金或鈣/銀合金；所述的陽(yáng)極界面層為有機(jī)共軛聚合物或無機(jī)半導(dǎo)體；所述陽(yáng)極為金屬、金屬氧化物和石墨烯及其衍生物中的至少一種；所述的襯底為玻璃、柔性材料、金屬、合金和不銹鋼薄膜中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶液加工的有機(jī)-無機(jī)平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)在涂覆在襯底上的陽(yáng)極表面旋涂上一層陽(yáng)極界面層； (2)在陽(yáng)極界面層上使用溶液加工法涂覆一層光活性層； (3)在光活性層上采用溶液加工法涂覆一層陰極界面層； (4)在陰極界面層上蒸鍍一層金屬層，作為陰極。
【文檔編號(hào)】H01L51/48GK103956431SQ201410181380
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】葉軒立, 黃飛, 胡志誠(chéng), 薛啟帆, 孫辰, 曹鏞 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)