專利名稱：一種反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物太陽(yáng)電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年興起的有機(jī)和聚合物薄膜太陽(yáng)能電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡(jiǎn)單、可制備成大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)合成新型的聚合物給體材料和富勒烯衍生物受體材料以及優(yōu)化活性層中給受體的微相分離結(jié)構(gòu)，使本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率顯著提高到5-8%，接近非晶硅電池的水平。但是傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)電池因正極接觸的PED0T:PSS會(huì)腐蝕ΙΤ0、低功函的負(fù)極易氧化，致使電池的穩(wěn)定性不佳，不利于器件的穩(wěn)定性和壽命的提高。因此用穩(wěn)定的電子和空穴收集層修飾的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池備受關(guān)注。如圖1，反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池主要包含依次層疊的襯底1，透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層2，電子收集層3，光電活性層4，空穴收集層5以及高功函陽(yáng)極層6等，電池以金屬導(dǎo)線8與負(fù)載或測(cè)試裝置7連接，入射光9從襯底1方向射入。二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦是淡紅色透明液體，其結(jié)構(gòu)如式1所示，相對(duì)分子量或原子量為364.31 ；密度為1.01克/毫升；熔點(diǎn)為10°C ；25°C時(shí)的粘度為10. OmPa · So 該材料溶于異丙醇，也溶于苯、甲苯和氯仿，有水存在時(shí)能水解，水解時(shí)分解出與螯合物無(wú)關(guān)的兩摩爾醇基。在空氣中干燥，則脫水變成不溶性羥基化合物。對(duì)該材料加熱，可變成具有螯合性能的化合物。該材料主要用作涂料、油墨、清漆等的改性劑；固化促進(jìn)劑、表面處理劑的增粘劑等。本發(fā)明首次將其應(yīng)用于反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中。(式 1)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，包括依次層疊的襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、電子收集層、光電活性層、空穴收集層和高功函陽(yáng)極層，其中，所述電子收集層為二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜。在本發(fā)明中，二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的優(yōu)選厚度為10-500A。其中，本發(fā)明太陽(yáng)能電池的襯底可選用玻璃或聚酯薄膜；透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層為In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其復(fù)合多元氧化物；光電活性層為電子給體和電子受體共混膜，其中所述的電子給體材料選自聚(對(duì)亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、 聚(對(duì)亞苯基)類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉類、P卜啉類、酞菁類或者選自由吸電子共軛單元如吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)、噻吩并吡咯二酮(TP)與給電子共軛單元如咔唑(Cz)、芴(F)、苯并二噻吩(BDT)、二噻吩并苯(BDP)偶聯(lián)等組成的共聚物等，電子受體材料選自富勒烯或其衍生物、茈或其衍生物、萘或其衍生物、醌類或者選自III-V 族和II-VI族半導(dǎo)體納米晶等；所述空穴收集層為Mo、V、W、M的氧化物或其復(fù)合多元氧化物；所述高功函陽(yáng)極層為Al、Ag、Au或其復(fù)合電極。上述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池的制備方法，包括如下步驟(1)在襯底上制備透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層；(2)在透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層上旋涂上二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦與溶劑的混合溶液，經(jīng)烘烤，得到電子收集層；(3)在電子收集層上依次制備光電活性層、空穴收集層和高功函陽(yáng)極層，得到所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池。在制備過(guò)程中，主要利用旋涂的轉(zhuǎn)速來(lái)控制二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度，轉(zhuǎn)速優(yōu)選1000-5000rpm。烘烤的溫度可為20_250°C，時(shí)間可為1分鐘到48小時(shí)。步驟O)中，混合溶液中二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦的濃度優(yōu)選2-10mg/mL。所述二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦溶液的溶劑為異丙醇、異辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的任意一種或它們的組合。本發(fā)明的有益效果為電子收集層為二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦為電子收集層材料，將其引入反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中，實(shí)現(xiàn)了電子的高效收集；并且與現(xiàn)有的溶膠凝膠法制備的二氧化鈦相比，本發(fā)明也具有光電轉(zhuǎn)換效率高、工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。本發(fā)明應(yīng)用二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜作為電子收集層，可以有效的實(shí)現(xiàn)電子的收集，在反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。


圖1為反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為ITO/ 二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦/P3HT PCBM/Mo03/A1的電流-電壓特性曲線； 圖3為ITO/ 二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦/P3HT PCBM/Mo03/Ag的電流-電壓特性曲線；圖4為ITO/ 二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦/P9001 :PC7QBM/Mo03/A1的電流-電壓特性曲線；圖中標(biāo)號(hào)1-襯底；2-透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層；3-電子收集層；4-光電活性層；5-空穴收集層；6-高功函陽(yáng)極層；7-負(fù)載或測(cè)試裝置；8-金屬導(dǎo)線；9-入射光。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例1將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，氮?dú)獯蹈桑?000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂3. 75mg/mL的二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦異丙醇溶液，150°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到電子收集層。將20mg/mL的P3HT與PCBM 1 1(質(zhì)量比)的混合溶液在SOOrpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述電子收集層上，作為光電活性層。然后在4X10’a下真空蒸鍍20nm的MoO3，得到空穴收集層。最后，在4X10—4帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。所得的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中，二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度為250A。圖2給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽(yáng)光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽(yáng)光照射下開(kāi)路電壓為0. 57伏，短路電流為11. 27毫安每平方厘米，填充因子為0. 529，轉(zhuǎn)換效率為 3. 40%。實(shí)施例2將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，氮?dú)獯蹈?，?000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂3. 75mg/mL的二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦異丙醇溶液，150°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到電子收集層。將20mg/mL的P3HT與PCBM 1 1(質(zhì)量比)的混合溶液在1500rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述電子收集層上，作為光電活性層。然后在4X10’a下真空蒸鍍20nm的MoO3，得到空穴收集層。最后，在4X10—4帕下真空蒸鍍50nm的銀作電極。所得的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中，二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度為250A。圖3給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽(yáng)光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽(yáng)光照射下開(kāi)路電壓為0. 56伏，短路電流為12. 20毫安每平方厘米，填充因子為0. 534，轉(zhuǎn)換效率為 3. 65%。實(shí)施例3將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，氮?dú)獯蹈桑?000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂3. 75mg/mL的二異丙氧基雙(乙酰丙酮) 合鈦異丙醇溶液，150°C烘烤10分鐘，自然冷卻，得到電子收集層。將12. 5mg/mL的P9001 與PC7tlBM 1 1.5(質(zhì)量比)的混合溶液中加入3%的添加劑二碘辛烷，然后將該溶液在 1500rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述電子收集層上，作為光電活性層。然后在4X 10_4Pa下真空蒸鍍Mnm的MoO3，得到空穴收集層。最后，在4X 10_4帕下真空蒸鍍IOOnm的鋁作電極。所得的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中，二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度為250A。圖 4給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽(yáng)光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽(yáng)光照射下開(kāi)路電壓為0. 69伏，短路電流為17. 25毫安每平方厘米，填充因子為0. 589，轉(zhuǎn)換效率為7. 01%。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，包括依次層疊的襯底(1)、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層O)、電子收集層(3)、光電活性層G)、空穴收集層( 和高功函陽(yáng)極層(6)，其特征在于所述電子收集層為二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，其特征在于所述二異丙氧基雙 (乙酰丙酮)合鈦膜的厚度為10-500A。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，其特征在于所述襯底選用玻璃或聚酯薄膜；所述透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層為In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其復(fù)合多元氧化物；所述光電活性層為電子給體和電子受體共混膜；所述空穴收集層為Mo、V、W、M的氧化物或其復(fù)合多元氧化物；所述高功函陽(yáng)極層為Al、Ag、Au或其復(fù)合電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，其特征在于所述光電活性層中， 電子給體材料選自聚(對(duì)亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、聚(對(duì)亞苯基) 類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉類、嚇啉類、酞菁類或者選自由吸電子共軛單元與給電子共軛單元偶聯(lián)組成的共聚物，電子受體材料選自富勒烯或其衍生物、茈或其衍生物、 萘或其衍生物、醌類或者選自III-V族和II-VI族半導(dǎo)體納米晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，其特征在于所述吸電子共軛單元為吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)或者噻吩并吡咯二酮(TP)，所述給電子共軛單元為咔唑(Cz)、芴(F)、苯并二噻吩(BDT)或者二噻吩并苯(BDP)。
6.權(quán)利要求1至5所述的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池的制備方法，包括如下步驟(1)在襯底上制備透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層；(2)在透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層上旋涂上二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦與溶劑的混合溶液，經(jīng)烘烤，得到電子收集層；(3)在電子收集層上依次制備光電活性層、空穴收集層和高功函陽(yáng)極層，得到所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在制備過(guò)程中，利用旋涂的轉(zhuǎn)速來(lái)控制二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度，轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于烘烤的溫度為20-250°C，時(shí)間為1分鐘到 48小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于步驟O)中，混合溶液中二異丙氧基雙 (乙酰丙酮)合鈦的濃度為2-10mg/mL。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦溶液的溶劑為異丙醇、異辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的任意一種或它們的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于聚合物太陽(yáng)電池技術(shù)領(lǐng)域的一種反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池，包括依次層疊的襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、電子收集層、光電活性層、空穴收集層和高功函陽(yáng)極層，其中，所述電子收集層為二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜?？刹捎眯糠ㄖ苽潆娮邮占瘜樱瑢⑵湟敕聪蚪Y(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池中，實(shí)現(xiàn)了電子的高效收集；并且與現(xiàn)有的溶膠凝膠法制備的二氧化鈦相比，本發(fā)明也具有光電轉(zhuǎn)換效率高、工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L51/46GK102201539SQ20111010171
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者張文慶, 譚占鰲, 錢德平 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)