一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及其制备方法

摘要

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体公开了一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及其制备方法。所述阴极修饰材料为四乙醇乙酰丙酮钽。在光电活性层上旋涂四乙醇乙酰丙酮钽的溶液，即可得到阴极修饰层。本发明将四乙醇乙酰丙酮钽溶液制成的薄膜作为阴极修饰层引入聚合物太阳能电池中，实现了电子的高效收集；与现有的溶胶凝胶法制备的TiO2和真空蒸镀的LiF相比，本发明具有光电转换效率高、工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合于大规模工业化生产等优点。

权利要求

1.一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料，其特征在于，所述聚合物太阳能电池的阴极为铝，阴极修饰材料为四乙醇乙酰丙酮钽，化学结构为：

2.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，将阴极修饰材料四乙醇乙酰丙酮钽溶液旋涂在光电活性层上，得到阴极修饰层。

3.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述四乙醇乙酰丙酮钽溶液的溶剂为乙醇。

4.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述旋涂的转速为2500-4000rpm。

5.根据权利要求3所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述四乙醇乙酰丙酮钽溶液的溶剂含有体积比10％的乙酸。

6.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述四乙醇乙酰丙酮钽溶液经搅拌3h之后再进行旋涂。

7.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述旋涂的转速为3000rpm。

8.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述旋涂时间为10-60秒。

9.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，所述旋涂时间为30秒。

10.根据权利要求2所述的一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，其特征在于，旋涂后在氮气氛围下静置干燥20min。

说明书

一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 作为一种清洁的可再生能源，太阳能电池的研究和应用在过去的几十年中取得了巨大的发展。聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间组成，具有结构和制备工艺简单、重量轻、造价低廉、容易制备大面积柔性器件等优点，因而受到广泛关注。

[0003] 结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具有代表性的给体和受体光伏材料。通过优化设计合成新型的聚合物给体材料和富勒烯衍生物受体材料以及优化活性层中给受体的微相分离结构，可以使本体异质结聚合物太阳能电池光电转化效率超过10％，接近非晶硅电池的水平。

[0004] 在传统的本体异质结聚合物太阳能电池中，钙、钡等低功函活泼金属常用来作为聚合物太阳能电池的阴极，用以电子的提取和收集。但低功函的金属对水、氧敏感，使用过程中会因为阴极的氧化而使电阻增加，降低阴极对电子的收集和提取能力，从而造成阴极界面的不稳定，最终影响太阳能电池的长期稳定性。因此用低功函空气稳定的阴极修饰层代替活泼金属越来越引起人们的关注。目前常用的LiF修饰层需真空蒸镀，而且有效厚度在1nm左右，操作过程极难控制。而ZnO、TiO2等n型半导体纳米粒子都需要溶胶-凝胶等方法合成，增加了聚合物太阳能电池制备的整体时间。

[0005] 四乙醇乙酰丙酮钽是一种白色粉末状固体，分子量为460.30，分子式为C13H27O6Ta，熔点为140℃，常温常压下稳定。该材料溶于乙醇，对环境无害。本发明首次将四乙醇乙酰丙酮钽用于制作聚合物太阳能电池的阴极修饰层。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料及其制备方法。所采用的技术方案如下：

[0007] 一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料，所述阴极修饰材料为四乙醇乙酰丙酮钽，化学结构为：

[0008]

[0009] 一种聚合物太阳能电池阴极修饰材料的制备方法，将阴极修饰材料四乙醇乙酰丙酮钽溶液旋涂在光电活性层上，得到阴极修饰层。

[0010] 优选地，四乙醇乙酰丙酮钽溶液的溶剂为乙醇。

[0011] 优选地，所述旋涂的转速为2500-4000rpm，更优选3000rpm，旋涂之后不需要进行加热即可得到阴极修饰层。

[0012] 优选地，所述四乙醇乙酰丙酮钽溶液的溶剂含有体积比10％的乙酸。

[0013] 优选地，所述四乙醇乙酰丙酮钽溶液经搅拌3h之后再进行旋涂。

[0014] 优选地，所述旋涂时间为10-60秒，更优选30秒。

[0015] 旋涂后在氮气氛围下静置干燥20min。

[0016] 本发明的有益效果为：将四乙醇乙酰丙酮钽溶液制成的薄膜作为阴极修饰层引入聚合物太阳能电池中，实现了电子的高效收集；与现有的溶胶凝胶法制备的TiO2和真空蒸镀的LiF相比，本发明具有光电转换效率高、工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合于大规模工业化生产等优点。

附图说明

[0017] 图1为聚合物太阳能电池结构示意图。

[0018] 图2为Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC60BM/Al的电流-电压特性曲线。

[0019] 图3为Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC60BM/四乙醇乙酰丙酮钽/Al的电流-电压特性曲线。

[0020] 图4为Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC60BM/四乙醇乙酰丙酮钽(10％乙酸)/Al的电流-电压特性曲线。

[0021] 图5为Glass/ITO/PEDOT:PSS/P141:PC60BM/四乙醇乙酰丙酮钽/Al的电流-电压特性曲线。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0023] 图1所示为聚合物太阳能电池结构示意图，其中，聚合物太阳电池为正向结构式，各标号代表的意思为：1-衬底；2-透明导电金属氧化物阳极层；3-阳极修饰层；4-光电活性层；5-阴极修饰层；6-阴极层；7-负载或测试装置；8-金属导线；9-入射光。

[0024] 所述正向结构聚合物太阳能电池包含依次层叠的衬底1，透明导电金属氧化物阳极层2，阳极修饰层3，光电活性层4，阴极修饰层5，以及低功函阴极层6，电池以金属导线8与负载或测试装置7连接，入射光9从衬底1方向射入。

[0025] 实施例1(对比例)

[0026] 将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗2次，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，150℃烘烤退火15分钟，随即移至氮气氛围下的手套箱中，自然冷却，得到阳极修饰层，厚度为30nm±5nm。然后将20mg/mL的P3HT与PC60BM1：1(质量比)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作阴极。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.57伏，短路电流为9.62毫安每平方厘米，填充因子为0.52，转换效率为2.87％。图2给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。

[0027] 实施例2(正向结构聚合物太阳能电池)

[0028] 将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS，150℃烘烤20分钟，随即移至氮气氛围下的手套箱中，自然冷却，得到阳极修饰层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM1:1(质量比)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。然后将四乙醇乙酰丙酮钽溶于乙醇中，搅拌3h。在2500rpm的转速下旋涂该溶液到光电活性层上，旋涂时间为60秒，在氮气氛围下静置干燥20min，得到阴极修饰层。最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。图3给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.62伏，短路电流为10.26毫安每平方厘米，填充因子为0.65，转换效率为4.11％。

[0029] 实施例3(正向结构聚合物太阳能电池)

[0030] 将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS，150℃烘烤20分钟，随即移至氮气氛围下的手套箱中，自然冷却，得到阳极修饰层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM1:1(质量比)的混合溶液在800rpm的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。然后将四乙醇乙酰丙酮钽溶于乙醇中，体积比10％的乙酸，搅拌3h。在4000rpm的转速下旋涂该溶液到光电活性层上，旋涂时间为10秒，在氮气氛围下静置干燥20min，得到阴极修饰层，最后，在5×10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。图4给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.63伏，短路电流为9.28毫安每平方厘米，填充因子为0.67，转换效率为3.93％。

[0031] 实施例4(正向结构聚合物太阳能电池)

[0032] 将溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS，150℃烘烤20分钟，随即移至氮气氛围下的手套箱中，自然冷却，得到阳极修饰层。将12.5mg/mL的PBDTBDD与PC60BM1:1(质量比)的混合溶液在1200rpm的转速下直接旋涂于上述阳极修饰层上，作为光电活性层。然后将四乙醇乙酰丙酮钽溶于乙醇中，搅拌3h。在3000rpm的转速下旋涂该溶液到光电活性层上，旋涂时间为30秒，旋涂后在氮气氛围下静置干燥20min。到阴极修饰层。最后，在5×
10-5帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。图5给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.89伏，短路电流为12.02毫安每平方厘米，填充因子为0.72，转换效率为7.70％。

[0033] 上述对于示例性实施例进行说明，不应理解为对本发明进行限制。虽然已经公开了多个示例性实施例，本领域技术人员很容易理解示例性实施例中可能的多种变形，而没有从本质上偏离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些变形目的是包含在如权利要求所定义的本发明的范围中。