一種倒置聚合物太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種倒置聚合物太陽能電池，依次包括陰極、電子緩沖層、活性層、空穴緩沖層和陽極，所述空穴緩沖層的材質為酞菁類小分子，所述酞菁類小分子為酞菁銅、酞菁鋅、酞菁釩或酞菁鎂。本發明還公開了該倒置聚合物太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：（1）提供所需尺寸的陰極；（2）蒸鍍電子緩沖層，然后旋涂活性層；（3）將酞菁類小分子溶液旋涂在活性層上，烘干形成空穴緩沖層；（4）蒸鍍陽極，得到倒置聚合物太陽能電池。本發明采用倒置結構，以酞菁類小分子作為空穴緩沖層，利用酞菁類小分子形成晶體的散射與反射作用，使太陽光回到活性層再度被利用，從而改善了太陽能電池的光電轉換效率。
【專利說明】一種倒置聚合物太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池領域，尤其涉及一種具有倒置結構的聚合物太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]聚合物太陽能電池是繼無機半導體太陽能電池之后光伏發電領域的另一新發現。與傳統的無機硅太陽能電池相比，聚合物太陽能電池柔韌性好，可卷曲折疊，而且制作工藝簡單，原料易得，成本低，制備過程中也不會產生有毒物質，因而近年來受到了廣泛的關注。
[0003]現有聚合物太陽能電池的結構一般為:玻璃襯底/陽極/空穴緩沖層/活性層/電子緩沖層/陰極，當光線從底部射入后，穿過玻璃襯底、陽極與空穴緩沖層，到達活性層后，被活性層上的光敏物質吸收利用，產生電子-空穴對，電子與空穴分離后，電子通過電子緩沖層進入陰極，而空穴則通過空穴緩沖層進入陽極，陽極與陰極接通后即產生電流。目前聚合物有機太陽能電池一般結構為玻璃襯底/IT0/PED0T: PSS/P3HT: PCBM/LiF/Al，由于聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)會對ITO表面產生腐蝕作用，造成了表面缺陷增多，電池的串聯電阻增力口，導致太陽能電池的轉換效率低下，因而近年來又出現了倒置結構的聚合物太陽能電池，其結構為玻璃襯底/陰極/電子緩沖層/活性層/空穴緩沖層/陽極，因此避免了聚苯乙烯磺酸鈉對ITO表面的腐蝕，保證了太陽能電池的轉換效率。
[0004]太陽能電池對太陽光的利用是影響能量轉換效率的一個重要的因素，其中活性層是太陽能電池中吸收利用太陽光的主要結構，然而由于目前的倒置聚合物太陽能電池大多以聚3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯復合材料(P3HT/PCBM)作為活性層的材質，其對太陽光的利用能力不高，導致目前市面上的倒置聚合物太陽能電池的能量轉換效率相對較小。因此非常有必要改善太陽能電池的結構，進一步提高太陽能電池的轉換效率。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于克服現有倒置聚合物太陽能電池對太陽光利用率低的技術缺陷，提供一種倒置聚合物太陽能電池，該倒置聚合物太陽能電池采用酞菁類小分子作為空穴緩沖層的材質，利用酞菁類小分子的散射與反射作用使透過活性層的太陽光反射回活性層中，再度被利用，進而提高太陽能電池的轉換效率。本發明還提供了該倒置聚合物太陽能電池的制備方法。
[0006]本發明是通過以下技術方案來實現的:
[0007]第一方面，本發明提供了一種倒置聚合物太陽能電池，依次包括陰極、電子緩沖層、活性層、空穴緩沖層和陽極，所述空穴緩沖層的材質為酞菁類小分子，所述酞菁類小分子為酞菁銅、酞菁鋅、酞菁釩或酞菁鎂。
[0008]優選地，所述陰極為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟氧化錫玻璃(FT0)、摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0009]優選地，所述電子緩沖層為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)或碳酸銫(Cs2CO3X更優選地，所述電子緩沖層為碳酸銫(Cs2C03)。
[0010]優選地，所述電子緩沖層的厚度為0.5-10nm。更優選地，所述電子緩沖層的厚度2nm。
[0011]優選地，所述活性層的材質為聚3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61- 丁酸甲酯形成的復合材料(P3HT/PCBM)。更優選地，所述活性層材質中，所述聚3-己基噻吩與[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯的質量比為1:0.8-4。更優選地，所述活性層材質中，所述聚3-己基噻吩與[6，6]-苯基461-丁酸甲酯的質量比為1:0.8。
[0012]優選地，所述活性層的厚度為80-300nm。更優選地，所述活性層的厚度為200nm。
[0013]優選地，所述空穴緩沖層的厚度為20_100nm。更優選地，所述空穴緩沖層的厚度為50_100nm。
[0014]優選地，所述陽極為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)。更優選地，所述陽極為鋁(Al)。
[0015]優選地,所述陽極的厚度為80-200nm。更優選地,所述陽極的厚度為150nm。
[0016]本發明所述的倒置聚合物太陽能電池，以酞菁類小分子作為空穴緩沖層，由于酞菁類小分子的HOMO能級在-5.4eV左右，適合空穴的注入與傳輸，因此提高了空穴緩沖層對空穴的傳輸能力；另外，酞菁類小分子比較容易結晶形成晶體結構，而晶體結構對光有一定的散射作用，當采用倒置結構的時候，太陽光入射之后經過活性層，一部分被活性層利用，另一部分透過活性層到達空穴緩沖層，此時，酞菁類小分子形成的晶體就會使光線進行散射，進一步集中了光強，同時還可以通過散射和反射，使太陽光回到活性層，再度被活性層吸收利用，從而改善了太陽能電池的光電轉換效率。
[0017]第二方面，本發明提供了一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0018](I)提供所需尺寸的陰極，清洗后干燥；
[0019](2)在經處理過的陰極上蒸鍍電子緩沖層，然后旋涂活性層并干燥；
[0020](3)配制質量分數為5-50%的酞菁類小分子溶液，然后將其旋涂在所述活性層上，烘干形成空穴緩沖層，所述酞菁類小分子為酞菁銅、酞菁鋅、酞菁釩或酞菁鎂；
[0021](4)在所述空穴緩沖層上蒸鍍陽極，得到倒置聚合物太陽能電池。
[0022]優選地，步驟(I)所述的提供所需尺寸的陰極，具體操作為:將玻璃衫底進行光刻處理，然后剪裁成所需要的大小。
[0023]優選地，所述陰極為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟氧化錫玻璃(FT0)、摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0024]優選地，步驟(I)所述的清洗后干燥為依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15分鐘，去除玻璃表面的有機污染物，清洗干凈后風干。
[0025]優選地，步驟(2)所述的蒸鍍為真空蒸鍍，蒸鍍溫度為500-1000 °C，真空度為I (T3-1 (T5Pa。
[0026]優選地，步驟(2)所述電子緩沖層為氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)或碳酸銫(Cs2CO3)0更優選地，步驟(2)所述電子緩沖層為碳酸銫(Cs2CO3)15
[0027]優選地，步驟(2)所述電子緩沖層的厚度為0.5-10nm。更優選地，所述電子緩沖層的厚度2nm。[0028]優選地，步驟(2)所述活性層的材質為聚3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61- 丁酸甲酯形成的復合材料。更優選地，步驟(2)所述活性層的材質中，所述聚3-己基噻吩與所述[6，6]-苯基461-丁酸甲酯的質量比為1:0.8-4。更優選地，所述活性層材質中，所述聚3-己基噻吩與[6，6]-苯基461-丁酸甲酯的質量比為1:0.8。
[0029]優選地，步驟(2)所述活性層的厚度為80_300nm。更優選地，所述活性層的厚度為200nm。
[0030]優選地，步驟(3)所述所述酞菁類小分子為酞菁銅(CuPc)、酞菁鋅(ZnPc)、酞菁釩(V2Pc5)或酞菁鎂(MgPc)。
[0031]優選地，步驟(3)所述酞菁類小分子溶液，溶劑為氯苯，甲苯，氯仿或二氯甲烷。
[0032]優選地，步驟(3)所述酞菁類小分子溶液，質量分數為30-50%。
[0033]優選地，步驟(3)所述的烘干，為在充滿惰性氣體的溫箱中以50-200°C條件下烘干5-100分鐘。
[0034]優選地，步驟(3)所述空穴緩沖層的厚度為20_100nm。更優選地，步驟(3)所述空穴緩沖層的厚度為50-100nm。
[0035]優選地，步驟(4)所述陽極為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或鉬(Pt)。更優選地，步驟
(4)所述陽極為鋁(Al)。
[0036]優選地，步驟(4)所述陽極的厚度為80_200nm。更優選地，步驟(4)所述陽極的厚度為150nm。
[0037]本發明制備方法以廉價易得的酞菁類小分子作為空穴緩沖層材料，制備方法工藝簡單，原料成本低，適合大規模工業化生產。
[0038]相比于現有技術，本發明具有以下有益效果:
[0039](I)以酞菁類小分子作為空穴緩沖層，提高了空穴緩沖層對空穴的傳輸能力，另外利用酞菁類小分子易形成晶體的特性，進一步集中了光強，同時利用其散射與反射作用，使太陽光回到活性層再度被利用，從而改善了磁陽能電池的光電轉換效率；
[0040](2)以廉價易得的酞菁類小分子作為空穴緩沖層材料，制備方法工藝簡單，原料成本低，適合大規模工業化生產。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0042]圖1是本發明實施例制得的倒置聚合物太陽能電池的結構示意圖；
[0043]圖2是本發明實施例一制備的倒置聚合物太陽能電池與對比實施例制備的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系圖。
【具體實施方式】
[0044]下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0045]實施例一[0046]—種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0047](I)選擇銦錫氧化物玻璃(ITO)作為陰極，將其光刻處理后剪裁成20X20mm的正方形電極片，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15分鐘，去除玻璃表面的有機污染物，清洗干凈后放入80°C烘箱中干燥I小時；
[0048](2)在真空度為10_5Pa的真空鍍膜系統中在上述銦錫氧化物玻璃(ITO)上蒸鍍電子緩沖層；其中電子緩沖層為碳酸銫(Cs2CO3),厚度為2nm ;蒸鍍溫度為800°C ;然后配制總質量濃度為18mg/mL的P3HT和PCBM的氯苯溶液(其中P3HT與PCBM的質量比為1:0.8)，在充滿惰性氣體的手套箱中將其旋涂在電子緩沖層上，留在手套箱中以200°C的條件退火5分鐘，形成厚度為200nm的活性層；
[0049](3)配制質量分數為40%的酞菁銅(CuPc)的氯苯溶液，在充滿惰性氣體的手套箱中將其旋涂在活性層上，然后在惰性氣體中以200°C的條件退火5分鐘，形成厚度65nm的空穴緩沖層；
[0050](4)在所述空穴緩沖層上蒸鍍陽極，陽極為鋁(Al)，厚度為150nm ;蒸鍍操作在真空度為10_5Pa的真空鍍膜系統中以800°C溫度條件進行，得到倒置聚合物太陽能電池。
[0051]圖1是本實施例制備的倒置聚合物太陽能電池的結構示意圖。如圖1所示，一種倒置聚合物太陽能電池，包括ITO陰極1、電子緩沖層2、活性層3、空穴緩沖層4和陽極5，其中空穴緩沖層4的材質為酞菁銅(CuPc)，厚度為65nm。本實施例制得的倒置聚合物太陽能電池的結構為:
[0052]IT0/Cs2C03/ (P3HT/PCBM)/CuPc/Al。
[0053]實施例二
[0054]一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0055](I)選擇摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)作為陰極，將其光刻處理后剪裁成30X30mm的正方形電極片，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15分鐘，去除玻璃表面的有機污染物，清洗干凈后放在陰涼通風處自然涼干；
[0056](2)在真空度為10_4Pa的真空鍍膜系統中在上述摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)上蒸鍍電子緩沖層；其中電子緩沖層為氟化鋰(LiF)，厚度為0.5nm ;蒸鍍溫度為500°C ;然后配制總質量濃度為30mg/mL的P3HT和PCBM的氯仿溶液(其中P3HT與PCBM的質量比為1:4)，通過勻膠機將上述P3HT和PCBM的甲苯溶液旋涂在所述電子緩沖層上，控制的轉速為200r/min，勻膠時間為120秒，旋涂后將蒸鍍了電子緩沖層和旋涂了上述P3HT和PCBM的甲苯溶液的陰極在室溫下放置48小時，形成厚度為SOnm的活性層；
[0057](3)配制質量分數為5%的酞菁鋅(ZnPc)的甲苯溶液，然后通過勻膠機將其旋涂在所述活性層上，控制勻膠機的轉速為lOOOr/min，勻膠時間為60秒，旋涂后將旋涂了酞菁鋅的陰極放入充滿惰性氣體的溫箱中，調節溫度為50°C，保溫干燥100分鐘，形成厚度為IOOnm的空穴緩沖層；
[0058](4)最后在所述空穴緩沖層上蒸鍍陽極，陽極為銀(Ag)，厚度為SOnm ;蒸鍍操作在真空度為10_4Pa的真空鍍膜系統中以500°C溫度條件進行，得到倒置聚合物太陽能電池。
[0059]本實施例制得的倒置聚合物太陽能電池的結構為:
[0060]IZO/LiF/ (P3HT/PCBM)/ZnPc/Ag。
[0061]實施例三[0062](I)選擇摻氟氧化錫玻璃(FTO)作為陰極，將其光刻處理后剪裁成20X20mm的正方形電極片，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15分鐘，去除玻璃表面的有機污染物，清洗干凈后放在陰涼通風處自然涼干；
[0063](2)在真空度為10_3Pa的真空鍍膜系統中依次在上述摻氟氧化錫玻璃上蒸鍍電子緩沖層；其中電子緩沖層為碳酸鋰(Li2CO3),厚度為5nm，蒸鍍溫度為1000°C ;然后配制總質量濃度為16mg/mL的P3HT和PCBM的二甲苯溶液(其中P3HT與PCBM的質量比為1:3)，在充滿惰性氣體的手套箱中將其旋涂在電子緩沖層上，留在手套箱中以50°C的條件退火100分鐘，形成厚度為200nm的活性層；
[0064](3)配制質量分數為50%的酞菁鎂(MgPc)的二氯甲烷溶液，在充滿惰性氣體的手套箱中將其旋涂在活性層上，然后在惰性氣體中以150°C的條件退火10分鐘，形成厚度為20nm的空穴緩沖層；
[0065](4)最后在所述空穴緩沖層上蒸鍍陽極，陽極為金(Au)，厚度為ISOnm ;蒸鍍操作在真空度為10_3Pa的真空鍍膜系統中以1000°C溫度條件進行，得到倒置聚合物太陽能電池。
[0066]本實施例制得的倒置聚合物太陽能電池的結構為:
[0067]FTO /Li2CO3/ (P3HT/PCBM) /MgPc/Au。
[0068]實施例四
[0069](I)選擇摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)作為陰極，將其光刻處理后剪裁成20X20mm的正方形電極片，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15分鐘，去除玻璃表面的有機污染物，用蒸餾水再次沖洗后放在陰涼通風處自然涼干；
[0070](2)在真空度為10_5Pa的真空鍍膜系統中在上述摻鋁的氧化鋅玻璃上蒸鍍電子緩沖層；其中電子緩沖層為碳酸銫(Cs2CO3),厚度為IOnm ;蒸鍍溫度為600°C ;然后配制8mg/mL的P3HT和PCBM的二氯甲烷溶液(其中P3HT與PCBM的質量比為1:2)，在充滿惰性氣體的手套箱中將其旋涂在電子緩沖層上，留在手套箱中以70°C的條件退火100分鐘，形成厚度為300nm的活性層；
[0071](3)配制質量分數為15%的酞菁釩(V2Pc5)的氯仿溶液，在充滿惰性氣體的手套箱中將其旋涂在活性層上，在惰性氣體中以200°C的條件退火5分鐘，空穴緩沖層的厚度80nm。
[0072](4)最后在所述空穴緩沖層上蒸鍍陽極，陽極為鉬(Pt)，厚度為250nm ;蒸鍍操作在真空度為KT5Pa的真空鍍膜系統中以600°C溫度條件進行，得到倒置聚合物太陽能電池。
[0073]本實施例制得的倒置聚合物太陽能電池的結構為:
[0074]AZO /Cs2CO3/ (P3HT/PCBM)/V2Pc5/Pt。
[0075]為更好地說明本發明實施例制備的倒置聚合物太陽能電池的優良特性，特設置以下對比實施例:
[0076]制備普通的聚合物太陽能電池，所述聚合物太陽能電池的結構為:IT0/ (PEDOT/PSS)/ (P3HT/PCBM)/Cs2CO3A10具體制備過程為:將的ITO陽極進行光刻處理，剪裁成20X 20mm的正方形電極片，依次用洗潔精,去離子水，丙酮，乙醇,異丙醇各超聲15分鐘，去除玻璃表面的有機污染物，然后旋涂空穴緩沖層PED0T/PSS，再旋涂上活性層P3HT/PCBM(P3HT與PCBM的質量比為1:0.8)，然后再蒸鍍碳酸銫(Cs2CO3)電子緩沖層和陰極鋁(Al)，得到聚合物太陽能電池。其中，空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層、陰極的厚度分別為:20nm、150nm、65nm、150nmo
[0077]采用電流-電壓測試儀測試本發明實施例一所述倒置聚合物太陽能電池與對比實施例所述普通的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系圖，測試結果見圖2。圖2是實施例一所述倒置聚合物太陽能電池與對比實施例所述普通的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系圖。曲線I為實施例一制得的倒置聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系圖；曲線2為對比實施例制得的聚合物太陽能電池的電流密度與電壓關系圖。
[0078]表1是根據圖2得到的實施例1制備的倒置聚合物太陽能電池與對比實施例制備的聚合物太陽能電池參數表，其中，電流密度指的是短路電流密度，即電壓大于O電流密度小于O時的電流密度絕對值；電壓特指開路電壓，即電流密度小于O電壓大于O時的電壓；能量轉換效率n指的是短路電流與開路電壓乘積的絕對值；填充因子指的是電池最大功率與開路電壓和短路電流的乘積的比值，即曲線與坐標軸X、y所圍成的圓弧面積占最大矩形面積(數值為最大電流密度與最大電壓的乘積)的比例，填充因子越大，表明太陽能電池輸出特性越趨于矩形，太陽能電池的光電轉換效率越高。
[0079]表1實施例一與對比實施例的聚合物太陽能電池參數表
[0080]
【權利要求】
1.一種倒置聚合物太陽能電池，依次包括陰極、電子緩沖層、活性層、空穴緩沖層和陽極，其特征在于，所述空穴緩沖層的材質為酞菁類小分子，所述酞菁類小分子為酞菁銅、酞菁鋅、酞菁釩或酞菁鎂。
2.根據權利要求1所述的一種倒置聚合物太陽能電池，其特征在于，所述空穴緩沖層的厚度為20-100nm。
3.根據權利要求1所述的一種倒置聚合物太陽能電池，其特征在于，所述空穴緩沖層的厚度為50-100nm。
4.一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)提供所需尺寸的陰極，清洗后干燥； (2)在經處理過的陰極上蒸鍍電子緩沖層，然后旋涂活性層并干燥； (3)配制質量分數為5-50%的酞菁類小分子溶液，然后將其旋涂在所述活性層上，烘干形成空穴緩沖層，所述酞菁類小分子為酞菁銅、酞菁鋅、酞菁釩或酞菁鎂； (4)在所述空穴緩沖層上蒸鍍陽極，得到倒置聚合物太陽能電池。
5.根據權利要求4所述的一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述陰極為銦錫氧化物玻璃、摻氟氧化錫玻璃、摻招的氧化鋅玻璃或摻銦的氧化鋅玻璃。
6.根據權利要求4所述的一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述酞菁類小分子溶液，溶劑為氯苯，甲苯，氯仿或二氯甲烷。
7.根據權利要求4所述的一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述酞菁類小分子溶液的質量分數為30-50%。
8.根據權利要求4所述的一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述的烘干為在充滿惰性氣體的溫箱中以50-200°C條件下烘干5-100分鐘。
9.根據權利要求4所述的一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述空穴緩沖層的厚度為20-100nm。
10.根據權利要求4所述的一種倒置聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述空穴緩沖層的厚度為50-100nm。
【文檔編號】H01L51/44GK103700766SQ201210367372
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】周明杰, 王平, 黃輝, 張振華 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, 深圳市海洋王照明工程有限公司