CN108400241A - 用8-羟基喹啉钛作电子传输层的聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于8‑羟基喹啉钛可溶液加工的聚合物太阳能电池及其制备方法。所述的太阳电池采用8‑羟基喹啉钛作为阴极修饰层。本发明将8‑羟基喹啉钛引入聚合物太阳电池中选择性地传输电子，阻挡空穴，与活性层之间可形成欧姆接触，使器件的短路电流达到最优值，电池的能量转换效率也得到提高，且8‑羟基喹啉钛具有可溶液加工特性，易于制备成聚合物太阳电池的阴极修饰层，且在聚合物太阳电池中表现出优异性能。本发明涉及的聚合物太阳电池，具有成本低廉，工艺简单，实验重复性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用8-羟基喹啉钛作电子传输层的聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
聚合物太阳电池因其成本低廉，质量轻，易于大面积制造等优点受到广泛关注。基于正向结构的太阳能电池，因其器件结构简单，近年来得到了极大的发展。目前正向结构的太阳能电池效率已由最初的不足1％发展到13％。
正向结构的太阳能电池常用的阴极修饰层材料是Ca,Mg,LiF或者PFN高分子材料，其中Ca,Mg和LiF采用真空热蒸镀制备，耗能较高。而PFN高分子材料的制备流程复杂，合成周期较长，会造成制备成本的增加。因此，采用制备工艺简单，价格低廉，可溶液加工的阴极修饰层能够同时解决以上两个问题。采用溶液加工方法制备8羟基喹啉钛阴极修饰层，温度始终低于150℃，工艺简单，适合工业化生产。
发明内容
针对现有阴极修饰层高成本和加工工艺复杂的缺点，本发明提供了一种工艺简单，成本低廉，基于8-羟基喹啉钛阴极修饰层的可溶液低温加工的聚合物太阳能电池及其制备方法。
一种基于8-羟基喹啉类金属配合物的可溶液加工的聚合物太阳能电池及其制备方法，所述8-羟基喹啉类金属配合物为8-羟基喹啉钛，所述聚合物太阳电池中衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层、共混活性层、阴极修饰层和阴极层顺次相连，所述的阴极修饰层即8-羟基喹啉钛作阴极修饰层。在透明导电金属氧化物阳极层的一端沉积有金属导线，金属导线连接负载或者测试装置的一端，阴极层连接负载或者测试装置的另一端。入射光从衬底方向射入。PEDOT:PSS主要作用为阳极修饰层吸收空穴，阻挡电子；活性层主要作用是吸收光子，并将其转变成激子，使激子在给受体界面处分离成电子和空穴；阴极修饰层的作用是输运电子；金属电极作用是收集电子。
一种基于8-羟基喹啉类金属配合物的可溶液加工的聚合物太阳能电池的制备方法，其具体步骤如下：
a.透明导电金属氧化物阳极层的制备：在玻璃或聚酯薄膜的衬底(1)上溅射金属氧化物制备透明导电金属氧化物阳极层(2)；
b.阳极修饰层的制备：在经紫外-臭氧表面处理设备处理后的透明导电金属氧化物阳极(2)上旋涂PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))溶液，涂膜厚度为10～50nm，经热退火，得到阳极修饰层(3)；
c.共混活性层的制备，共混活性层材料为共轭电子给体材料和受体材料的共混溶液，经过旋涂成膜。
d.阴极修饰层的制备：将8羟基喹啉钛的醇溶液旋涂在共混活性层上面，经过退火，得到阴极修饰层。
e阴极层的制备：在阴极修饰层上真空蒸镀一层金属Al，得到阴极层，其厚度为100nm。
所述步骤c中共混活性层的制备，共混活性层材料为共轭电子给体材料和受体材料的共混溶液，将共轭电子给体材料和电子受体材料按照1:1～1:2的质量比，溶剂为氯苯，邻二氯苯，间二氯苯，对二氯苯，氯仿中的一种或多种，浓度为10-30mg/mL共混制备成溶液，将所得溶液旋涂在阳极修饰层上，经过80-150℃进行5-30min的退火，所得到的共混活性层的厚度为60-200nm。
所述步骤d中阴极修饰层的制备：将8羟基喹啉钛以0.1-2mg/mL的浓度溶于醇溶液中,所述的醇溶液为甲醇，乙醇，异丙醇中的一种或多种。将8羟基喹啉钛的醇溶液旋涂在共混活性层上面，所述旋涂转速为1500-4500rpm，经过退火，所述退火温度为90-150℃，退火时长为8-15min。
本发明的有益效果为：
采用溶液加工的方法把低温加工的8羟基喹啉钛阴极修饰层引入了太阳能电池，大大降低了载流子在活性层界面的复合，提高了阴极的电子提取能力，显著提高了器件性能。本发明而且简化了制备工艺，降低了生活成本，可进行工业化生产。
本发明中的阴极修饰层材料可以推广到其他的器件中，比如钙钛矿太阳能电池中。
附图说明
图1为本发明太阳能电池的器件结构示意图。
图中标号：1-衬底；2-透明导电金属氧化物阳极层；3-阳极修饰层；4-活性层小；5-阴极修饰层；6-阴极，7-金属导线；8负载或测试装置；9入射光
图2为8-羟基喹啉钛结构式。
图3为对比例1在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图4为对比例2在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图5为实施例1在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米时光照的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图6为实施例2在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图7为实施例3在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图8为实施例4在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图9为实施例5在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图10为实施例6在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米的光照下的电流密度与电压(J-V)曲线图。
图11为实施例7在未经光照和经过强度为100毫瓦每平方厘米时光照的电流密度与电压(J-V)曲线图。
具体实施方式
本发明的思想是基于8-羟基喹啉钛阴极修饰层的可溶液加工的聚合物太阳能电池及其制备方法，所述电池的具体结构见图1，其制备方法如下：
一种可溶液加工的本体异质的聚合物太阳能电池包括顺次相连的衬底1、透明导电金属氧化物阳极层2、阳极修饰层3、共混活性层4、阴极修饰层5和阴极层6。所述金属氧化物阳极层2上面沉积有金属导线，所述金属导线连接负载或测试设备的一端，所述阴极层6连接负载或者测试装置的另一端；所述阴极修饰层5的材质为8-羟基喹啉钛；太阳光从衬底1的一侧9处射入。
对比例1
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后转移到真空蒸镀室，气压为3×10-4时蒸镀一层20nm的Ca作为阴极修饰层和一层100nm的铝作为阴极。
对比例2
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后转移到真空蒸镀室，气压为3×10-4时蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例1
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为0.1mg/mL的8羟基喹啉钛溶于异丙醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的异丙醇溶液，再以1500rpm的转速旋涂到活性层上面，90℃退火8min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例2
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为2mg/mL的8羟基喹啉钛溶于异丙醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的异丙醇溶液，再以1500rpm的转速旋涂到活性层上面，90℃退火8min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例3
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为2mg/mL的8羟基喹啉钛溶于异丙醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的异丙醇溶液，再以4500rpm的转速旋涂到活性层上面，90℃退火8min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例4
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为0.1mg/mL的8羟基喹啉钛溶于异丙醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的异丙醇溶液，再以1500rpm的转速旋涂到活性层上面，150℃退火8min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例5
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为2mg/mL的8羟基喹啉钛溶于甲醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的甲醇溶液，再以4500rpm的转速旋涂到活性层上面，90℃退火8min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例6
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的滤头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为2mg/mL的8羟基喹啉钛溶于乙醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的乙醇溶液，再以4500rpm的转速旋涂到活性层上面，90℃退火8min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
实施例7
将溅射有氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用洗涤剂，自来水，去离子水，异丙醇超声两次，用N2吹干。将洗干净的ITO导电玻璃用紫外臭氧处理15min，然后将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的虑头过滤后以3000rpm的速度旋涂在ITO导电玻璃上面，再150℃退火15min。将ITO/PEDOT:PSS基片转移到充满N2的手套箱内，将质量比为1:1的共轭电子给体材料PBDTBDD和电子受体材料ITIC-M溶于氯苯得到浓度为20mg/mL的混合溶液以1700rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，100℃退火10min，得到的活性层膜厚约80nm。然后将浓度为2mg/mL的8羟基喹啉钛溶于异丙醇中，混合均匀，得到8羟基喹啉钛的异丙醇溶液，再以4500rpm的转速旋涂到活性层上面，90℃退火15min，得到阴极修饰层，最后在气压为3×10-4的真空蒸镀室里蒸镀一层100nm的铝作为阴极。
比较对比例1(图3)，对比例2(图4)与实施例1(图5)在光照强度为100毫瓦每平方厘米时的电流密度与电压(J-V)曲线：对比例1的短路电流为13.13mA/cm2，开路电压为0.93V，填充因子为67.17％，能量转换效率为8.2％。对比例2的短路电流为12.06mA/cm2，开路电压为0.93V，填充因子为67.34％，能量转换效率为7.55％。实施例1的短路电流为13.65mA/cm2，开路电压为0.93V，填充因子为66.72％，能量转换效率为8.49％。通过比较可见在实施例1中用8羟基喹啉钛作阴极修饰层的聚合物太阳电池的器件效率能和对比例1中采用传统Ca阴极修饰层相匹敌，且明显优于对比例2中没有阴极修饰层仅用Al作阴极的器件性能。
表1给出了对比例1，对比例2，实施例1，实施例2，实施例3，实施例4，实施例5，实施例6，实施例7的短路电流密度，开路电压，填充因子，能量转换效率的详细参数。
表1
表1
从表1中可以看出，与对比例1和对比例2相比，采用不同浓度的8-羟基喹啉钛醇溶液，不同转速，不同退火温度，不同退火时长和不同溶剂来制备8-羟基喹啉钛阴极修饰层的器件，都可以有效地改善器件性能。而且器件的重复性比较好，具有较大的工业化生产应用的潜力。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于发明中的实施例，熟悉技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或类似的变化都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于8-羟基喹啉啉类金属配合物可溶液加工的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池包括顺次相连的衬底(1)、透明导电金属氧化物阳极层(2)、阳极修饰层(3)、共混活性层(4)、阴极修饰层(5)和阴极层(6)，在所述透明导电金属氧化物阳极层的一端沉积有金属导线，所述金属导线连接负载或者测试装置的一端，所述阴极层连接负载或者测试装置的另一端；入射光从衬底方向射入。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述的8-羟基喹啉类金属配合物为8-羟基喹啉钛。
3.权利要求2所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.透明导电金属氧化物阳极层(2)的制备：在玻璃或聚酯薄膜的衬底(1)上溅射金属氧化物制备透明导电金属氧化物阳极层(2)；
b.阳极修饰层(3)的制备：在经紫外-臭氧表面处理后的透明导电金属氧化物阳极层(2)上旋涂PEDOT:PSS溶液，涂膜厚度为10～50nm，经热退火，得到阳极修饰层(3)；
c.共混活性层(4)的制备，共混活性层材料为共轭电子给体材料和电子受体材料的共混溶液，经过旋涂制成共混活性层；
d.阴极修饰层(5)的制备：将8羟基喹啉钛的醇溶液旋涂在共混活性层(4)上面，经过退火，得到阴极修饰层(5)；
e.阴极层(6)的制备：在阴极修饰层(5)上真空蒸镀一层金属Al电极，得到阴极层(6)。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤c中所述共轭电子给体材料和电子受体材料的质量比为1:1～1:2；所述溶液的溶剂为氯苯，邻二氯苯，间二氯苯，对二氯苯，氯仿中的一种或多种，所述溶液浓度为10-30mg/mL。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤c中所述旋涂后经过80-150℃，5-30min的退火，得到共混活性层的厚度为60-200nm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤d中所述醇溶液中8羟基喹啉钛的浓度为0.1-2mg/mL。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤d中所述旋涂的转速为1500-4500rpm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤d中所述退火温度为90-150℃，退火时长为8-15min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤d中所述醇溶液的溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇中的一种或多种。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤e中所述阴极层为100nm厚的Al。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN101601329A (zh) * | 2006-12-29 | 2009-12-09 | 默克专利有限公司 | 采用甲亚胺-锂配合物作为电子注入层的电致发光器件 |
| CN102646794A (zh) * | 2012-04-23 | 2012-08-22 | 华北电力大学 | 一种p-i-n型聚合物太阳能电池及其制备方法 |
| CN105393376A (zh) * | 2013-06-14 | 2016-03-09 | 株式会社Lg化学 | 有机太阳能电池及其制造方法 |
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2018
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