一種具有交聯結構活性層的有機光伏電池及其制備方法

專利名稱：一種具有交聯結構活性層的有機光伏電池及其制備方法
一種具有交聯結構活性層的有機光伏電池及其制備方法
技術領域：
本發明涉及有機光電領域，具體地說，涉及一種具有交聯結構活性層的有機光伏 電池。
背景技術：
隨著全球石油資源的耗盡，新能源的開發顯得日益重要。太陽能電池是將光能直 接轉化為電能的裝置。作為解決世界能源危機的一個可行的方法，太陽能的利用成為一個 廣泛研究的前沿性課題。因此，大力發展太陽電池產業，利用太陽光發電已經成為世界各 國經濟可持續發展的新能源戰略。專家預測，到2030年光伏發電將占到世界發電總量的 50%。太陽能電池的研究與開發始終圍繞以下兩個關鍵問題而展開(1)提高光電轉換效 率及壽命(2)新型材料制備以降低成本。到目前為止，以無機硅材料為代表的光伏電池通 常可以達到10-20%的轉換效率。然而，無機光伏電池在制備過程中所需的高溫、高真空使 得無機光伏電池的生產成本非常之高，這使得其應用受到很大的限制。1992年，N. Sariciftci等首次發現聚合物/C60之間的光誘導超快電荷傳遞現象。 1995年A.J. Heeger等提出了“本體異質結”(BHJ)的概念，發明的“本體異質結”型單層聚 合物/C60光伏電池大大提高了 D/A異質結的接觸面積。而共軛聚合物/C60本體異質結太 陽能電池由于結構簡單、容易制備引起了人們的廣泛關注。圍繞提高有機光伏電池的效率， 從寬吸收、窄帶隙聚合物的設計合成到器件結構的優化人們進行了大量的探索研究。2002 年C. J. Brabec等通過在金屬電極和活性層之間插入LiF材料制得了能量轉換效率(PCE) 為3. 3%的聚合物太陽能電池，2004年又將能量轉換效率提高到3. 85%。2005年美國加州 大學圣巴巴拉分校的A. J. Heeger教授等通過熱處理P3HT:PCBM活性層獲得了 5%的效率。 2007年K. Lee等報道了采用透明的TiOx作為級聯材料形成疊層結構的異質結有機電池，效 率高達6.5%。華南理工大學曹鏞院士課題組在P3HT:PCBM中加入油酸(oleic acid)并熱 處理后獲得了 4. 3%的光電轉化效率。2008年12月9日，Konarka公司宣布該公司和A J Heeger課題組合作已經獲得了 6%的轉換效率。2010年8月1日，Solarmer Energy宣布 該公司Li Gang博士領導的研究組已經獲得了 8. 13%有機聚合物光伏電池的轉換效率，并 通過美國國家可再生能源實驗室(NREL)的證實。中科院北京化學所李永舫教授課題組報 道的新受體材料ICBA與P3HT所組成的異質結電池的效率達6. 5%。有機光伏電池以其成 本低、無毒、容易制備、易于實現柔性器件、可以方便有效地改變有機材料的化學結構以控 制最佳的能帶、電荷遷移率、溶解度甚至取向程度來提高電池的效率等特點而成為近年來 的研究熱點。如果有機光伏電池的光電轉換效率達到10%，就有可能實現商業化生產。然而，光電轉換效率只是制約有機光伏產業化道路的瓶頸之一。有機光伏電池的 的穩定性、生產成本以及加工工藝方面仍然有許多基礎科學問題需要解決。特別是對于 如何提高有 機光伏器件的穩定性及壽命尚缺乏系統深入的研究工作。2008年12月2日 Konarka公司宣布與德國聯邦教育與科研部(BMBF)共同啟動資金總額為250萬歐元的“有 機光伏的穩定性”(OPV stability)的研究課題。器件結構是影響光電池能量轉換效率提高的重要因素之一。研究開發新型結構的有機光伏電池就顯得非常重要。所以，設計合理并 調控異質結微觀結構的形態及其形貌穩定性，為載流子提供連續有效的傳輸路徑，進而提 高激子的有效擴散和有效解離是提高有機光伏電池光電轉換效率及壽命的一條重要途徑。在有機光伏電池中，異質結的厚度一般控制在IOOnm左右(太薄將導致光吸收率 下降、太厚會增加電池的內電阻)。構筑連續完整的給體/受體異質結的微結構是提高光伏 效率的一個重要環節。通過物理混合得到的給體(D)/受體(A)異質結較大地提高了激子 的有效遷移和解離效率。但是由有機半導體材料組成的給體/受體異質結受其本征特性的 影響，給體和受體分子在體相中會隨著時間的增加，溫度的變化有可能發生團聚，形成許多 非連續完整的“島狀”相(如D-D、A-A、D-D/A-A等團簇)，這些因素會大大降低D/A的接觸 面積、影響光生激子的遷移與解離效率。如果異質結層能夠為電子和空穴提供持續通暢的 傳輸路徑，就會降低再復合的幾率。所以控制微觀結構的有序性及穩定性將有利于載流子 進行定向遷移，使電子和空穴更快、更直接地傳輸到電極上，進而提高光電轉化效率和穩定 性。通過在可溶石墨上引入可交聯側基，構筑連續完整的載流子傳輸路徑，就可以降低非連 續完整的“島狀”相的形成、有利于載流子定相傳輸。

發明內容本發明的目的是針對現有有機光伏電池的光電轉化效率較低、穩定性差的問題， 提供一種在活性層結構中加入交聯劑，形成具有交聯結構的活性層的有機光伏電池及其制 備方法。本發明提供的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，具體結構如附圖1所示，依 次包括1)、透明導電襯底(1);2)、位于上述透明導電襯底(1)上的陽極緩沖層PED0T:PSS(2)；3)、位于上述陽極緩沖層PED0T:PSS(2)上的具有交聯結構的活性層(3)；4)、位于上述具有交聯結構的活性層(3)上的陰極修飾層(4)；5)、位于上述陰極修飾層⑷上的金屬背電極(5)。上述的透明導電襯底是帶有ΙΤ0、FTO、AZO導電層的玻璃或者柔性襯底。旋涂 含有交聯劑成份的活性層形成交聯結構的活性層。交聯劑成份是偶氮類自由基引發劑 (AIBN、ABVN)、過氧化物自由基引發劑(過氧化二苯甲酰、異丙苯過氧化氫、過氧化二碳酸 二異丙酯、過氧化二碳酸二環己酯、叔丁基過氧化物)。所加交聯劑成分只會使構成活性 層的導電共軛聚合物的側基交聯而不影響主鏈的共軛程度。交聯劑比例占活性層質量的 0. 1% _2%。旋涂所使用的溶劑是甲苯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、間二氯苯、四氫呋喃、二 甲苯、氯仿或丙酮。上述的有機光伏電池器件的制備方法，包括以下步驟a)清洗透明導電襯底(1)并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護下，在明導電襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽極緩沖 層⑵，干燥；c)在PED0T:PSS陽極緩沖層(2)上旋涂帶有交聯劑成份的有機活性層(3)，熱處 理；
d)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極(5)。本發明的優點和積極效果本發明提供了一種在活性層結構中加入交聯劑的方法，形成具有交聯結構的活性 層的有機光伏電池。通過構筑連續完整、持續通暢的載流子傳輸路徑，可以降低非連續完整 的“島狀”相的形成、有利于載流子定相傳輸。該方法可以提高載流子傳輸速率和活性層的 形貌穩定性，從而顯著地提高了有機光伏電池器件的光電轉化效率和穩定性。成本低、制備 條件簡單、重現性好。采用溶液加工不需要高真空的制備條件，適用于未來的大規模的滾筒 式(roll-to-roll)工業化生產有機太陽能電池及其組件。

圖1是具有交聯結構活性層的有機光伏電池結構示意圖。
具體實施方式實施例1(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PEDOTPSS陽極緩沖層上旋涂含有叔丁基過氧化物交聯劑的有機活性層 P3HT:PCBM(P3HT 叔丁基過氧化物=100 0. 5，質量比)，在160度下熱處理20min。(4)利用真空蒸鍍法將1. Onm厚陰極緩沖層LiF沉積在活性層上。(5)借助條形掩膜板，真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極，從而制成有機光伏電池器 件。用類似辦法制備正常不交聯的對比器件。(6)器件制備完成后，將所有條形ITO陽極一端接電流表正極，所有條形Al陰極 一端接電流表負極。測試結果表明具有交聯結構活性層的器件在AM1.5G(100mW/cm2)光 照下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 13. 0mA/cm2、0. 63V、58. 2%,4. 781%。對比器件在相同條件 下，Jsc、Voc、FF、PCE分別為9. 9mA/cm2、0. 66V、49. 5%,3. 23%0具有交聯結構活性層的器 件與對比器件相比，器件衰減明顯變緩。經過300h，器件的PCE僅下降為初始值的90%;而 對比器件則下降為初始值的70%。實施例2(1)將3mmX3mm的ITO玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經異丙醇、丙酮和氯仿 溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PED0T:PSS陽極緩沖層上旋涂含有叔丁基過氧化物交聯劑的有機活性層 P3HT:PCBM(P3HT 叔丁基過氧化物=100 1，質量比)，在160度下熱處理20min。(4)利用真空蒸鍍法將1. Onm厚陰極緩沖層LiF沉積在活性層上。(5)真空蒸鍍IOOnm的Al做背電極，從而制成有機光伏電池器件。用類似辦法制備正常不交聯的對比器件。

(6)測試結果表明具有交聯結構活性層的器件在AMI. 5G(100mff/cm2)光照下， Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 11. 5mA/cm2、0. 64V、46. 7%.3. 45%.對比器件在相同條件下，Jsc、 Voc、FF、PCE 分別為 10. 0mA/cm2、0. 61V、42. 1%、2. 58%。
權利要求
一種具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，該有機光伏電池器件包括1)、透明導電襯底(1)；2)、位于上述透明導電襯底(1)上的陽極緩沖層PEDOT:PSS(2)；3)、位于上述陽極緩沖層PEDOT:PSS(2)上的具有交聯結構的活性層(3)；4)、位于上述具有交聯結構的活性層(3)上的陰極修飾層(4)；5)、位于上述陰極修飾層(4)上的金屬背電極(5)。
2.根據權利要求1所述的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，所述透 明導電襯底⑴是帶有IT0、FT0、AZ0導電層的玻璃或者柔性襯底。
3.根據權利要求1所述的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，所述的 具有交聯結構的活性層(3)通過旋涂上帶有交聯劑成份的活性層形成。
4.根據權利要求3所述的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，所述的 交聯劑成份是偶氮類自由基引發劑、過氧化物自由基引發劑。
5.根據權利要求3所述的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，所述的 偶氮類自由基引發劑是AIBN或ABVN，所述的過氧化物自由基引發劑是過氧化二苯甲酰、異 丙苯過氧化氫、過氧化二碳酸二異丙酯、過氧化二碳酸二環己酯或叔丁基過氧化物。
6.根據權利要求3所述的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，帶有交 聯劑成份的活性層的溶劑是甲苯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、間二氯苯、四氫呋喃、二甲苯、 氯仿或丙酮。
7.根據權利要求3所述的具有交聯結構活性層的有機光伏電池，其特征在于，所加交 聯劑比例占活性層質量的0. -2%。
8.—種權利要求1所述的一種具有交聯結構活性層的有機光伏電池的制備方法，其特 征在于，該方法包括以下步驟a)清洗透明導電襯底⑴并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護下，在明導電襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽極緩沖層 (2)，干燥；c)在PED0T:PSS陽極緩沖層(2)上旋涂帶有交聯劑成份的有機活性層(3)，熱處理；d)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極(5)。
全文摘要
本發明涉及一種具有交聯結構活性層的有機光伏電池及其制備方法，屬于有機光電領域。包括透明導電襯底1、陽極緩沖層PEDOT:PSS 2、具有交聯結構的活性層3、陰極修飾層4和金屬背電極層5。其制備方法包括(1)清洗透明導電襯底并烘干；(2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在透明導電襯底1上旋涂PEDOT:PSS陽極緩沖層2，干燥；(3)在PEDOT:PSS陽極緩沖層2旋涂上帶有交聯劑成份的有機活性層3，熱處理；(4)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的辦法將陰極修飾層4沉積在活性層3上；(5)采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極5。本發明通過在活性層結構中加入交聯劑的方法形成具有交聯結構活性層，提高了載流子傳輸速率。具有交聯結構的活性層提高了活性層的形貌穩定性，顯著地提高了有機光伏電池器件的光電轉化效率和穩定性。
文檔編號H01L51/48GK101937973SQ20101028405
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者印壽根, 姚聰, 徐昊, 楊利營, 王亞凌, 田慧 申請人:天津理工大學