專利名稱：一種反向結構聚合物太陽電池及其制備方法
技術領域：
本發明屬于聚合物太陽電池技術領域，特別涉及一種反向結構聚合物太陽電池及其制備方法。
背景技術：
近年興起的有機和聚合物薄膜太陽能電池具有成本低、重量輕、制作工藝簡單、可制備成大面積柔性器件等突出優點而備受關注。通過優化設計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化活性層中給受體的微相分離結構，使本體異質結聚合物太陽電池光電轉化效率顯著提高到5-8%，接近非晶硅電池的水平。但是傳統本體異質結聚合物太陽電池因正極接觸的PED0T:PSS會腐蝕ΙΤ0、低功函的負極易氧化，致使電池的穩定性不佳，不利于器件的穩定性和壽命的提高。因此用穩定的電子和空穴收集層修飾的反向結構聚合物太陽電池備受關注。如圖1，反向結構聚合物太陽電池主要包含依次層疊的襯底1，透明導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以及高功函陽極層6等，電池以金屬導線8與負載或測試裝置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，其結構如式1所示，相對分子量或原子量為364.31 ；密度為1.01克/毫升；熔點為10°C ；25°C時的粘度為10. OmPa · So 該材料溶于異丙醇，也溶于苯、甲苯和氯仿，有水存在時能水解，水解時分解出與螯合物無關的兩摩爾醇基。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；固化促進劑、表面處理劑的增粘劑等。本發明首次將其應用于反向結構聚合物太陽電池中。(式 1)
發明內容
本發明的目的是提供一種反向結構聚合物太陽電池及其制備方法。本發明所提供的反向結構聚合物太陽電池，包括依次層疊的襯底、透明導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。在本發明中，二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的優選厚度為10-500A。其中，本發明太陽能電池的襯底可選用玻璃或聚酯薄膜；透明導電金屬氧化物電極層為In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其復合多元氧化物；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(對亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、 聚(對亞苯基)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族半導體納米晶等；所述空穴收集層為Mo、V、W、M的氧化物或其復合多元氧化物；所述高功函陽極層為Al、Ag、Au或其復合電極。上述反向結構聚合物太陽電池的制備方法，包括如下步驟(1)在襯底上制備透明導電金屬氧化物電極層；(2)在透明導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極層，得到所述反向結構聚合物太陽電池。在制備過程中，主要利用旋涂的轉速來控制二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度，轉速優選1000-5000rpm。烘烤的溫度可為20_250°C，時間可為1分鐘到48小時。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，將其引入反向結構聚合物太陽電池中，實現了電子的高效收集；并且與現有的溶膠凝膠法制備的二氧化鈦相比，本發明也具有光電轉換效率高、工藝簡單，成本低廉，實驗重復性好、適合于大規模工業化生產等特點。本發明應用二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜作為電子收集層，可以有效的實現電子的收集，在反向結構聚合物太陽電池中表現出優異的性能。
圖1為反向結構聚合物太陽電池結構示意圖； 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；圖中標號1-襯底；2-透明導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-高功函陽極層；7-負載或測試裝置；8-金屬導線；9-入射光。
具體實施例方式下面的實施例可以使本專業技術人員更全面的理解本發明，但不以任何方式限制本發明。實施例1將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，氮氣吹干，在4000rpm的轉速下旋涂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(質量比)的混合溶液在SOOrpm的轉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。所得的反向結構聚合物太陽電池中，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光照射和經100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 57伏，短路電流為11. 27毫安每平方厘米，填充因子為0. 529，轉換效率為 3. 40%。實施例2將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，氮氣吹干，在4000rpm的轉速下旋涂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(質量比)的混合溶液在1500rpm的轉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。所得的反向結構聚合物太陽電池中，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光照射和經100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 56伏，短路電流為12. 20毫安每平方厘米，填充因子為0. 534，轉換效率為 3. 65%。實施例3將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗，氮氣吹干，在4000rpm的轉速下旋涂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。所得的反向結構聚合物太陽電池中，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光照射和經100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0. 69伏，短路電流為17. 25毫安每平方厘米，填充因子為0. 589，轉換效率為7. 01%。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種反向結構聚合物太陽電池，包括依次層疊的襯底(1)、透明導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.根據權利要求1所述的反向結構聚合物太陽電池，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.根據權利要求1所述的反向結構聚合物太陽電池，其特征在于所述襯底選用玻璃或聚酯薄膜；所述透明導電金屬氧化物電極層為In、Sn、Zn、Cd的氧化物或其復合多元氧化物；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的氧化物或其復合多元氧化物；所述高功函陽極層為Al、Ag、Au或其復合電極。
4.根據權利要求3所述的反向結構聚合物太陽電池，其特征在于所述光電活性層中， 電子給體材料選自聚(對亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、聚(對亞苯基) 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族半導體納米晶。
5.根據權利要求4所述的反向結構聚合物太陽電池，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.權利要求1至5所述的反向結構聚合物太陽電池的制備方法，包括如下步驟(1)在襯底上制備透明導電金屬氧化物電極層；(2)在透明導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極層，得到所述反向結構聚合物太陽電池。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于在制備過程中，利用旋涂的轉速來控制二異丙氧基雙(乙酰丙酮)合鈦膜的厚度，轉速為1000-5000rpm。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于烘烤的溫度為20-250°C，時間為1分鐘到 48小時。
9.根據權利要求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.根據權利要求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
本發明公開了屬于聚合物太陽電池技術領域的一種反向結構聚合物太陽電池及其制備方法。本發明所提供的反向結構聚合物太陽電池，包括依次層疊的襯底、透明導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。可采用旋涂法制備電子收集層，將其引入反向結構聚合物太陽電池中，實現了電子的高效收集；并且與現有的溶膠凝膠法制備的二氧化鈦相比，本發明也具有光電轉換效率高、工藝簡單，成本低廉，實驗重復性好、適合于大規模工業化生產等特點。
文檔編號H01L51/46GK102201539SQ20111010171
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者張文慶, 譚占鰲, 錢德平 申請人:華北電力大學