專利名稱：一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池及其制備的制作方法
技術領域：
本發明涉及有機光電領域，特別是一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池及其制備。
背景技術：
隨著全球石油資源的日益耗盡，太陽能電池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。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(I)提高光電轉換效率及壽命(2)采用新型材料以降低成本。到目前為止，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。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。1995年，A.J. Heeger等提出了本體異質結(BHJ)的概念，大大提高了光伏電池給/受體異質結的接觸面積。由于結構簡單、容易制備而引起了人們的廣泛關注。2005年，A.J. Heeger等通過熱處理P3HT:PCBM活性層獲得了 5 %的能量轉換效率。2007年K. Lee等采用透明的TiOx作為級聯材料疊層結構的電池效率達到6. 5%。2009年，美國Solarmer公司的候建輝博士制備的新型聚合物PBDTTT-C =PCBM單層器件效率達到了7.4%。2010年8月，進一步達到了 8. 13 %的效率。2010年10月，德國Heliatek宣布利用p-i-n摻雜技術制備的有機小分子疊層電池在I. Icm2面積的上實現了 8. 3%的轉換效率。2010年11月，Konarka公司宣布lcm2單層聚合物器件獲得了 8. 3 %的光電轉換效率，參見http://www. konarka. com/index, php/site/pressreleasedetaiI/konarkaspower plastic achieves world record 83 efficiency certification fr。 2011 年 3月，日本三菱化學公司宣布該公司的有機光伏電池(基于苯并卩卜啉PCBM體系)在25mm2面積上獲得了 9. 2%的光電轉換效率。2011年12月，德國Heliatek公司研發的I. I cm2有機疊層光伏電池轉化效率達到9. 8%,參見http://www. heliatek. com/wp-content/uploads/2011/12/1I1205 PI Heliatek-with~efficiency-record-for-organic-solar-cell EN. pdf o2012 年 2 月，美國 Polyera 公司(http: //www. polyera. com/newsflash/polyera-achieves-world-record-organic-solar-cel 1-performance)宣布其聚合物 / 富勒烯有機光伏電池都創造了 9.0%的轉換效率。2012年2月，住友化學(Sumitomo Chemical)宣布和ULCA的Yang Yang教授成功將有機薄膜太陽能電池轉換率提升至10. 6%。圍繞著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。要提高有機光伏電池的光電轉換效率及穩定性，除了材料因素以外，器件的結構設計也是至關重要的。有機太陽能電池中提高效率的一個重要措施就是在鋁陰極和活性層材料之間加入一薄層陰極修飾層。以此加強有機活性層材料和電極的能級匹配，優化活性層和電極之間的界面，提供通暢的載流子傳輸路徑從而有利于電極對電荷的收集。研究表明陰極修飾層材料是提高光電轉換效率、延長電池使用壽命的可行性途徑之一。目前較為普遍的陰極修飾材料是金屬氟化物。Brabec等研究了氟化鋰(LiF)陰極修飾層對聚合物太陽能電池的影響(Brabec, C. J. ; Shaheen, S.E. ; Winder, C. ; Sariciftci, N. S. ; Denk, P. Appl. Phys. Lett. 2002，80，1288)。LiF 的插入增大了器件的填充因子、短路電流及能量轉換效率，減小了器件的串聯電阻。這是因為LiF本身是一種極性較強的離子化合物。它可能在界面上有序排列而形成一層界面偶極層，從而降低了金屬的功函數，使得有機層與電極之間形成良好的歐姆接觸。這樣就降低了器件的串聯電阻，增大了太陽電池的填充因子與短路電流。其他的修飾材料包括 TiOx (Hayakawa, A. ; Yoshikawa, O. ; Fujieda, T. ; Uehara, K. ; Yoshikawa, S. Appl. phys. Lett. 2007，90，163517),2,9- 二甲基-4，7- 二苯基-1,10-鄰二氮雜菲(BCP，bathocproine) (Vogel, Μ. ; Doka, S. ; Breyer, C. ; Lux-Steiner, M. C. ; Fostiropoulos, Κ.Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 163501 )。這些無機物(LiF、Ti0x)成膜需要用到昂貴的電子束和真空蒸鍍裝置，方法較為復雜，膜厚不易精確控制。有機材料BCP需要通過真空蒸鍍的方法成膜，而且膜厚和實驗條件有關，真空蒸鍍設備價格昂貴，無法大面積制備。從實用化的角度來看，不利于工業化批量生產。因此，尋找價格低廉的陰極修飾層材料或溶液可加工的陰極修飾層材料就成為了有機光伏電池制備中亟待解決的問題。最近，華南理工大學曹鏞院士組通過在活性層電極界面引入帶有極性基團的共軛聚合物薄層或電介質層，利用共軛聚合物在界面形成和器件的內建電場方向一致的電偶極矩或電介質層進而有效阻擋載流子反向傳輸，成功的實現了開路電壓和填充因子的同時提高，獲得了 8. 37%的光電轉換效率。CN201010528725. X專利申請公開了一種以乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池及其制備方法。乙酸銫作為器件陰極修飾材料具有相對于LiF低很多的熔點。從工藝上來說，選擇乙酸銫作為陰極修飾緩沖材料在一定程度上可以降低成本、簡化器件制作工藝。
發明內容本發明的目的是針對上述技術分析和存在問題，提供一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池及其制備方法，該有機光伏電池具有較高的光電轉化效率和穩定性，制備條件簡單，易于實施。本發明的技術方案一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池，由透明導電襯底、陽極緩沖層PED0T:PSS、活性層、陰極修飾層和金屬背電極依次疊加構成，所述透明導電襯底為帶有ΙΤ0、FTO和AZO導電層的玻璃或者柔性襯底；活性層為P3HT:PCBM，厚度為80_100nm ;陰極修飾層為三氟乙酸銫，厚度X為0. 2nm ^ X ^ Inm ;金屬背電極為Al,厚度為100nm。一種所述以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池的制備方法，步驟如下I)將透明導電襯底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，然后干燥；2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在上述透明導電襯底上旋涂PED0T:PSS陽極緩沖層，然后在120度下干燥10分鐘；3)在PED0T:PSS陽極緩沖層上旋涂活性層，然后在150度下干燥30min ；4)采用溶液旋涂法將三氟乙酸銫陰極修飾層旋涂在活性層上，溶液旋涂法旋涂三氟乙酸銫陰極修飾層的溶劑為無水乙醇，三氟乙酸銫與無水乙醇的用量比為O. 01-0. 5mg/mL ；5)在三氟乙酸銫陰極修飾層上采用熱蒸鍍法蒸鍍金屬背電極。本發明的優點和積極效果本發明通過溶液旋涂法旋涂三氟乙酸銫作為器件的陰極修飾層，相比于乙酸銫陰極修飾層，由于分子中存在著三氟甲基，使得陰極修飾層分子的極性更強，更有利于電荷的分離及傳輸，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；相對于傳統的無機氟化鋰(LiF)陰極修飾層，三氟乙酸銫作為陰極修飾層可以和活性層之間形成更好 的界面接觸；通過溶液旋涂法旋涂三氟乙酸銫作為器件的陰極修飾層可以簡化器件制作工藝，成本低、重現性好，特別是采用溶液旋涂法加工時不需要高真空的制備，制備條件簡單，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。
附圖為該有機光伏電池結構示意圖。
具體實施方式實施例一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池，由透明導電襯底、陽極緩沖層PED0T:PSS、活性層、陰極修飾層和金屬背電極依次疊加構成，所述透明導電襯底為帶有IT0、FT0和AZO導電層的玻璃襯底；活性層為P3HT:PCBM，厚度為IOOnm ;陰極修飾層為三氟乙酸銫，厚度為O. 8nm ;金屬背電極為Al,厚度為lOOnm。所述以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池的制備方法，步驟如下I)將3_X3_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)在空氣條件下，在上述ITO玻璃襯底上旋涂陽極緩沖層PED0T:PSS，然后在120度下干燥10分鐘；3 )在上述陽極緩沖層PEDOT: PSS上旋涂活性層P3HT: PCBM,在150度下干燥30min ；4)采用溶液旋涂法將陰極修飾層三氟乙酸銫旋涂制成厚度為0. 8nm的薄膜，溶液旋涂法旋涂三氟乙酸銫陰極修飾層的溶劑為無水乙醇，三氟乙酸銫與無水乙醇的用量比為0. 3mg/mL ；5)借助條形掩膜板，在三氟乙酸銫陰極修飾層之上真空蒸鍍厚度為IOOnm的Al做背電極，即可制成結構為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/三氟乙酸銫/Al的有機光伏電池。用相同方法制備以LiF為陰極緩沖層的對比器件和不加任何修飾層的對比器件。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。測試結果表明以三氟乙酸銫為陰極緩沖層的器件在AMI. 5G (100mff/cm2)光照下，Jsc, Voc,FF、PCE分別為10. 2mA/cm2、0. 66V、64. 4%,4. 2% ;在同樣條件下制備的以LiF為陰極緩沖層的對比器件在 AMI. 5G (100mff/cm2)光照下，Jsc, Voc, FF、PCE 分別為 10. 2mA/cm2、0. 65V、48%,3. 2% ;不加任何修飾層的對比器件在AMI. 5G (100mW/cm2)光照下，Jsc、Voc、FF、PCE分別為 7. 19mA/cm2、0. 58V、49%、2. 1%0
權利要求
1.一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池，其特征在于由透明導電襯底、陽極緩沖層PEDOT:PSS、活性層、陰極修飾層和金屬背電極依次疊加構成，所述透明導電襯底為帶有ITO、FTO和AZO導電層的玻璃或者柔性襯底；活性層為？3肌:？081，厚度為80-100nm ;陰極修飾層為三氟乙酸銫,厚度x為O. 2nm彡x彡Inm ;金屬背電極為Al,厚度為lOOnm。
2.一種如權利要求I所述以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池的制備方法，其特征在于步驟如下 . 1)將透明導電襯底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，然后干燥； . 2)在空氣中或在惰性氣體保護下，在上述透明導電襯底上旋涂PED0T:PSS陽極緩沖層，然后在120度下干燥10分鐘； .3)在PED0T:PSS陽極緩沖層上旋涂活性層，然后在150度下干燥30min； . 4)采用溶液旋涂法將三氟乙酸銫陰極修飾層旋涂在活性層上，溶液旋涂法旋涂三氟乙酸銫陰極修飾層的溶劑為無水乙醇，三氟乙酸銫與無水乙醇的用量比為O. 01-0. 5mg/mL ； .5)在三氟乙酸銫陰極修飾層上采用熱蒸鍍法蒸鍍金屬背電極。
全文摘要
一種以三氟乙酸銫為陰極修飾層的有機光伏電池，由透明導電襯底、陽極緩沖層、活性層、陰極修飾層和金屬背電極依次疊加構成，陰極修飾層為三氟乙酸銫，厚度x為0.2nm≤x≤1nm；其制備方法是在清洗干凈的透明導電襯底上，采用旋涂法依次旋涂陽極緩沖層、活性層、陰極修飾層，最后采用熱蒸鍍法蒸鍍金屬背電極。本發明的優點是通過溶液旋涂法旋涂三氟乙酸銫作為器件的陰極修飾層，使其分子的極性更強，更有利于電荷的分離及傳輸，可顯著提高有機光伏電池器件的光電轉化效率和穩定性；相對于無機氟化鋰陰極修飾層，三氟乙酸銫作為陰極修飾層可以和活性層之間形成更好的界面接觸；制備工藝簡單、成本低、重現性好，適于工業化生產。
文檔編號H01L51/42GK102931352SQ20121044300
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者楊利營, 印壽根, 秦文靜, 賈月華, 李彥芳, 張鳳玲 申請人:天津理工大學