一種基于微波制備環境友好界面修飾層及其在制備聚合物太陽能電池中的應用
【專利摘要】本發明公開了一種基于微波制備環境友好界面修飾層的方法及其在制備高效聚合物太陽能電池中的應用。所述基于微波制備環境友好界面修飾層是以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過微波法一步合成制備得到；所述微波的功率不大于800W；微波的時間為2～15min。本發明所得界面修飾層材料具有低毒性、生物兼容性、光譜可調性、物理化學穩定性、廉價易制備、環境友好等特性，用于制備聚合物太陽能電池，不僅可優化界面層功函數、改善界面層與活性層的接觸，而且能有效地增加器件對太陽光的吸收，從而得到高效的聚合物太陽能電池，具有很好的推廣應用前景。
【專利說明】
一種基于微波制備環境友好界面修飾層及其在制備聚合物太 陽能電池中的應用
技術領域
[0001] 本發明屬于太陽能電池材料技術領域。更具體地，涉及一種基于微波制備環境友 好界面修飾層及其在制備高效聚合物太陽能電池中的應用。
【背景技術】
[0002] 基于共輒聚合物和富勒烯復合體系的聚合物太陽能電池(PSCs)由于其制備成本 低、適于大面積及柔性器件的制備而發展迅速，然而，聚合物太陽能電池的工業應用仍需要 更進一步提高其能量轉換效率(PCE)。其中，對界面層的修飾有利于電荷傳輸和收集，可提 高PSCs的PCE。
[0003] 常見的PSCs的界面層包括η-型金屬氧化物等，如ZnO和ΑΖ0。此類材料有著高電子 迀移率、優異的光學透過率等特點，并可以通過溶液制備。然而，ZnO和ΑΖ0的導帶能級與 PCBM的LUM0能級并不匹配，此外，金屬氧化物表面粗糙易捕獲電子，從而導致PSCs性能下 降。因此，研制高效界面修飾層成為改善界面層性能，提高PSCs能量轉換效率的關鍵之一。
[0004] 通過添加界面修飾層，可優化界面層的功函數，改善界面層與活性層的接觸，并且 能有效地增加器件對太陽光的吸收，從而可改善器件的性能。因此，需要提供一種可通過簡 便、環保的方法制備水溶性的界面修飾層，降低器件制備成本的同時提高器件的性能。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是克服上述現有聚合物太陽能電池界面層的缺陷和不 足，提供一種通過微波法一步合成環境友好的水溶性碳基量子點，作為聚合物太陽能電池 的界面修飾層，用于聚合物太陽能電池。本發明通過優化界面層的功函數，改善界面層與活 性層的接觸，并且能有效地增加器件對太陽光的吸收，從而可改善器件的性能。
[0006] 本發明的目的是提供一種基于微波制備環境友好界面修飾層。
[0007] 本發明另一目的是提供上述基于微波制備環境友好界面修飾層的制備方法。
[0008] 本發明的再一目的是提供一種基于微波制備環境友好界面修飾層的高效聚合物 太陽能電池及其制備方法。
[0009] 本發明上述目的通過以下技術方案實現： 一種基于微波制備環境友好界面修飾層，是以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過 微波法制備得到;所述微波的功率不大于800W;微波的時間為2~15min。
[0010] 其中，優選地，所述碳源為檸檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或氨 基酸。
[0011]更優選地，所述碳源為葡萄糖。
[0012] 優選地，所述鈍化劑為PEG200N、4,7，10-三氧雜-1,13-十三烷二胺(TTDDA)、二乙 醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亞胺(PEI)。
[0013] 更優選地，所述鈍化劑為4，7，10-三氧雜-1，13-十三烷二胺(TTDDA)。
[0014]另外，優選地，所述碳源:鈍化劑:水的質量比為0.1~5:0.1~5:5~20。
[0015 ] 更優選地，所述碳源:鈍化劑:水的質量比為0.5~2:0.5~2:8~15。
[0016]更優選地，所述碳源:鈍化劑:水的質量比為1:1:10。
[0017]更優選地，所述微波的功率為140~700W，微波的時間為2~15min。
[0018] 更優選地，所述微波的功率為400~600W，微波的時間為5~12min。
[0019]更優選地，所述微波的功率為560W，微波的時間為8min。
[0020] 另外，具體地，作為一種優選地可實施方案，上述基于微波制備環境友好界面修飾 層的方法，包括如下步驟： 51. 將碳源和鈍化劑混合加入水中，微波處理； 52. 微波處理后的溶液進行透析，即得到所述界面修飾層溶液。
[0021] 優選地，步驟S1所述微波處理的條件為：微波功率不大于800W，微波時間為2~ 15min〇
[0022] 更優選地，步驟S1所述微波的功率為140~700W，微波的時間為2~15min。
[0023] 更優選地，步驟S1所述微波的功率為400~600W，微波的時間為5~12min。
[0024]更優選地，步驟S1所述微波的功率為560W，微波的時間為8min。
[0025]優選地，步驟S1所述碳源為檸檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或 氨基酸。
[0026] 優選地，步驟S1所述鈍化劑為PEG200N、4,7,10-三氧雜-1，13-十三烷二胺、二乙醇 胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亞胺。
[0027]更優選地，步驟S1所述碳源為葡萄糖，所述鈍化劑為4,7,10-三氧雜-1，13-十三烷 二胺。
[0028] 優選地，步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質量比為0.1~5:0.1~5:5~20。
[0029] 更優選地，步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質量比為0.5~2:0.5~2:8~15。
[0030]更優選地，步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質量比為1:1:10。
[0031] 優選地，步驟S2所述透析是使用Mw=1000~10000的透析袋，水環境中透析24~120 小時。
[0032] 更優選地，步驟S2所述透析是使用Mw=3500的透析袋，水環境中透析72~96小時。
[0033] 更優選地，步驟S2所述透析是使用Mw=3500的透析袋，水環境中透析72小時。
[0034] 利用上述方法制備得到的環境友好界面修飾層也在本發明的保護范圍之內。
[0035] 上述基于微波制備環境友好界面修飾層在制備環境友好高效聚合物太陽能電池 中的應用，也在本發明的保護范圍之內。
[0036] -種環境友好高效聚合物太陽能電池，所述聚合物太陽能電池為倒裝結構，依次 包括ΙΤ0玻璃、界面層、界面修飾層、活性層、陽極修飾層和頂電極;所述界面修飾層為上述 基于微波制備環境友好界面修飾層。
[0037] 優選地，所述界面層為Ζη0、ΑΖ0或TiOx等。
[0038]優選地，所述活性層為 P3HT: PCBM、PTB7-Th: PCBM、PTB7: PCBM 或 MEH-PPV: PCBM。 [0039] 優選地，所述陽極修飾層為Mo03、V20 5、NiO或Fe3〇4。
[0040] 優選地，所述頂電極為A1、Ag、Cu、Au或Pt。
[0041] 另外，具體地，作為一種優選地可實施方案，所述環境友好高效聚合物太陽能電池 的制備方法，包括如下步驟： 51. 清洗ITO玻璃，并干燥； 52. 在干燥的ITO玻璃上涂布界面層，180~220°C退火3~8min; 53. 在步驟S2所述界面層上涂布界面修飾層，80~120 °C退火8~15min; 54. 在步驟S3所述界面修飾層上涂布活性層； 55. 將步驟S4處理后的樣品移至真空鍍膜系統，分別蒸鍍陽極修飾層和頂電極(即分別 蒸鍍Mo03和A1)。
[0042] 其中，優選地，步驟S2所述退火的條件為:200°C退火5 min。
[0043] 優選地，步驟S3所述退火的條件為：100°C退火10 min。
[0044] 利用上述制備方法制備得到的基于微波制備環境友好界面修飾層的高效聚合物 太陽能電池也在本發明的保護范圍之內。
[0045] 上述所得的聚合物太陽能電池，由于采用碳基量子點做界面修飾層，優化界面層 的功函數，改善界面層與活性層的接觸，并且能有效地增加器件對太陽光的吸收，從而可改 善器件的性能，可廣泛應用于光伏器件的界面修飾中。
[0046] 因此，所述高效聚合物太陽能電池的應用也應在本發明的保護范圍之內。
[0047]本發明具有以下有益效果： 本發明以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過微波法一步合成水溶性碳基量子點， 作為環境友好高效聚合物太陽能電池的界面修飾層，所述的界面修飾層材料具有低毒性、 生物兼容性、光譜可調性、物理化學穩定性，廉價易制備，環境友好等特性，用于聚合物太陽 能電池，不僅可優化界面層功函數、改善界面層與活性層的接觸，而且能有效地增加對太陽 光的吸收，從而得到高效的聚合物太陽能電池，具有很好的推廣應用前景。
【附圖說明】
[0048]圖1為實施例5的聚合物太陽能電池的電壓-電流密度曲線。
【具體實施方式】
[0049]以下結合說明書附圖和具體實施例來進一步說明本發明，但實施例并不對本發明 做任何形式的限定。除非特別說明，本發明采用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試 劑、方法和設備。
[0050] 除非特別說明，以下實施例所用試劑和材料均為市購。
[0051] 實施例1基于微波制備環境友好界面修飾層 1、以碳源和鈍化劑為原料，以水為溶劑，通過微波法一步合成水溶性碳基量子點，作為 環境友好高效聚合物太陽能電池的界面修飾層。
[0052] 具體地，所述基于微波制備環境友好界面修飾層的方法，包括如下步驟： 51. 將碳源和鈍化劑混合加入水中，微波處理； 52. 微波處理后的溶液進行透析，即得到所述界面修飾層溶液。
[0053]其中，步驟S1所述微波處理的條件為：微波功率不大于800W，微波時間為2~ 15min〇
[0054]步驟S1所述碳源為檸檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或氨基酸。
[0055] 步驟S1所述鈍化劑為PEG200N、4,7，10-三氧雜-1，13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二 胺、三乙胺或聚乙烯亞胺。
[0056] 步驟S1所述碳源:鈍化劑:水的質量比為0.1~5:0.1~5:5~20。
[0057] 步驟S2所述透析是使用Mw=1000~10000的透析袋，水環境中透析24~120小時。
[0058]實施例2制備高效聚合物太陽能電池 1、制備界面修飾層，包括如下步驟： 51. 按照碳源:鈍化劑:水的質量比為1:1:10的比例，分別將碳源和鈍化劑加入水中， 560W微波處理8min; 52. 微波處理后的溶液進行透析，即得到所述界面修飾層溶液。
[0059]其中，步驟S1所述碳源為葡萄糖，所述鈍化劑為4,7,10-三氧雜-1，13-十三烷二 胺。
[0000] 步驟S2所述透析是Mw=3500的透析袋，水環境中透析72=小時。
[0061] 2、制備聚合物太陽能電池 利用上述基于微波制備的環境友好界面修飾層制備高效聚合物太陽能電池，具體方法 如下： 51. 清洗ΙΤ0玻璃，并干燥； 52. 在干燥的ΙΤ0玻璃上涂布界面層，200°C退火5 min; 53. 在步驟S2所述界面層上涂布界面修飾層，100°C退火10 min; 54. 在步驟S3所述界面修飾層上涂布活性層； 55. 將步驟S4處理后的樣品移至真空鍍膜系統，分別蒸鍍Mo03和A1。
[0062] 2、制備所得聚合物太陽能電池為倒裝結構，依次包括ΙΤ0玻璃、界面層、界面修飾 層、活性層、陽極修飾層和頂電極;所述界面修飾層為上述基于微波制備環境友好界面修飾 層。
[0063] 其中，所述界面層為Ζη0、ΑΖ0或TiOx等，所述活性層為P3HT: PCBM、PTB7-Th: PCBM、 PTB7: PCBM或MEH-PPV: PCBM，所述陽極修飾層為Mo03、V2〇5、Ni 0或Fe3〇4;所述頂電極為Al、Ag、 Cu、AuSPt。
[0064] 實施例3界面修飾層對P3HT: PCBM體系聚合物太陽能電池性能的影響 1、本實施例以ZnO為界面層，P3HT: PCBM作為活性層，分別蒸鍍Mo03和A1，制備聚合物太 陽能電池，具體方法參見實施例2。
[0065] 實驗分為兩組： (1)對照組:參照實施例2的方法制備聚合物太陽能電池，唯一不同之處在于沒有涂布 界面修飾層。
[0066] (2)實驗組:參照實施例2的方法制備的聚合物太陽能電池。
[0067] 2、測試評價所制備聚合物太陽能電池的PCE性能。
[0068] 3、結果如表1所示。
[0069]表1標準器件和碳基量子點器件的各項參數
由表1可知，結果顯示，使用本發明制得的界面修飾層材料后，聚合物太陽能電池的短 路電流和填充因子均得到增加，最終能量轉換效率大大提升。
[0070] 實施例4界面修飾層對PTB7-Th:PCBM體系聚合物太陽能電池性能的影響 1、本實施例以ΑΖ0為界面層，PTB7-Th: PCBM作為活性層，分別蒸鍍Mo03和A1，制備聚合 物太陽能電池，具體方法參見實施例2。
[0071] 實驗分為兩組： (1)對照組:參照實施例2的方法制備聚合物太陽能電池，唯一不同之處在于沒有涂布 界面修飾層。
[0072] (2)實驗組:參照實施例2的方法制備的聚合物太陽能電池。
[0073] 2、測試評價所制備聚合物太陽能電池的PCE性能。
[0074] 3、結果如表2所示。
[0075]表2標準器件和碳基量子點器件的各項參數
結果顯示，使用本發明制得的界面修飾層材料后，聚合物太陽能電池的開路電壓、短路 電流和填充因子均得到增加，最終能量轉換效率大大提升。
[0076]實施例5界面修飾層對PTB7:PCBM體系聚合物太陽能電池性能的影響 1、本實施例以ZnO為界面層，PTB7: PCBM作為活性層，分別蒸鍍Mo03和A1，制備聚合物太 陽能電池，具體方法參見實施例2。
[0077] 實驗分為兩組： (1)對照組:參照實施例2的方法制備聚合物太陽能電池，唯一不同之處在于沒有涂布 界面修飾層。
[0078] (2)實驗組:參照實施例2的方法制備的聚合物太陽能電池。
[0079] 2、測試評價所制備聚合物太陽能電池的PCE性能。
[0080] 3、結果如附圖1和表3所示。
[0081] 圖1為本實施例制備的聚合物太陽能電池的電壓-電流密度曲線。
[0082] 表3標準器件和碳基量子點器件的各項參數
結果顯示，使用本發明制得的界面修飾層材料后，聚合物太陽能電池的開路電壓、短路 電流和填充因子均得到增加，最終能量轉換效率大大提升。
[0083]以上所述為本發明的較佳實施例，但并不以此限定本發明的保護范圍，對本發明 做出的簡單改進都應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于微波制備環境友好界面修飾層，其特征在于，是以碳源和鈍化劑為原料，以 水為溶劑，通過微波法制備得到;所述微波的功率不大于800W;微波的時間為2~15min。2. 根據權利要求1所述基于微波制備環境友好界面修飾層，其特征在于，所述碳源為檸 檬酸、葡萄糖、殼聚糖、果糖、L-抗壞血酸、多巴胺或氨基酸。3. 根據權利要求1所述基于微波制備環境友好界面修飾層，其特征在于，所述鈍化劑為 PEG200N、4,7，10-三氧雜-l，13-十三烷二胺、二乙醇胺、乙二胺、三乙胺或聚乙烯亞胺。4. 根據權利要求1所述基于微波制備環境友好界面修飾層，其特征在于，所述碳源:鈍 化劑:水的質量比為0.1~5:0.1~5:5~20。5. 根據權利要求1所述基于微波制備環境友好界面修飾層，其特征在于，所述微波的 功率為140~700W，微波的時間為2~15min。6. 權利要求1所述基于微波制備環境友好界面修飾層的制備方法，其特征在于，包括如 下步驟：51. 將碳源和鈍化劑混合加入水中，進行微波處理；52. 微波處理后的溶液進行透析，即得到所述界面修飾層溶液。7. 權利要求1所述基于微波制備環境友好界面修飾層在制備高效聚合物太陽能電池中 的應用。8. -種高效聚合物太陽能電池，其特征在于，所述聚合物太陽能電池為倒裝結構，依次 包括ITO玻璃、界面層、界面修飾層、活性層、陽極修飾層和頂電極;所述界面修飾層為權利 要求1所述界面修飾層。9. 權利要求8所述高效聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：51. 清洗ITO玻璃，并干燥；52. 在干燥的ITO玻璃上涂布界面層，180~220 °C退火3~8min;53. 在步驟S2所述界面層上涂布界面修飾層，80~120 °C退火8~15min;54. 在步驟S3所述界面修飾層上涂布活性層；55. 將步驟S4處理后的樣品移至真空鍍膜系統，分別蒸鍍陽極修飾層和頂電極。10. 權利要求8所述高效聚合物太陽能電池的應用。
【文檔編號】H01L51/48GK106025069SQ201610340233
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】楊玉照, 林霄峰, 區潔美, 袁中柯, 陳旭東, 余丁山, 洪煒
【申請人】中山大學