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一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池及其制备.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210443001.4

申请日:

2012.11.07

公开号:

太阳城集团CN102931352B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 51/42申请日:20121107|||公开
IPC分类号: H01L51/42; H01L51/44; H01L51/48 主分类号: H01L51/42
申请人: 天津理工大学
发明人: 杨利营; 印寿根; 秦文静; 贾月华; 李彦芳; 张凤玲
地址: 300384 天津市西青区宾水西道391号天津理工大学主校区
优先权:
专利代理机构: 天津佳盟知识产权代理有限公司 12002 代理人: 侯力
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210443001.4

授权太阳城集团号:

太阳城集团102931352B||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2015.01.28|||2013.03.20|||2013.02.13

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池,由透明导电衬底、阳极缓冲层、活性层、阴极修饰层和金属背电极依次叠加构成,阴极修饰层为三氟乙酸铯,厚度x为0.2nm≤x≤1nm;其制备方法是:在清洗干净的透明导电衬底上,采用旋涂法依次旋涂阳极缓冲层、活性层、阴极修饰层,最后采用热蒸镀法蒸镀金属背电极。本发明的优点是:通过溶液旋涂法旋涂三氟乙酸铯作为器件的阴极修饰层,使其分子的极性更强,更有利于电荷的分离及传输,可显著提高有机光伏电池器件的光电转化效率和稳定性;相对于无机氟化锂阴极修饰层,三氟乙酸铯作为阴极修饰层可以和活性层之间形成更好的界面接触;制备工艺简单、成本低、重现性好,适于工业化生产。

权利要求书

权利要求书一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池,其特征在于:由透明导电衬底、阳极缓冲层PEDOT:PSS、活性层、阴极修饰层和金属背电极依次叠加构成,所述透明导电衬底为带有ITO、FTO和AZO导电层的玻璃或者柔性衬底;活性层为P3HT:PCBM,厚度为80‑100nm;阴极修饰层为三氟乙酸铯,厚度x为0.2nm≤x≤1nm;金属背电极为Al,厚度为100nm。
一种如权利要求1所述以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池的制备方法,其特征在于步骤如下:
1)将透明导电衬底在清洁剂中反复清洗后,再分别经异丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超声清洗,然后干燥;
2)在空气中或在惰性气体保护下,在上述透明导电衬底上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层,然后在120度下干燥10分钟;
3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层上旋涂活性层,然后在150度下干燥30min;
4)采用溶液旋涂法将三氟乙酸铯阴极修饰层旋涂在活性层上,溶液旋涂法旋涂三氟乙酸铯阴极修饰层的溶剂为无水乙醇,三氟乙酸铯与无水乙醇的用量比为0.01‑0.5mg/mL;
5)在三氟乙酸铯阴极修饰层上采用热蒸镀法蒸镀金属背电极。

说明书

说明书一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池及其制备
【技术领域】
本发明涉及有机光电领域,特别是一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池及其制备。 
【背景技术】
随着全球石油资源的日益耗尽,太阳能电池作为解决世界能源危机的一个可行的方法,太阳能的利用成为一个广泛研究的前沿性课题。因此,大力发展太阳电池产业,利用太阳光发电已经成为世界各国经济可持续发展的新能源战略。太阳能电池的研究与开发始终围绕以下两个关键问题而展开:(1)提高光电转换效率及寿命(2)采用新型材料以降低成本。到目前为止,无机光伏电池在制备过程中所需的高温、高真空使得无机光伏电池的生产成本非常之高,这使得其应用受到很大的限制。有机光伏电池以其成本低、无毒、容易制备、易于实现柔性器件、可以方便有效地改变有机材料的化学结构以控制最佳的能带、电荷迁移率、溶解度甚至取向程度来提高电池的效率等特点而成为近年来的研究热点。如果有机光伏电池的光电转换效率达到10%,就有可能实现商业化生产。 
1995年,A.J.Heeger等提出了本体异质结(BHJ)的概念,大大提高了光伏电池给/受体异质结的接触面积。由于结构简单、容易制备而引起了人们的广泛关注。2005年,A.J.Heeger等通过热处理P3HT:PCBM活性层获得了5%的能量转换效率。2007年K.Lee等采用透明的TiOx作为级联材料叠层结构的电池效率达到6.5%。2009年,美国Solarmer公司的候建辉博士制备的新型聚合物PBDTTT‑C:PCBM单层器件效率达到了7.4%。2010年8月,进一步达到了8.13%的效率。2010年10月,德国Heliatek宣布利用p‑i‑n掺杂技术制备的有机小分子叠层电池在1.1cm2面积的上实现了8.3%的转换效率。2010年11月,Konarka公司宣布1cm2单层聚合物器件获得了8.3%的光电转换效率,参见: http://www.konarka.com/index.php/site/pressreleasedetail/konarkas_power_plastic_achieves_world_record_83_efficiency_certification_fr。2011年3月,日本三菱化学公司宣布该公司的有机光伏电池(基于苯并卟啉:PCBM体系)在25mm2面积上获得了9.2%的光电转换效率。2011年12月,德国Heliatek公司研发的1.1cm2有机叠层光伏电池转化效率达到9.8%,参见: http://www.heliatek.com/wp‑content/uploads/2011/12/111205_PI_Heliatek‑with‑efficiency‑record‑for‑organic‑solar‑cell EN.pdf
2012年2月,美国Polyera公司(http://www.polyera.com/newsflash/polyera‑achieves‑world‑record‑organic‑solar‑cell‑performance)宣布其聚合物/富勒烯有机光伏电池都创造了9.0%的转换效率。2012年2月,住友化学(Sumitomo Chemical)宣布和ULCA的Yang Yang教授成功将有机薄膜太阳能电池转换率提升至10.6%。围绕着提高有机光伏电池的效率,从宽吸收、窄带隙聚合物的设计合成到器件结构的优化人们进行了大量的探索研究。 
要提高有机光伏电池的光电转换效率及稳定性,除了材料因素以外,器件的结构设计也是至关重要的。有机太阳能电池中提高效率的一个重要措施就是在铝阴极和活性层材料之间加入一薄层阴极修饰层。以此加强有机活性层材料和电极的能级匹配,优化活性层和电极之间的界面,提供通畅的载流子传输路径从而有利于电极对电荷的收集。研究表明阴极修饰层材料是提高光电转换效率、延长电池使用寿命的可行性途径之一。 
目前较为普遍的阴极修饰材料是金属氟化物。Brabec等研究了氟化锂(LiF)阴极修饰层对聚合物太阳能电池的影响(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、短路电流及能量转换效率,减小了器件的串联电阻。这是因为LiF本身是一种极性较强的离子化合物。它可能在界面上有序排列而形成一层界面偶极层,从而降低了金属的功函数,使得有机层与电极之间形成良好的欧姆接触。这样就降低了器件的串联电阻,增大了太阳电池的填充因子与短路电流。其他的修饰材料包括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‑邻二氮杂菲(BCP,bathocproine)(Vogel,M.;Doka,S.;Breyer,C.;Lux‑Steiner,M.C.;Fostiropoulos,K.Appl.Phys.Lett.2006,89,163501)。这些无机物(LiF、TiOx)成膜需要用到昂贵的电子束和真空蒸镀装置,方法较为复杂,膜厚不易精确控制。有机材料BCP需要通过真空蒸镀的方法成膜,而且膜厚和实验条件有关,真空蒸镀设备价格昂贵,无法大面积制备。从实用化的角度来看,不利于工业化批量生产。因此,寻找价格低廉的阴极修饰层材料或溶液可加工的阴极修饰层材料就成为了有机光伏电池制备中亟待解决的问题。最近,华南理工大学曹镛院士组通过在活性层电极界面引入带有极性基团的共轭聚合物薄层或电介质层,利用共轭聚合物在界面形成和器件的内建电场方向一致的电偶极矩或电介质层进而有效阻挡载流子反向传输,成功的实现了开路电压和填充因子的同时提高,获得了8.37%的光电转换效率。CN201010528725.X专利申请公开了一种以乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池 及其制备方法。乙酸铯作为器件阴极修饰材料具有相对于LiF低很多的熔点。从工艺上来说,选择乙酸铯作为阴极修饰缓冲材料在一定程度上可以降低成本、简化器件制作工艺。 
【发明内容】
本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题,提供一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池及其制备方法,该有机光伏电池具有较高的光电转化效率和稳定性,制备条件简单,易于实施。 
本发明的技术方案: 
一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池,由透明导电衬底、阳极缓冲层PEDOT:PSS、活性层、阴极修饰层和金属背电极依次叠加构成,所述透明导电衬底为带有ITO、FTO和AZO导电层的玻璃或者柔性衬底;活性层为P3HT:PCBM,厚度为80‑100nm;阴极修饰层为三氟乙酸铯,厚度x为0.2nm≤x≤1nm;金属背电极为Al,厚度为100nm。 
一种所述以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池的制备方法,步骤如下: 
1)将透明导电衬底在清洁剂中反复清洗后,再分别经异丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超声清洗,然后干燥; 
2)在空气中或在惰性气体保护下,在上述透明导电衬底上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层,然后在120度下干燥10分钟; 
3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层上旋涂活性层,然后在150度下干燥30min; 
4)采用溶液旋涂法将三氟乙酸铯阴极修饰层旋涂在活性层上,溶液旋涂法旋涂三氟乙酸铯阴极修饰层的溶剂为无水乙醇,三氟乙酸铯与无水乙醇的用量比为0.01‑0.5mg/mL; 
5)在三氟乙酸铯阴极修饰层上采用热蒸镀法蒸镀金属背电极。 
本发明的优点和积极效果: 
本发明通过溶液旋涂法旋涂三氟乙酸铯作为器件的阴极修饰层,相比于乙酸铯阴极修饰层,由于分子中存在着三氟甲基,使得阴极修饰层分子的极性更强,更有利于电荷的分离及传输,从而显著地提高了有机光伏电池器件的光电转化效率和稳定性;相对于传统的无机氟化锂(LiF)阴极修饰层,三氟乙酸铯作为阴极修饰层可以和活性层之间形成更好的界面接触;通过溶液旋涂法旋涂三氟乙酸铯作为器件的阴极修饰层可以简化器件制作工艺,成本低、重现性好,特别是采用溶液旋涂法加工时不需要高真空的制备,制备条件简单,适用于未来的大规模的滚筒式(roll‑to‑roll)工业化生产有机太阳能电池及其组件。 
【附图说明】
附图为该有机光伏电池结构示意图。 
【具体实施方式】
实施例: 
一种以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池,由透明导电衬底、阳极缓冲层PEDOT:PSS、活性层、阴极修饰层和金属背电极依次叠加构成,所述透明导电衬底为带有ITO、FTO和AZO导电层的玻璃衬底;活性层为P3HT:PCBM,厚度为100nm;阴极修饰层为三氟乙酸铯,厚度为0.8nm;金属背电极为Al,厚度为100nm。 
所述以三氟乙酸铯为阴极修饰层的有机光伏电池的制备方法,步骤如下: 
1)将3mm×3mm的ITO玻璃在清洁剂中反复清洗后,再分别经异丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超声清洗,最后在红外烘箱中干燥待用; 
2)在空气条件下,在上述ITO玻璃衬底上旋涂阳极缓冲层PEDOT:PSS,然后在120度下干燥10分钟; 
3)在上述阳极缓冲层PEDOT:PSS上旋涂活性层P3HT:PCBM,在150度下干燥30min; 
4)采用溶液旋涂法将阴极修饰层三氟乙酸铯旋涂制成厚度为0.8nm的薄膜,溶液旋涂法旋涂三氟乙酸铯阴极修饰层的溶剂为无水乙醇,三氟乙酸铯与无水乙醇的用量比为0.3mg/mL; 
5)借助条形掩膜板,在三氟乙酸铯阴极修饰层之上真空蒸镀厚度为100nm的Al做背电极,即可制成结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/三氟乙酸铯/Al的有机光伏电池。 
用相同方法制备以LiF为阴极缓冲层的对比器件和不加任何修饰层的对比器件。 
太阳城集团将所有条形ITO阳极一端接电流表正极,所有条形Al阴极一端接电流表负极。测试结果表明:以三氟乙酸铯为阴极缓冲层的器件在AM1.5G(100mW/cm2)光照下,Jsc、Voc、FF、PCE分别为10.2mA/cm2、0.66V、64.4%、4.2%;在同样条件下制备的以LiF为阴极缓冲层的对比器件在AM1.5G(100mW/cm2)光照下,Jsc、Voc、FF、PCE分别为10.2mA/cm2、0.65V、48%、3.2%;不加任何修饰层的对比器件在AM1.5G(100mW/cm2)光照下,Jsc、Voc、FF、PCE分别为7.19mA/cm2、0.58V、49%、2.1%。

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一种 乙酸 阴极 修饰 有机 电池 及其 制备
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