專利名稱：反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用Ti02作為電子 傳輸層、CuPc作為空穴傳輸層、電極反型的聚合物太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚合物太陽能電池由于其廉價、柔性、大面積等優(yōu)點成為近年來清潔、可再 生能源研究領(lǐng)域的一個熱點。在基于聚三己基噻吩(P3HT) /富勒烯衍生物 (PCBM )共混薄膜的太陽能電池中，傳統(tǒng)上采用 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/AI的結(jié)構(gòu)。雖然這種電池有4 5%的轉(zhuǎn)化效
率，但是這種結(jié)構(gòu)制作的電池有很多缺點。例如PSS作為一種有機酸，它會
腐蝕ITO表面，使得ITO表面的粗糙度增加，導(dǎo)致了器件的串聯(lián)電阻增大，光 生電流減小，能量轉(zhuǎn)化效率下降。另外，LiF作為陰極緩沖層，它的最佳厚度為 0.6 1.2nm，當(dāng)厚度大于1.2nm時，作為絕緣體的LiF,增大了器件的串聯(lián)電阻， 導(dǎo)致了光生電流減小，能量轉(zhuǎn)化效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種反型結(jié)構(gòu)體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池及其制備方 法，，使用Ti02和CuPc代替PEDOT:PSS和LiF材料。
本發(fā)明所制備反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池，從下至上，結(jié)構(gòu)依次為ITO襯底 陰極、Ti02電子傳輸層、P3HT:PCBM有源層、CuPc空穴傳輸層、Au陽極， 即ITO/Ti02/P3HT:PCBM/CuPc/Au結(jié)構(gòu)，ITO陰極層的厚度為50 100nm，TiO2 電子傳輸層的厚度為25 50nm， P3HT:PCBM有源層的厚度為200 300nm， CuPc空穴傳輸層的厚度為1 15nm， Au陽極的厚度為50~80nm， Au陽極為 條形結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述器件是在ITO玻璃表面，利用溶膠-凝膠法經(jīng)過燒結(jié)生長一層均 勻致密的Ti02薄膜。制備的Ti02薄膜，表面起幅度只有2~4nm，有效地平整ITO 粗糙的表面形貌，與有源層P3HT:PCBM接觸良好，可以減少太陽能電池的串 聯(lián)電阻，解決了 PSS腐蝕ITO的問題。其次，Ti02作為一種寬禁帶的N型半導(dǎo) 體材料，它可以有效地傳導(dǎo)激子分離后的電子，而阻擋空穴，同時Ti02還是一 種選擇吸收層。Ti02薄膜制備簡單，價格低廉，作為無機材料，與有機材料 PEDOT: PSS相比性能更加穩(wěn)定，而且簡化了 ITO的前期處理過程，不用進行親水性處理。本發(fā)明在P3HT:PCBM有源層上生長一層CuPc材料，CuPc是一
種有機P型半導(dǎo)體材料，激子擴散長度大，電荷遷移率高，可以有效地傳導(dǎo)激 子分離后的空穴，有效地平整有源層表面的粗糙度，避免了有源層和金電極的直 接接觸。而且它作為一種金屬絡(luò)合物，與金電極有良好的接觸。CuPc的HOMO 能級與金電極的功函數(shù)相近，二者接觸不存在肖特基勢壘，與金電極的良好接觸 減少了電池的串聯(lián)電阻，提高了光生電流，進而提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率。傳統(tǒng) 結(jié)構(gòu)中使用的LiF，受高熱易分解，放出有毒的煙氣。本發(fā)明中使用的CuPc， 無毒，操作中易于控制。
本發(fā)明所述的反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的制備方法，其步驟與條件如下
A. 切割I(lǐng)TO玻璃(深圳南玻集團)，將其置入燒杯中，分別使用丙酮、乙 醇、去離子水超聲清洗15 20min，清洗后，用干燥氮氣吹干，放入培 養(yǎng)皿中；B.
(1) 室溫25'C下將10 20ml的鈦酸四丁酯(北京益利化工廠)于劇 烈攪拌下滴加到90 100ml無水乙醇(北京化工廠)中，再滴加 10 20ml的冰乙酸(北京化工廠)，經(jīng)過20 30min的攪拌， 得到均勻透明的淡黃色溶液；然后加入10 20ml的乙酰丙酮(天 津化學(xué)試劑廠)，攪拌20 30min，再將10 20ml去離子水以2 4ml/min的速率緩慢滴加到上述溶液中，繼續(xù)攪拌1 2h，得到 了均勻透明的淡黃色溶膠，放置陳化6 8h;
(2) 將陳化后的溶膠采用旋涂的方法在清洗烘干后的ITO玻璃上制 備Ti02薄膜，旋涂的速度為2000 5000rpm;
(3) 最后將帶有，02薄膜的ITO玻璃放入馬弗爐中，于450 550'C 溫度條件下焙燒2 3h，之后關(guān)閉電源讓薄膜隨爐自然冷卻至室 溫，即在ITO上制備得到納米晶體Ti02薄膜，薄膜的厚度為25 50nm;
C. 室溫下，將P3HT (Nichem FineTechnology)在攪拌的條件下溶于有 機溶劑二氯苯(北京百靈威公司)中，配成15 25毫克/毫升的溶液， 然后在500 1000rpm的攪拌速度下，攪拌12 24小時；再往該溶液 中加入與P3HT質(zhì)量相同的PCBM (Nichem FineTechnology)，并在 1000 1500rpm的攪拌速度下，攪拌36 48小時，從而配成P3HT 與PCBM質(zhì)量比為1: 1的P3HT: PCBM混合溶液；D. 在納米晶體Ti02薄膜上旋涂P3HT: PCBM混合溶液，轉(zhuǎn)速為700 1000rpm;然后，將樣品放入真空烘箱中，真空條件下150 18(TC退 火30 60min，從而在，02薄膜上形成P3HT: PCBM有源層，厚度 為200 300師；
E. 將樣品取出，放入SD400B型多源控溫有機氣相分子沉積系統(tǒng)中，在 壓強為1 x10"4 ~9x10—4 Pa下，在P3HT: PCBM有源層上生長一層CuPc 薄膜(Nichem FineTechnology)，厚度為1 15nm，生長速度為0.5 1A/S;
F. 最后在SD400B型多源控溫有機氣相分子沉積系統(tǒng)中，使用條形掩膜 版，在壓強為1x10—s 9x1(^Pa下，在CuPc薄膜上蒸發(fā)條形Au電極
(北京有色金屬研究院)，厚度為50 80nm，生長速度為1 2A/s。


圖1 (a):本發(fā)明所述反型結(jié)構(gòu)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖1 (b):條形AU陽極結(jié)構(gòu)示意圖2: ITO和ITO/Ti02的原子力圖3:反型結(jié)構(gòu)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池在無光照下測得了 V-l特性曲線;
圖4:反型結(jié)構(gòu)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的光電流曲線；
圖5:不同CUPC厚度反型結(jié)構(gòu)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的光電流曲線。
如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)為ITO/Ti02/P3HT:PCBM/CuPc/Au。所謂反型，實 際上是電極的反型。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，ITO作為陽極收集空穴， Al作為陰極收集電子，因為ITO的功函數(shù)比Al的功函數(shù)高。在我們制備的電池 結(jié)構(gòu)中，ITO的功函數(shù)小于金的功函數(shù)，所以ITO為陰極收集電子，Au為陽極 收集空穴。，02作為N型半導(dǎo)體，在電池中為電子傳輸層。CuPc作為P型半 導(dǎo)體，在電池中為空穴傳輸層。P3HT:PCBM組成了有源層，吸收光子產(chǎn)生激子。 各部分名稱為ITO襯底陰極1、 Ti02電子傳輸層2、 P3HT:PCBM有源層3、 CuPc空穴傳輸層4、 Au陽極5，加在陰極ITO和陽極Au的電源6。使用條形 掩膜版將Au陽極5制作成條形結(jié)構(gòu)，如圖1 (b)所示；
如圖2所示，圖a是ITO的原子力圖，圖b是在ITO上生長一層25nm厚 度Ti02的原子力圖。通過原子力圖比較可以看出，利用本發(fā)明在ITO表面生長 一層Ti02薄膜后，有效地平整了 ITO的表面粗糙度，表面的起伏度表小，可以 改善與有源層的接觸，減小電池的串聯(lián)電阻。表面粗糙度由10nm變?yōu)?nm。
6如圖3所示，使用Keithley， SMU2601數(shù)字源表。從圖中可以看出，本發(fā) 明制備的太陽能電池，形成了良好的異質(zhì)結(jié)，器件的暗電流很小，為2uA。
如圖4所示，為在100mw/cnr^的氙燈光照下測得了 V-l特性曲線，我們使 用的是Keithley， SMU2601數(shù)字源表。曲線a為生長了一層10nm厚的CuPc 的太陽能電池的光電流曲線，曲線b為沒有CuPc層的太陽能電池的光電流曲線。 從圖中我們可以清晰的比較，本發(fā)明制備的太陽能電池，CuPc的使用有效地提 高了太陽能電池的性能。
如圖5所示，為在100mw/cmS的氙燈光照下測得了V-l特性曲線，我們使 用的是Keithley， SMU2601數(shù)字源表。本發(fā)明中為了優(yōu)化電池的性能，對CuPc 厚度進行了比較。曲線a， b， c， d分別代表生長1nm， 5nm， 10nm， 15nm厚 度的CuPc得到的光電流曲線。從圖中我們可以看出，在CuPc的厚度從1到 10nm增加時，器件的性能也隨之增加。當(dāng)CuPc的厚度為10nm時，器件的性 能達(dá)到最優(yōu)。繼續(xù)增加CuPc厚度到15nm時，器件的性能下降。由圖可見，本 發(fā)明中發(fā)現(xiàn)了 CuPc的最佳厚度為10nm。
具體實施方式
實施例1:
A、
切割15mmx20mm的ITO玻璃，將其置入燒杯中。分別使用丙酮、乙醇、 去離子水超聲清洗15min，清洗后，用干燥氮氣吹干，放入培養(yǎng)皿中。
B、
1) 室溫25。C下將10ml的Ti(OC4H9)4于劇烈攪拌下滴加到90ml無水乙醇 中，再滴加10ml的冰乙酸，經(jīng)過30min的攪拌，得到均勻透明的淡黃 色溶液；然后加入10ml的乙酰丙酮(天津化學(xué)試劑廠)，攪拌30min。 將10ml去離子水以2ml/min的速率緩慢滴加到上述溶液中，繼續(xù)攪拌 化，得到了均勻透明的淡黃色溶膠，放置陳化7小時。
2) 將陳化后的溶膠在清洗烘干后的ITO玻璃上制備Ti02薄膜，薄膜的厚度 為30nm，制作薄膜采用旋涂的方法，旋轉(zhuǎn)速度為3000rpm;
3) 最后將帶有Ti02薄膜的ITO玻璃放入馬弗爐中焙燒，溫度控制在45CTC ， 焙燒時間為2h，之后關(guān)閉電源讓薄膜隨爐自然冷卻至室溫，即在ITO玻 璃上制備得到納米晶體Ti02薄膜，厚度為30nm;
C、
室溫下，將P3HT攪拌下溶于有機溶劑二氯苯中，配成15毫克/毫升的溶液，讓溶液在500rpm攪拌速度下，攪拌12小時，再往溶液中加入相同于P3HT質(zhì) 量的PCBM，并在1000rpm的攪拌速度下，攪拌36小時，配成P3HT: PCBM 質(zhì)量比為1: 1的混合溶液。 D、
在納米晶體Ti02薄膜上旋涂制備好的P3HT: PCBM混合溶液，轉(zhuǎn)速為 700rpm。然后，將樣品放入真空烘箱中，真空條件下15(TC下，退火30min， 從而在Ti02薄膜上形成P3HT: PCBM有源層，厚度為230nm。
將樣品取出，放入SD400B型多源控溫有機氣相分子沉積系統(tǒng)中，在壓強 為5x1(T卞a條件下，生長一層CuPc薄膜，厚度為10 nm，生長速度為0.5A/s。
最后在SD400B型多源控溫有機氣相分子沉積系統(tǒng)中，使用條形掩膜版，在 CuPc薄膜上蒸鍍一層條形Au電極，壓強為5x10—3Pa， Au電極厚度為50nm， 生長速度為1A/s。如圖1 (b)所示，可以同時蒸鍍8個分立的條形Au電極， 從而制備8個太陽能電池，每個Au電極的大小為2mmx7mm。
8
權(quán)利要求
1、反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池，其特征在于從下至上，結(jié)構(gòu)依次為ITO襯底陰極(1)、TiO2電子傳輸層(2)、P3HT:PCBM有源層(3)、CuPc空穴傳輸層(4)、Au陽極(5)，即ITO/TiO2/P3HT:PCBM/CuPc/Au結(jié)構(gòu)，且Au陽極(5)為條形結(jié)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求1所述的反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池，其特征在于ITO襯底 陰極(1)的厚度為50 100nm，TiO2電子傳輸層(2)的厚度為25 50nm， P3HT:PCBM有源層(3)的厚度為200 300nm， CuPc空穴傳輸層(4) 的厚度為1 15nm， Au陽極(5)的厚度為50~80nm。
3、 權(quán)利要求1所述反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的制備方法，其步驟如下A、 切割I(lǐng)TO玻璃，將其置入燒杯中，分別使用丙酮、乙醇、去離子 水超聲清洗15 20min，清洗后，用干燥氮氣吹干，放入培養(yǎng)皿中；B、 (1)室溫25。C下將10 20ml的鈦酸四丁酯于劇烈攪拌下滴加到90 100ml無水乙醇中，再滴加10 20ml的冰乙酸，經(jīng)過 20 30min的攪拌，得到均勻透明的淡黃色溶液；然后加入 10 20ml的乙酰丙酮，攪拌20 30min，再將10 20ml去 離子水以2 4ml/min的速率緩慢滴加到上述溶液中，繼續(xù)攪 拌1 2h，得到了均勻透明的淡黃色溶膠，放置陳化6 8h;(2) 將陳化后的溶膠采用旋涂的方法在清洗烘干后的ITO玻璃上 制備Ti02薄膜，旋涂的速度為2000 5000rpm;(3) 最后將帶有Ti02薄膜的ITO玻璃放入馬弗爐中，于450 55(TC溫度條件下焙燒2 3h，之后關(guān)閉電源讓薄膜隨爐自然 冷卻至室溫，即在ITO上制備得到納米晶體Ti02薄膜，薄膜 的厚度為25 50nm;C、 室溫下，將P3HT在攪拌的條件下溶于有機溶劑二氯苯中，配成 15 25毫克/毫升的溶液，然后在500 1000rpm的攪拌速度下， 攪拌12 24小時；再往該溶液中加入與P3HT質(zhì)量相同的 PCBM，并在1000 1500rpm的攪拌速度下，攪拌36 48小時，從而配成質(zhì)量比為1: 1的P3HT: PCBM混合溶液；D、 在納米晶體Ti02薄膜上旋涂P3HT: PCBM混合溶液，轉(zhuǎn)速為 700 1000rpm;然后，將樣品放入真空烘箱中，真空條件下150 180。C退火30 60min，從而在，02薄膜上形成P3HT: PCBM有源層，厚度為200 300nm;將樣品取出，放入SD400B型多源控溫有機氣相分子沉積系統(tǒng)中， 在壓強為1xicr4 9x10^Pa下，在P3HT: PCBM有源層上生長 一層CuPc薄膜，厚度為1 15nm，生長速度為0.5 1A/s; 最后在SD400B型多源控溫有機氣相分子沉積系統(tǒng)中，使用條形 掩膜版，在壓強為1x10—^9x10—spa下，在CuPc薄膜上蒸發(fā)條 形Au電極，厚度為50~80nm，生長速度為1 2A/s。
全文摘要
本發(fā)明屬于聚合物太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用TiO₂作為電子傳輸層、CuPc作為空穴傳輸層、電極反型的聚合物太陽能電池及其制備方法。其是采用溶膠-凝膠技術(shù)在ITO玻璃襯底上生長一層均勻致密的納米晶體二氧化鈦(TiO₂)薄膜，然后旋涂上一層二氯苯溶解的P3HT:PCBM溶液，退火后，使用熱蒸發(fā)生長一層一定厚度的酞菁銅(CuPc)，最后蒸發(fā)金(Au)電極。利用本方法制備的反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池，解決了傳統(tǒng)的聚合物太陽能電池中存在的兩個問題，即聚3，4-乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合溶液腐蝕ITO玻璃表面，和陰極緩沖層氟化鋰(LiF)的厚度過薄，操作過程難于精確控制的問題。
文檔編號H01L51/48GK101577313SQ200910067138
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者劉彩霞, 張歆東, 亮 沈, 郭文濱, 阮圣平, 陳維友, 晨 陶 申請人:吉林大學(xué)