專利名稱：一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有機光電領(lǐng)域，具體地說，涉及一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有 機光伏電池。
背景技術(shù)：
隨著全球石油資源的耗盡，新能源的開發(fā)顯得日益重要。太陽能電池是將光能直 接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。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(fā)展太陽電池產(chǎn)業(yè)，利用太陽光發(fā)電已經(jīng)成為世界各 國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新能源戰(zhàn)略。專家預(yù)測，到2030年光伏發(fā)電將占到世界發(fā)電總量的 50%。太陽能電池的研究與開發(fā)始終圍繞以下兩個關(guān)鍵問題而展開(1)提高光電轉(zhuǎn)換效 率及壽命(2)新型材料制備以降低成本。到目前為止，以無機硅材料為代表的光伏電池通 常可以達(dá)到10-20%的轉(zhuǎn)換效率。然而，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(chǎn)成本非常之高，這使得其應(yīng)用受到很大的限制。1992年，N. Sariciftci等首次發(fā)現(xiàn)聚合物/C60之間的光誘導(dǎo)超快電荷傳遞現(xiàn)象。 1995年A. J.Heeger等提出了“本體異質(zhì)結(jié)”(BHJ)的概念，發(fā)明的“本體異質(zhì)結(jié)”型單層聚 合物/C60光伏電池大大提高了 D/A異質(zhì)結(jié)的接觸面積。而共軛聚合物/C60本體異質(zhì)結(jié)太 陽能電池由于結(jié)構(gòu)簡單、容易制備引起了人們的廣泛關(guān)注。圍繞提高有機光伏電池的效率， 從寬吸收、窄帶隙聚合物的設(shè)計合成到器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化人們進(jìn)行了大量的探索研究。2002 年C. J. Brabec等通過在金屬電極和活性層之間插入LiF材料制得了能量轉(zhuǎn)換效率(PCE) 為3. 3%的聚合物太陽能電池，2004年又將能量轉(zhuǎn)換效率提高到3. 85%。2005年美國加州 大學(xué)圣巴巴拉分校的A. J. Heeger教授等通過熱處理P3HT:PCBM活性層獲得了 5%的效率。 2007年K. Lee等報道了采用透明的TiOx作為級聯(lián)材料形成疊層結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)有機電池，效 率高達(dá)6.5%。華南理工大學(xué)曹鏞院士課題組在P3HT:PCBM中加入油酸(oleic acid)并熱 處理后獲得了 4. 3%的光電轉(zhuǎn)化效率。2008年12月9日，Konarka公司宣布該公司和A J Heeger課題組合作已經(jīng)獲得了 6%的轉(zhuǎn)換效率。2010年8月1日，Solarmer Energy宣布 該公司Li Gang博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組已經(jīng)獲得了 8. 13%有機聚合物光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，并 通過美國國家可再生能源實驗室(NREL)的證實。中科院北京化學(xué)所李永舫教授課題組報 道的新受體材料ICBA與P3HT所組成的異質(zhì)結(jié)電池的效率達(dá)6. 5%。有機光伏電池以其成 本低、無毒、容易制備、易于實現(xiàn)柔性器件、可以方便有效地改變有機材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，就有可能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。然而，光電轉(zhuǎn)換效率只是制約有機光伏產(chǎn)業(yè)化道路的瓶頸一。有機光伏電池的的 穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本以及加工工藝方面仍然有許多基礎(chǔ)科學(xué)問題需要解決。特別是對于如何 提高有機光伏器件的穩(wěn)定性及壽命尚缺乏系統(tǒng)深入的研究工作。2008年12月2日Konarka 公司宣布與德國聯(lián)邦教育與科研部(BMBF)共同啟動資金總額為250萬歐元的“有機光伏的穩(wěn)定性”(OPV stability)的研究課題。器件結(jié)構(gòu)是影響光電池能量轉(zhuǎn)換效率提高的重要 因素之一。研究開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的有機光伏電池、為載流子提供連續(xù)有效的傳輸路徑、提高其 穩(wěn)定性就顯得非常重要。在有機光伏電池器件中，背電極大多為電離能較小的活潑金屬(如鈣、鎂、鋁等)， 它們在含氧的環(huán)境中極易被氧化從而導(dǎo)致器件性能的下降；有機材料對氧非常敏感，極易 被氧化污染從而降低光電效率；器件工作時產(chǎn)生的焦耳熱會進(jìn)一步加劇器件中各種材料的 老化，進(jìn)而影響器件的操作壽命。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有有機光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率較低、穩(wěn)定性差的問題， 提供一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池及其制備方法。本發(fā)明具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池，具體結(jié)構(gòu)如附圖1所示，依 次包括1)、透明導(dǎo)電襯底(1)；2)、位于上述透明導(dǎo)電襯底(1)上的陽極緩沖層PED0T:PSS(2)；3)、位于上述陽極緩沖層PED0T:PSS(2)上的摻雜有抗氧化劑的活性層(3)；4)、位于上述具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的活性層(3)上的陰極修飾層(4)；5)、位于上述陰極修飾層⑷上的金屬背電極(5)；上述的透明導(dǎo)電襯底是帶有IT0、FT0、AZ0導(dǎo)電層的玻璃或者柔性襯底。旋涂含有 抗氧化劑的活性層?？寡趸瘎┦菍Ρ蕉?、2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚或2，2'-亞甲基雙 (4-甲基-6-叔丁基苯酚)。抗氧化劑比例占活性層質(zhì)量的0.1%-0.5%。旋涂所使用的 的溶劑是乙醚、甲苯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、間二氯苯、四氫呋喃、二甲苯、氯仿或丙酮。上述的有機光伏電池的制備方法，包括以下步驟a)清洗透明導(dǎo)電襯底(1)并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在明導(dǎo)電襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽極緩沖 層⑵，干燥；c)在PED0T:PSS陽極緩沖層⑵上旋涂摻雜有抗氧化劑的活性層(3)，在氮氣保 護(hù)下熱處理；d)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬A1背電極(5)。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明提供了一種在活性層結(jié)構(gòu)中加入抗氧化劑的方法，大大提高了器件的環(huán)境 穩(wěn)定性。同時，利用抗氧化劑在不良溶液中形成針狀結(jié)晶的特點，使得共軛聚合物取向結(jié) 晶，為載流子提供連續(xù)有效的傳輸路徑。從而顯著地提高了有機光伏電池器件的光電轉(zhuǎn)化 效率和穩(wěn)定性。成本低、制備條件簡單、重現(xiàn)性好。采用溶液加工不需要高真空的制備條件， 適用于未來的大規(guī)模的滾筒式(roll-to-roll)工業(yè)化生產(chǎn)有機太陽能電池及其組件。

圖1是器件結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式實施例1(1)將3mmX3mm的IT0玻璃在清潔劑中反復(fù)清洗后，再分別經(jīng)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)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PED0T:PSS陽極緩沖層上旋涂含有對苯二酚抗氧化劑的有機活性層 P3HT:PCBM(P3HT 苯二酚=100 0. 1，質(zhì)量比)，在 160 度下熱處理 20min。(4)利用真空蒸鍍法將1. Onm厚陰極緩沖層LiF沉積在活性層上。(5)借助條形掩膜板，真空蒸鍍lOOnm的A1做背電極，從而制成有機光伏電池器 件。用類似辦法制備對比器件。(6)器件制備完成后，將所有條形ITO陽極一端接電流表正極，所有條形A1陰極一 端接電流表負(fù)極。測試結(jié)果表明具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)活性層的器件在AM1.5G(100mW/cm2)光照 下，Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 95mA/cm2、0. 61V、49. 1%,3. 28%0 對比器件在相同條件下， Jsc、Voc、FF、PCE分別為10. 5mA/cm2、0. 63V、38. 7%,2. 57%0具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)活性層的器件 與對比器件相比，器件衰減明顯變緩。經(jīng)過340h，器件的PCE下降為初始值的78%;而對比 器件經(jīng)過140h，器件的PCE就下降為初始值的31%。實施例2(1)將3mmX3mm的IT0玻璃在清潔劑中反復(fù)清洗后，再分別經(jīng)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)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電玻璃襯底上旋涂PED0T:PSS陽極 緩沖層，在120度下干燥10分鐘；(3)在PED0T:PSS陽極緩沖層上旋涂含有對苯二酚抗氧化劑的有機活性層 P3HT:PCBM(P3HT 苯二酚=100 0. 5，質(zhì)量比)，在 160 度下熱處理 20min。。(4)利用真空蒸鍍法將1. Onm厚陰極緩沖層LiF沉積在活性層上。(5)真空蒸鍍lOOnm的A1做背電極，從而制成有機光伏電池器件。用類似辦法制 備正常不交聯(lián)的對比器件。(6)測試結(jié)果表明具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)活性層的器件在AMI. 5G(100mff/cm2)光照下， Jsc、Voc、FF、PCE 分別為 10. 47mA/cm2、0. 62V、46. 1%,2. 99%。
權(quán)利要求
一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池，其特征在于，該有機光伏電池依次包括1)、透明導(dǎo)電襯底(1)；2)、位于上述透明導(dǎo)電襯底(1)上的陽極緩沖層PEDOT:PSS(2)；3)、位于上述陽極緩沖層PEDOT:PSS(2)上的摻雜有抗氧化劑的活性層(3)；4)、位于上述具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的活性層(3)上的陰極修飾層(4)；5)、位于上述陰極修飾層(4)上的金屬背電極(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池，其特征在于， 所述透明導(dǎo)電襯底(1)是帶有IT0、FT0、AZ0導(dǎo)電層的玻璃或者柔性襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池，其特征在于， 步驟3)所述的抗氧化劑是對苯二酚、2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚或2，2'-亞甲基雙 (4-甲基6-叔丁基苯酚)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池，其特征在于， 抗氧化劑活性層的溶劑是乙醚、甲苯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、間二氯苯、四氫呋喃、二甲 苯、氯仿或丙酮。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池，其特征在于， 所加抗氧化劑比例占活性層質(zhì)量的0. -0. 5%。
6.一種權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池的制備方 法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)清洗透明導(dǎo)電襯底⑴并烘干；b)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在明導(dǎo)電襯底(1)上旋涂PED0T:PSS陽極緩沖層 (2)，在干燥；c)在PED0T:PSS陽極緩沖層(2)上旋涂摻雜有抗氧化劑的活性層(3)，在氮氣保護(hù)下 熱處理；d)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的方法將陰極修飾層(4)沉積在活性層(3)上；e)在陰極修飾層(4)上采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬A1背電極(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有摻雜抗氧化劑的活性層的有機光伏電池及其制備方法，屬于有機光電領(lǐng)域。包括透明導(dǎo)電襯底1、陽極緩沖層PEDOT:PSS 2、摻雜有抗氧化劑的活性層3、陰極修飾層4和金屬背電極層5。其制備方法包括(1)清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干；(2)在空氣中或在惰性氣體保護(hù)下，在透明導(dǎo)電襯底1上旋涂PEDOT:PSS陽極緩沖層2，干燥；(3)在PEDOT:PSS陽極緩沖層2上旋涂摻雜有抗氧化劑的活性層3，在惰性氣體保護(hù)下熱處理；(4)通過熱蒸鍍或溶液旋涂的辦法將陰極修飾層4沉積在活性層3上；(5)采用熱蒸鍍的辦法蒸鍍金屬Al背電極5。本發(fā)明通過在活性層結(jié)構(gòu)中摻雜抗氧化劑，大大提高了器件的環(huán)境穩(wěn)定性。同時，顯著地提高了有機光伏電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。
文檔編號H01L51/42GK101976727SQ201010284050
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者印壽根, 姚聰, 徐昊, 楊利營, 王亞凌, 田慧 申請人:天津理工大學(xué)