一種非共軛離子型聚合物太陽電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于聚合物太陽電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種非共軛離子型聚合物太陽電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池，包括依次層疊的襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和金屬電極層；反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池，包括依次層疊的襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、陰極修飾層、光電活性層、陽極修飾層和金屬電極層。其中，所述陽極修飾層為Nafion?？刹捎眯糠ㄖ苽潢枠O修飾層，將其引入聚合物太陽能電池中，實(shí)現(xiàn)了空穴的有效收集和傳輸，大幅提升在聚合物太陽能電池中的穩(wěn)定性和適用性。
【專利說明】一種非共軛離子型聚合物太陽電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聚合物太陽電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種非共軛離子型聚合物太陽電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來興起的有機(jī)聚合物薄膜太陽電池依靠其材料合成和器件制作成本低廉、功能和結(jié)構(gòu)易于調(diào)制、良好柔韌性和成膜性、制作工藝簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。在傳統(tǒng)正向結(jié)構(gòu)本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽電池中，由于陽極ITO的功函較低(4.7eV)，不能與大多數(shù)共軛聚合物光伏材料的最高占據(jù)分子軌道能級(5.0eV左右)匹配，常用PED0T:PSS做為陽極修飾層以提高陽極的功函，從而增加空穴的收集能力。但是，在傳統(tǒng)正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)中PED0T:PSS會腐蝕與之接觸的ΙΤ0，降低器件的穩(wěn)定性和壽命。在反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)中PED0T:PSS也很難附著在大部分光電活性層表面，導(dǎo)致界面接觸不良，電池效率下降。新型質(zhì)子導(dǎo)電聚合物Nafion(四氟乙烯與全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物)擁有良好的空穴收集和傳輸能力，化學(xué)性能穩(wěn)定，全氟化的帶有C-F鍵的碳鏈骨架使得Nafion在各種化學(xué)條件下的穩(wěn)定性大大優(yōu)于相應(yīng)的含有C-H鍵的碳鏈骨架的PED0T:PSS，同時不會腐蝕ITO，C-F鍵的碳鏈骨架更容易在有機(jī)聚合物表面附著。因此，采用Nafion替代PED0T:PSS作為陽極修飾層，可大幅提升其在聚合物太陽能電池中的穩(wěn)定性和電池的通用性。
[0003]Nafion，是一種由四氟乙烯與全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物，易溶于水-乙醇、水-異丙醇共混溶液，溶液為無色液體。140°C固化成形。常用于質(zhì)子交換膜燃料電池、固體酸催化材料等。分子式C7HF13O5S.C2F4，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有陽極修飾材料的不足，本發(fā)明提供了一種非共軛離子型聚合物太陽電池及其制備方法。
[0005]一種非共軛離子型聚合物太陽電池，所述聚合物太陽電池為正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池或反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池；所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池中，襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和金屬電極層順次相連；所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池中，襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、陰極修飾層、光電活性層、陽極修飾層和金屬電極層順次相連；所述陽極修飾層的材質(zhì)為Nafion(四氟乙烯與全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙稀基釀的共聚物)I吳材料。
[0006]所述Nafion膜的厚度為2nm?IOOnm。
[0007]一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池的制備方法如下:
[0008]a.在襯底上制備透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層作為聚合物太陽電池的陽極；
[0009]b.在透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層上旋涂Nafion與溶劑共混溶液，經(jīng)低溫烘干和高溫烘烤固化分步處理，得到陽極修飾層；
[0010]C.在陽極修飾層上依次制備光電活性層、陰極修飾層和金屬電極層，得到所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池；
[0011]所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池的制備方法如下:
[0012]a.在襯底上制備透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層作為聚合物太陽電池的陰極；
[0013]b.在透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層上依次制備陰極修飾層、光電活性層；
[0014]c.光電活性層上旋涂Nafion與溶劑共混溶液，經(jīng)低溫烘干和高溫烘烤固化分步處理，得到陽極修飾層；
[0015]d.在陽極修飾層上制備金屬電極層，得到所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池。
[0016]在制備過程中，主要利用溶液的濃度來控制Nafion膜的厚度，所述Nafion與溶劑共混溶液中Nafion的濃度為0.1wt%?5wt%。
[0017]所述Nafion與溶劑共混溶液的溶劑為乙醇、異丙醇、水和低脂肪醇中的一種或多種。
[0018]所述Nafion與溶劑共混溶液的旋涂轉(zhuǎn)速為800rpm?5000rpm。
[0019]所述低溫烘干的溫度為20°C?100°C。
[0020]所述高溫烘烤固化的溫度為130°C?250°C。
[0021]所述低溫烘干和高溫烘烤固化的時間分別為I分鐘到48小時。
[0022]本發(fā)明的有益效果為:
[0023]本發(fā)明用新型質(zhì)子導(dǎo)電聚合物Nafion替代PEDOT: PSS作為聚合物太陽能電池的陽極修飾材料，提高了 ITO的功函，實(shí)現(xiàn)了空穴的高效收集。并且，Nafion擁有良好的空穴傳輸能力，化學(xué)性能穩(wěn)定，全氟化的帶有C-F鍵的碳鏈骨架使得Nafion在各種化學(xué)條件下的穩(wěn)定性大大優(yōu)于相應(yīng)的含有C-H鍵的碳鏈骨架的PED0T:PSS不會腐蝕ΙΤ0。此外，C-F鍵的碳鏈骨架更容易在有機(jī)聚合物表面附著。因此，采用Nafion替代PED0T:PSS作為陽極修飾層，可大幅提升其在聚合物太陽能電池中的穩(wěn)定性和電池的通用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1 為 Nafion 結(jié)構(gòu)圖，其中:x = 6 ?7，y ?1000，z = 1，2 或 3 ;
[0025]圖2為本發(fā)明正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4 為本發(fā)明實(shí)施例1 所得 ITO/Nafion (100 V ) /P3HT: PC60BM/Ca/Al 的電流-電壓特性曲線；
[0028]圖5 為本發(fā)明實(shí)施例 2 所得 ITO/Nafion (150 °C ) /P3HT: PC60BM/Ca/Al 的電流-電壓特性曲線；
[0029]圖6 為本發(fā)明實(shí)施例 3 所得 ITO/Nafion (200 V ) /P3HT: PC60BM/Ca/Al 的電流-電壓特性曲線；
[0030]圖7 為本發(fā)明實(shí)施例 4所得 IT0/TIPD/P3HT:PC6QBM/Nafion(10(rC )/Α1 的電流-電壓特性曲線；
[0031]圖8 為本發(fā)明實(shí)施例 5 所得 IT0/TIPD/P3HT:PC6QBM/Nafion(15(rC )/Α1 的電流-電壓特性曲線；[0032]圖中標(biāo)號:1-襯底、2-透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層、3-陽極修飾層、4-光電活性層、5-陰極修飾層、6-金屬電極層。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明提供了一種非共軛離子型聚合物太陽電池及其制備方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0034]一種非共軛離子型聚合物太陽電池，所述聚合物太陽電池為正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池或反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池；所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池中，襯底1、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層2、陽極修飾層3、光電活性層4、陰極修飾層5和金屬電極層6順次相連；所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池中，襯底1、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層2、陰極修飾層5、光電活性層4、陽極修飾層3和金屬電極層6順次相連；所述陽極修飾層3的材質(zhì)為Nafion(四氟乙烯與全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物)膜材料。
[0035]所述Nafion膜的厚度為2nm?IOOnm。
[0036]實(shí)施例1
[0037]將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，將清洗后的濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I在紫外臭氧表面處理設(shè)備(UVO)中進(jìn)行處理，在IOOOrpm的轉(zhuǎn)速下，在氧化銦錫(ITO)上旋涂Nafion的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的Nafion的水-乙醇(水和乙醇的體積比為I:1)溶液，在空氣中常溫放置25min，在空氣中于60°C溫度下烘干10分鐘，再在100°C溫度下烘烤固化5分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層3。然后將總濃度為20mg/mL的P3HT與PC60BM(P3HT與PC6tlBM的質(zhì)量比為1:1)的混合溶液在800rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層3上，作為光電活性層4，其厚度約為200nm。最后，在5X 10_5帕下，在光電活性層4上依次分別真空蒸鍍20nm厚的I丐和IOOnm厚的招。所得的聚合物太陽電池中，Nafion的厚度為30nm。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.59伏，短路電流為10.55毫安每平方厘米，填充因子為59.76%,轉(zhuǎn)換效率為3.72%。圖4給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
[0038]實(shí)施例2
[0039]將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，將清洗后的濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I在紫外臭氧表面處理設(shè)備(UVO)中進(jìn)行處理，在IOOOrpm的轉(zhuǎn)速下，在氧化銦錫(ITO)上旋涂Nafion的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的Nafion的水-乙醇(水和乙醇的體積比為I:1)溶液，在空氣中常溫放置25min，在空氣中于60°C溫度下烘干10分鐘，再在150°C溫度下烘烤固化5分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層3。然后將總濃度為20mg/mL的P3HT與PC60BM(P3HT與PC6tlBM的質(zhì)量比為1:1)的混合溶液在800rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層3上，作為光電活性層4，其厚度約為200nm。最后，在5X 10_5帕下，在光電活性層4上依次分別真空蒸鍍20nm厚的I丐和IOOnm厚的招。所得的聚合物太陽電池中，Nafion的厚度為30nm。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.61伏，短路電流為10.78毫安每平方厘米，填充因子為61.29%，轉(zhuǎn)換效率為4.01 %。圖5給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。[0040]實(shí)施例3
[0041]將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈桑瑢⑶逑春蟮臑R射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I在紫外臭氧表面處理設(shè)備(UVO)中進(jìn)行處理，在IOOOrpm的轉(zhuǎn)速下，在氧化銦錫(ITO)上旋涂Nafion的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的Nafion的水-乙醇(水和乙醇的體積比為I:1)溶液，在空氣中常溫放置25min，在空氣中于60°C溫度下烘干10分鐘，再在200°C溫度下烘烤固化5分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層3。然后將總濃度為20mg/mL的P3HT與PC60BM(P3HT與PC6tlBM的質(zhì)量比為1:1)的混合溶液在800rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陽極修飾層3上，作為光電活性層4，其厚度約為200nm。最后，在5X 10_5帕下，在光電活性層4上依次分別真空蒸鍍20nm厚的I丐和IOOnm厚的招。所得的聚合物太陽電池中，Nafion的厚度為30nm。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.60伏，短路電流為11.94毫安每平方厘米，填充因子為52.68 %，轉(zhuǎn)換效率為3.75 %。圖6給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
[0042]實(shí)施例4
[0043]將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，?000rpm的轉(zhuǎn)速下，在氧化銦錫(ITO)上旋涂濃度為2mg/mL的二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦(TIPD)的異丙醇溶液，在150°C氮?dú)猸h(huán)境下烘烤15分鐘，自然冷卻，得到陰極修飾層5。將總濃度為20mg/mL的P3HT與PC6tlBM(P3HT與PC60BM的質(zhì)量比為1:1)的混合溶液在800rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陰極修飾層5上，作為光電活性層4，其厚度約為200nm。在2000rpm的轉(zhuǎn)速下，在光電活性層4上旋涂Nafion的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的Nafion的異丙醇(將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Nafion原液用異丙醇稀釋20倍)溶液，在氮?dú)庵杏?0°C溫度下烘干10分鐘，再在100°C溫度下烘烤固化5分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層3。最后，在4X 10_4帕下，在陽極修飾層3上真空蒸鍍IOOnm厚的鋁作為金屬電極層6。所得的聚合物太陽電池中，Nafion的厚度為20nm。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.59伏，短路電流為11.05毫安每平方厘米，填充因子為51.72%，轉(zhuǎn)換效率為3.41%。圖7給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
[0044]實(shí)施例5
[0045]將濺射有氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電玻璃襯底I依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，?000rpm的轉(zhuǎn)速下，在氧化銦錫(ITO)上旋涂濃度為2mg/mL的二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦(TIPD)的異丙醇溶液，在150°C氮?dú)猸h(huán)境下烘烤15分鐘，自然冷卻，得到陰極修飾層5。將總濃度為20mg/mL的P3HT與PC6tlBM(P3HT與PC60BM的質(zhì)量比為1:1)的混合溶液在800rpm的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述陰極修飾層5上，作為光電活性層4，其厚度約為200nm。在2000rpm的轉(zhuǎn)速下，在光電活性層4上旋涂Nafion的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的Nafion的異丙醇(將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Nafion原液用異丙醇稀釋20倍)溶液，在氮?dú)庵杏?0°C溫度下烘干10分鐘，再在150°C溫度下烘烤固化5分鐘，自然冷卻，得到陽極修飾層3。最后，在4X 10_4帕下，在陽極修飾層3上真空蒸鍍IOOnm厚的鋁作為金屬電極層6。所得的聚合物太陽電池中，Nafion的厚度為20nm。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.58伏，短路電流為10.73毫安每平方厘米，填充因子為61.44%，轉(zhuǎn)換效率為3.82%。圖8給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種非共軛離子型聚合物太陽電池，其特征在于:所述聚合物太陽電池為正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池或反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池；所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池中，襯底(I)、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層(2)、陽極修飾層(3)、光電活性層(4)、陰極修飾層(5)和金屬電極層(6)順次相連；所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池中，襯底(I)、透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層(2)、陰極修飾層(5)、光電活性層(4)、陽極修飾層(3)和金屬電極層(6)順次相連；所述陽極修飾層(3)的材質(zhì)為Nafion膜材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池，其特征在于:所述Nafion膜的厚度為2nm~IOOnm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于， 所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池的制備方法如下: a.在襯底(I)上制備透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層(2)作為聚合物太陽電池的陽極； b.在透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層(2)上旋涂Nafion與溶劑共混溶液，經(jīng)低溫烘干和高溫烘烤固化分步處理，得到陽極修飾層(3)； c.在陽極修飾層( 3)上依次制備光電活性層(4)、陰極修飾層(5)和金屬電極層(6)，得到所述正向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池； 所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池的制備方法如下: a.在襯底(I)上制備透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層(2)作為聚合物太陽電池的陰極； b.在透明導(dǎo)電金屬氧化物電極層(2)上依次制備陰極修飾層(5)、光電活性層(4)； c.光電活性層(4)上旋涂Nafion與溶劑共混溶液，經(jīng)低溫烘干和高溫烘烤固化分步處理，得到陽極修飾層(3)； d.在陽極修飾層(3)上制備金屬電極層(6)，得到所述反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于:所述Nafion與溶劑共混溶液中Nafion的濃度為0.lwt%~5wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于:所述Nafion與溶劑共混溶液的溶劑為乙醇、異丙醇、水和低脂肪醇中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于:所述Nafion與溶劑共混溶液的旋涂轉(zhuǎn)速為800rpm~5000rpm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于:所述低溫烘干的溫度為20°C~100°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于:所述高溫烘烤固化的溫度為130°C~250°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非共軛離子型聚合物太陽電池的制備方法，其特征在于:所述低溫烘干和高溫烘烤固化的時間分別為I分鐘到48小時。
【文檔編號】H01L51/48GK104022228SQ201410270227
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】譚占鰲, 侯旭亮, 孫剛, 屠逍鶴, 林俊 申請人:華北電力大學(xué)