[发明专利]极性溶剂修饰的反型有机薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着全球能源需求的爆炸式增长，能源问题己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有洁净、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究光伏发电解决能源问题成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机半导体材料不仅材料本身的合成条件和器件化工艺条件相对温和，其分子化学结构容易修饰，用其来制作电池时，可以满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求。从20世纪90年代起，随着薄膜技术的迅猛发展，采用新材料新结构新工艺制备的电池的性能得到大幅度的提高。

然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。当前，通过设计出反型结构，并采用金属氧化物如ZnO、TiO₂等稳定性较强的氧化物作为阴极缓冲层，有机太阳能电池的效率及稳定性已经获得明显的提升。但由于有机太阳能研究时间相对较短，无法对有机薄膜结构进行最佳优化处理，同时针对激子分离及其载流子传输机理还未进行充分认识。因此研究如何进行缓冲层设计是提高有机太阳能电池的核心，也是目前此领域研究的重点及难点。

限制反型结构有机太阳能电池器件效率的主要原因是光活性层与阴极之间存在较大的接触势垒。由于此接触势垒的存在，将导致电子的传输与分离受阻，并使得器件拥有较大的界面接触电阻与较大的载流子复合几率，都将严重制约器件效率。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种反型有机薄膜太阳能电池及其制备方法，目的是通过加入极性溶剂缓冲层来修饰阴极缓冲层，以实现：(1)降低器件阴极与光活性层间的接触势垒；(2)降低器件的串联电阻；(3)提高电子传输效率，提高器件短路电流密度。

本发明的技术方案为： 

一种极性溶剂修饰的反型有机薄膜太阳能电池，采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，极性缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；所述极性缓冲层质量百分比组成为：2-甲氧基乙醇 95 %～99 %、2-羟基乙胺1～5 %，极性缓冲层厚度为2～5 nm。

进一步地，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq₃、ZnO或TiO₂的一种或多种，厚度范围为1～20 nm。

进一步地，所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM混合制备而成，P3HT:PCBM混合溶液质量组分比为1:20～5:1，溶液浓度为1～20 mg/ml，厚度为50～300 nm。

进一步地，所述阳极缓冲层材料为MoO₃，厚度范围为15～50 nm。

进一步地，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu，厚度范围为100～300 nm。

进一步地，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。

本发明还公开了一种极性溶剂修饰的反型有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

（1）对由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；

（2）在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆、印刷或喷涂ZnO或TiO₂溶液，并将所形成的薄膜进行烘烤，或采用真空蒸镀法蒸镀TPBi、BCP、Bphen或Alq₃制备阴极缓冲层；

（3）在阴极缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备极性溶剂缓冲层；

（4）在阴极缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备P3HT:PCBM光活性层，并进行烘烤；

（5）在光活性层表面蒸镀，旋转涂覆或喷涂阳极缓冲层；

（6）将基板采用热退火的方式进行退火；

（7）在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。

进一步地，所述热退火温度范围为140～170 ℃。

进一步地，所述热退火方式采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热、或微波加热的一种或多种。

进一步地，所述P3HT:PCBM薄膜烘烤的温度范围在20～150 ℃。