CN103280532A - 一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于聚合物太阳能电池材料领域的一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法。所述氧化锌膜，由乙酰丙酮锌溶液通过溶液加工的方法制膜，然后直接在空气中加热一步转化而成，无需溶胶-凝胶反应。将本发明方法所制备的氧化锌引入制备反向结构聚合物太阳能电池中，实现了电子的有效收集.本发明具有光电转换效率高、工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合大规模工业化生产等特点。

Description

一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法
技术领域
本发明属于聚合物太阳能电池材料技术领域，特别涉及一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法。
背景技术
近年兴起的有机和聚合物薄膜太阳能电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成大面积柔性器件等突出优点而备受关注。通过优化设计合成新型的聚合物给体材料和富勒烯衍生物受体材料以及优化活性层中给受体的微相分离结构，使本体异质结聚合物太阳电池光电转化效率显著提高到8-10%，接近非晶硅电池的水平。但是传统本体异质结聚合物太阳电池因正极接触的PEDOT:PSS 会腐蚀ITO、低功函的负极易氧化，致使电池的稳定性不佳，不利于器件的稳定性和寿命的提高。由于ITO的功函可以通过修饰层调节，因此用稳定的低功函修饰层代替PEDOT:PSS修饰ITO，用稳定的高功函修饰层代替活泼金属，可以实现电子收集方向的反转，制备出稳定的反向结构聚合物太阳电池。
反向结构聚合物太阳电池的结构，主要包含依次层叠的衬底，透明导电金属氧化物电极层（阴极层），电子收集层（阴极修饰层），光电活性层，空穴收集层（阳极修饰层），以及高功函阳极层，电池以金属导线与负载或测试装置连接。
但是目前适用于反向结构聚合物太阳电池的阴极修饰层非常匮乏，主要是通过溶胶-凝胶法制备的氧化钛和氧化锌。本发明公开了一种利用乙酰丙酮锌为前躯体，不需要单独的溶胶-凝胶反应步骤，制备氧化锌薄膜的方法，并将该薄膜应用于反向结构聚合物太阳电池中。
乙酰丙酮锌，是一种白色固体粉末，其分子式为C10H14ZnO4，相对分子量或原子量为263.6，结构如式（Ⅰ）所示。其熔点为200℃，闪点为71.9℃，在760mmHg下的沸点为187.6℃；25℃时蒸汽压为0.174mmHg。该材料20℃时的水溶性为6.6g/L，同时可溶于异丙醇，苯、甲苯和氯仿等有机溶剂。该材料主要用作树脂交联剂和固化促进剂；用作有机合成催化剂等。
Figure BDA0000322272621
式（Ⅰ）
发明内容
本发明的目的是提供一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法。
一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法，包括步骤如下：利用乙酰丙酮锌为前躯体，将乙酰丙酮锌溶于溶剂制备溶液，将乙酰丙酮锌溶液旋涂在透明导电金属氧化物阴极层上，烘烤得到氧化锌膜，即阴极修饰层。
所述氧化锌膜的厚度为10-500Å。
所述溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的一种或一种以上。
所述乙酰丙酮锌溶液的浓度为1-10mg/mL。
烘烤的温度为50-250℃，时间为1分钟到24小时。
所述旋涂的速度为800-5000rpm。
本发明的方法由乙酰丙酮锌溶液通过溶液加工的方法制膜，然后直接在空气中加热一步转化而成，无需溶胶-凝胶反应，将本专利方法所制备的氧化锌引入制备反向结构聚合物太阳能电池中，实现了电子的有效收集。本发明方法制备的氧化锌膜具有光电转换效率高、工艺简单，成本低廉，实验重复性好、适合大规模工业化生产等特点。
附图说明
图1为Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC60BM/Ca/Al的电流-电压特性曲线；
图2为ITO/氧化锌/P3HT:PC60BM/MoO3/Al的电流-电压特性曲线；
图3为ITO/氧化锌/ PBDTTT-CT：PC70BM /MoO3/Al的电流-电压特性曲线；
图4为ITO/氧化锌/ PBDTTT-CT：PC70BM /MoO3/Al的电流-电压特性曲线；
图5为ITO/氧化锌/ PBDTTT-CT：PC70BM /MoO3/Al的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1（对比例）
将溅射有氧化铟锡（ITO）的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到空穴收集层（阳极修饰层）。将20mg/mL的P3HT与PC60BM 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm的转速下直接旋涂于上述空穴收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-5Pa下真空蒸镀20nm的金属钙，得到电子收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。图1给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.59伏，短路电流为9.04毫安每平方厘米，填充因子为0.694，转换效率为3.71%。
实施例2
将溅射有氧化铟锡（ITO）的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在1000rpm的转速下旋涂3mg/mL的乙酰丙酮锌异丙醇溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到电子收集层，即阴极修饰层。将20mg/mL的P3HT与PC60BM 1：1（质量比）的混合溶液在800 rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀15nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，氧化锌膜的厚度为200Å。图2给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.62伏，短路电流为10.65毫安每平方厘米，填充因子为0.622，转换效率为4.08%。
实施例3
将溅射有氧化铟锡（ITO）的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在1000rpm的转速下旋涂3mg/mL的乙酰丙酮锌异丙醇溶液，150℃烘烤15分钟，自然冷却，得到电子收集层。将10mg/mL的PBDTTT-CT与PC70BM 1：1.5（质量比）的混合溶液中加入3%的添加剂二碘辛烷，然后将该溶液在900rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，氧化锌膜的厚度为200Å。图3给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.76伏，短路电流为17.45毫安每平方厘米，填充因子为0.605，转换效率7.98%。
实施例4
将溅射有氧化铟锡（ITO）的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在1000rpm的转速下旋涂10mg/mL的乙酰丙酮锌异丙醇溶液，50℃烘烤24小时，得到电子收集层。将10mg/mL的PBDTTT-CT与PC70BM 1：1.5（质量比）的混合溶液中加入3%的添加剂二碘辛烷，然后将该溶液在900rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，氧化锌膜的厚度为500Å。图4给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.74伏，短路电流为17.30毫安每平方厘米，填充因子为0.592，转换效率7.54%。
实施例5
将溅射有氧化铟锡（ITO）的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干，在1000rpm的转速下旋涂1mg/mL的乙酰丙酮锌异丙醇溶液，250℃烘烤1分钟，自然冷却，得到电子收集层。将10mg/mL的PBDTTT-CT与PC70BM 1：1.5（质量比）的混合溶液中加入3%的添加剂二碘辛烷，然后将该溶液在900rpm的转速下直接旋涂于上述电子收集层上，作为光电活性层。然后在4×10-4Pa下真空蒸镀20nm的MoO3，得到空穴收集层。最后，在4×10-4帕下真空蒸镀100nm的铝作电极。所得的反向结构聚合物太阳电池中，氧化锌膜的厚度为20Å。图5给出了该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下开路电压为0.73伏，短路电流为17.08毫安每平方厘米，填充因子为0.594，转换效率7.37%。

Claims (6)

1.一种反向结构聚合物太阳电池氧化锌膜的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：利用乙酰丙酮锌为前躯体，将乙酰丙酮锌溶于溶剂制备溶液，将乙酰丙酮锌溶液旋涂在透明导电金属氧化物阴极层上，烘烤得到氧化锌膜，即阴极修饰层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化锌膜的厚度为10-500Å。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯或石油醚中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述乙酰丙酮锌溶液的浓度为1-10mg/mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：烘烤的温度为50-250℃，时间为1分钟到24小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述旋涂的速度为800-5000rpm。
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