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CN112420928A - 基于光管理工程的高稳定性半透明全聚合物太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents

基于光管理工程的高稳定性半透明全聚合物太阳能电池器件及其制备方法 Download PDF

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CN112420928A
CN112420928A CN202011312480.7A CN202011312480A CN112420928A CN 112420928 A CN112420928 A CN 112420928A CN 202011312480 A CN202011312480 A CN 202011312480A CN 112420928 A CN112420928 A CN 112420928A
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solar cell
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polymer solar
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CN202011312480.7A
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曹晴晴
张斌
王二刚
朱卫国
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Changzhou University
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Changzhou University
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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种基于光管理工程的高稳定性半透明全聚合物太阳能电池器件及其制备方法，聚合物太阳能电池器件结构包括正置或者倒置型光伏器件。其中，活性层使用聚咔唑、聚噻吩、或者聚吲哚咔唑作为给体，有机半导体聚合物作为受体，可以在可见光区域提高透光率。本发明通过选取不同活性层材料，改变器件结构和电极厚度进行光管理，可以优化器件光电效率，同时调控器件的透光率。本发明制备的半透明全聚合物太阳能电池同时具有性能优异，稳定性良好的特点，未来可满足能源设备、汽车玻璃、光伏大棚、太阳能建筑一体化等需求。

Description

基于光管理工程的高稳定性半透明全聚合物太阳能电池器件 及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于光管理工程的高稳定性半透明全聚合物太阳能电池器件及其制备方法。
背景技术
在当今社会，能源和环境是非常重要的问题。太阳能是公认的最有可能被大规模应用的清洁能源。近年来多种类型的太阳能电池因为材料本身对环境的不利影响，成本问题以及稳定性差限制了它们的发展。而聚合物太阳能电池因其材料来源广泛、成本低廉、制备工艺简单、柔性、可大面积制备、稳定性良好等特点，使其具有广泛的应用前景。在聚合物太阳能电池中，半透明全聚合物太阳能电池因为既可以透光又可以发电，能合理利用光能，且具有较好稳定性，可以用于建筑物表面、汽车挡风玻璃、家用设备中。
目前，同时实现较高的能量转换效率、透光率仍然面临较大挑战。实现设备的半透明，重要的是使用很容易沉积到半透明全聚合物太阳能电池活性层上的具有高电导率和高透光度的电极。其中，高性能的材料非常关键，对光活性层带隙的调控能够实现器件的颜色调控。半透明电池活性层厚度为40～100纳米，因为较薄的活性层会降低器件的短路电流，器件效率也会因此降低。根据朗伯-比尔定律，活性层越薄，透光率越高。所以，探索基于较薄活性层厚度的器件提高其效率的方法也很重要。因此半透明全聚合物太阳能电池的研究主要是以下几个方面，活性层材料、顶部透明电极、器件结构的设计。
发明内容
为了克服背景技术部分指出的缺点，本发明提供了一种性能优异，稳定性良好的半透明全聚合物太阳能电池器件及其制备方法，通过工艺研究，调控活性层厚度和电极厚度，提高半透明器件的光电转换效率。为了进一步提高透光率，通常选择导电性好、易加工的金属银作为透明顶层电极。该电池在优异光电转换效率下具有良好的半透明透过率，此工艺不但适用于其他的光活性层体系，也适用于柔性半透明太阳能电池，更重要的是半透明太阳能电池制备过程重复性高。
本发明的半透明全聚合物太阳能电池器件结构包括基底、透明阳极、空穴传输层、活性层、阴极界面层、透明阴极；或者器件结构包括基底、透明阴极、阴极界面层、活性层、空穴传输层、透明阳极。
本发明半透明全聚合物太阳电池器件中的活性层为含有电子给体材料和电子受体材料的本体异质结结构的薄膜层，其中，电子给体材料选自于聚咔唑、聚噻吩、或者聚吲哚咔唑；电子受体材料选自于有机半导体的聚合物受体材料。所制作器件活性层的厚度为20～1000纳米；活性层为给体材料和受体材料的质量比介于1:0.1～1:10的混合溶液；
基底为透明导电玻璃或者透明塑料薄膜；
透明阳极为铟掺杂的氧化锡薄膜或者氟掺杂的氧化锡薄膜；
空穴传输层为聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT：PSS)的混合薄膜、聚咔唑的均聚物、氧化钼、氧化镍或者氧化钒中得到一种；
阴极界面层为共轭聚电解质、氧化锌、富勒烯、富勒烯衍生物中一种或几种；
透明阴极层为银、铝、复合电极、碱金属化合物、碱土金属化合物复合膜或者石墨烯。
本发明的半透明全聚合物太阳能电池正置器件的制备方法为：
(1)清洗透明导电玻璃，并且放在烘箱中干燥；
(2)在透明导电玻璃层上旋涂空穴传输层，转速为2000～5000转每秒，厚度为20～80纳米，接着100～200℃热退火处理10～30分钟；
(3)给体材料与受体材料质量比介于1:0.1～1:10，溶于氯苯或氯仿溶液中，然后将这些混合溶液旋涂在空穴传输层上，通过改变转速，得到活性层厚度为20～1000纳米；
(4)将醇溶性的阴极界面材料旋涂于活性层上，其厚度介于5～1000纳米；
(5)最后在阴极界面层上蒸镀20～100纳米的银电极；
本发明所述的半透明全聚合物太阳能电池倒置器件的制备方法为：
(1)清洗透明导电玻璃，并且放在烘箱中干燥；
(2)在透明导电玻璃层上旋涂阴极界面层，转速为2000～5000转每秒，厚度为20～80纳米，接着100～200℃热退火处理10～60分钟；
(3)给体材料和受体材料的质量比介于1:0.1～1:10，溶于氯苯或氯仿溶液中，然后将这些混合溶液旋涂在阴极界面层上，通过改变转速，得到活性层厚度为20～1000纳米；
(4)将空穴传输层材料蒸镀于活性层上，其厚度介于5～100纳米；
(5)最后在空穴传输层上蒸镀20～100纳米的银电极；
本发明所具有的优点和有益效果在于：根据活性层厚度和电极厚度协同作用可灵活调控进行光学管理。本发明所用的阴极界面层有利于形成致密性、导电性、透明性良好的透明电极。本发明全聚合物材料制备活性层可以实现近红外吸收，有利于提高透光率。本发明方法具有良好的适用性，不仅适用于不同的活性层体系也适用于柔性电池，有望应用于建筑窗户，以及多元化需求。
附图说明
图1本发明的半透明全聚合物太阳能电池正置器件结构示意图；
图2本发明的半透明全聚合物太阳能电池倒置器件结构示意图；
图3基于PBDB-T聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的电压-电流密度曲线；
图4基于PBDB-T聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的外量子效率曲线；
图5基于PBDB-T聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的透光率；
图6基于PBDB-T聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的稳定性；
图7基于PCE10聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的电压-电流密度曲线；
图8基于PCE10聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的外量子效率曲线；
图9基于PCPDTBT聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度器件的电压-电流密度曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。
实施例1
基于PBDB-T给体的半透明全聚合物太阳能电池正置器件的制备，
Figure BDA0002790238930000051
将ITO导电玻璃，依次用半导体专用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干后置于烘箱备用。
(1)使用前，ITO净片经紫外光度臭氧处理机处理15分钟。
(2)在ITO上旋涂PEDOT:PSS溶液制备空穴传输层，厚度为36纳米，由溶液浓度与转速决定，用台阶仪实测监控。成膜后，于150℃热处理15分钟。
(3)给体材料PBDB-T和受体材料N2200质量比为1:1，在氯苯中溶解(含有1％体积比的1,8-二碘辛烷添加剂)，混合成一定比列的混合溶液。在有氮气保护的手套箱中，在已旋涂有PEDOT:PSS层的ITO玻片上面旋涂一层聚合物与N2200的混合物膜层，通过改变转速，得到最优活性层厚度为63纳米。
(4)将PFN-Br溶于甲醇溶剂中，然后旋涂与活性层上，得到厚度为5纳米的阴极界面层；
(5)在旋涂完阴极界面层的器件置于镀膜机中蒸镀银电极，厚度为20～100纳米。所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内进行。
图3，图4，图5分别是基于PBDB-T聚合物给体与N2200受体半透明全聚合物太阳能电池的不同电极厚度的电压-电流密度曲线、不同电极厚度的外量子效率、不同电极厚度的透光率。表1为基于PBDB-T聚合物给体与N2200受体半透明全聚合物太阳能电池的不同电极厚度的光伏性能参数。
表1不同银电极厚度下的聚合物太阳能电池的光伏参数和透光率
Figure BDA0002790238930000061
通过图3，图4，图5，表1发现，本发明制作的半透明全聚合物太阳能电池，通过改变电极厚度，灵活调控半透明器件性能。此工艺半透明全聚合物太阳能电池不仅拥有较高的光电转换效率，且具有良好的透光率。当电极厚度逐渐减小时，短路电流从12.44减少到10.65毫安每立方厘米，能量转化效率从7.39％减少到6.12％，透光率从18.12％增加到55.12％。这是因为较薄的银膜反射回光收集层的光较少，并通过设备传输更多的光，使电流减小，透光率增加。
半透明电池的测试外量子效率曲线如图4所示，现象所观察的趋势与电流密度的值变化一致，当银电极厚度逐渐减小时，整个光谱的EQE逐渐减小。从图6不同电极厚度的半透明全聚合物电池器件稳定性可以得知，当电极厚度为50纳米时，半透明全聚合物电池器件在氮气室温环境中超过1200小时后能量转换效率可以保持0.8以上。当电极厚度逐渐减小时，电极尺寸减小，连续性变差，稳定性逐渐减小，但是当电极厚度为20纳米时，半透明全聚合物电池器件在氮气室温环境中超过900小时后能量转换效率可以保持0.8以上，证明了此工艺可以使半透明全聚合物电池具有高稳定性。
实施例2
基于PCE10给体的半透明全聚合物太阳能电池正置器件的制备
PCE10的化学结构式如下所示：
Figure BDA0002790238930000071
将ITO导电玻璃，依次用半导体专用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干后置于烘箱备用。
(1)使用前，ITO净片经紫外光度臭氧处理机处理10分钟。
(2)在ITO上旋涂PEDOT:PSS溶液制备空穴传输层，厚度为36纳米，由溶液浓度与转速决定，用台阶仪实测监控。成膜后，于150℃热处理15分钟。
(3)给体材料PCE10和受体材料N2200的质量比介于1:0.5，在氯苯中溶解(含有0.5％体积比的1,8-二碘辛烷添加剂)，混合成一定比列的混合溶液。在有氮气保护的手套箱中，在已旋涂有PEDOT:PSS层的ITO玻片上面旋涂一层聚合物与N2200的混合物膜层，通过改变转速，得到最优活性层厚度为69纳米。
(4)将PFN-Br溶于甲醇溶剂中，然后旋涂与活性层上，得到厚度为5纳米的阴极界面层；
(5)在旋涂完阴极界面层的器件置于镀膜机中蒸镀银电极，厚度分别为20纳米，30纳米，40纳米，50纳米。所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内进行。
图7和图8是基于PCE10聚合物给体与N2200受体半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度的电压-电流密度曲线、不同电极厚度的外量子效率。表2为基于PCE10聚合物给体与N2200受体半透明全聚合物太阳能电池的不同电极厚度的光伏性能参数。
表2不同银电极厚度下的聚合物太阳能电池的光伏参数
Figure BDA0002790238930000081
由图7，图8，表2可知，本发明制作的半透明全聚合物太阳能电池，通过改变电极厚度，灵活调控半透明器件性能。半透明电池活性层厚度为40～100纳米，因为较薄的活性层会降低器件的短路电流，器件效率也会因此降低。当电极厚度逐渐减小时，较薄的银膜反射回光收集层的光较少，使短路电流从14.24减少到12.76毫安每立方厘米，能量转化效率从7.39％减少到6.12％。
实施例3
基于PCPDTBT给体的半透明全聚合物太阳能电池正置器件的制备
PCPDTBT的化学结构式如下所示：
Figure BDA0002790238930000082
将ITO导电玻璃，依次用半导体专用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干后置于烘箱备用。
(1)使用前，ITO净片经紫外光度臭氧处理机处理10分钟。
(2)在ITO上旋涂PEDOT:PSS溶液制备空穴传输层，厚度为36纳米，由溶液浓度与转速决定，用台阶仪实测监控。成膜后，于150℃热处理15分钟。
(3)给体材料PCPDTBT和受体材料N2200的质量比为1:1，在氯仿中溶解(含有1％体积比的1,8-二碘辛烷添加剂)，混合成一定比列的混合溶液。在有氮气保护的手套箱中，在已旋涂有PEDOT:PSS层的ITO玻片上面旋涂一层聚合物与N2200的混合物膜层，通过改变转速，得到最优活性层厚度为61纳米。
(4)将PFN-Br溶于甲醇溶剂中，然后旋涂与活性层上，得到厚度为5纳米的阴极界面层。
(5)在旋涂完阴极界面层的器件置于镀膜机中蒸镀银电极，厚度分别为20纳米，30纳米，40纳米，50纳米。所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内进行。
图9是基于PCPDTBT聚合物给体与N2200受体半透明全聚合物太阳能电池，不同电极厚度的电压-电流密度曲线。表3为基于PCPDTBT聚合物给体与N2200受体的半透明全聚合物太阳能电池的不同电极厚度的光伏性能参数。
表3不同银电极厚度下的聚合物太阳能电池的光伏参数
Figure BDA0002790238930000091
由图9，表3可知，本发明制作的半透明全聚合物太阳能电池，通过改变电极厚度，灵活调控半透明器件性能。半透明电池活性层厚度为40～100纳米，因为较薄的活性层会降低器件的短路电流，器件效率也会因此降低。当电极厚度逐渐减小时，较薄的银膜反射回光收集层的光较少，使短路电流从3.47减少到1.14毫安每立方厘米，能量转化效率从0.86％减少到0.09％。
实施例4
半透明全聚合物太阳能电池倒置器件的制备
将ITO导电玻璃，依次用半导体专用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干后置于烘箱备用。
(1)使用前，ITO净片经紫外光度臭氧处理机处理10分钟。
(2)在ITO上旋涂醋酸锌溶液，厚度由溶液浓度与转速决定，用台阶仪实测监控。成膜后，于200℃热处理，形成一层氧化锌层，厚度为33纳米。
(3)将PCE10聚合物给体与N2200受体材料在干净的瓶中进行称量，然后在氯苯或氯仿中进行共混，混合成1:0.5的混合溶液。聚合物混合层最佳厚度为63纳米。膜厚用TENCOR ALFA-STEP-500表面轮廓仪测定。在有氮气保护的手套箱中，在已旋涂有氧化锌层的ITO玻片上面旋涂混合物膜层。
(4)通过在镀膜机中活性层上制备空穴传输层氧化钼(厚度为36纳米)以及蒸镀银电极，厚度分别为20纳米，30纳米，40纳米，50纳米，100纳米。氧化钼和银电极蒸镀都是在真空镀膜机达到3×10-4Pa以下完成。所有制备过程均在具有氮气惰性氛围的手套箱内进行。
表4为基于PCE10聚合物给体与N2200受体的倒置半透明全聚合物太阳能电池的不同电极厚度的光伏性能参数。
表4不同银电极厚度下的聚合物太阳能电池的光伏参数
Figure BDA0002790238930000111
由表4可知，本发明制作的倒置半透明全聚合物太阳能电池，通过改变电极厚度，灵活调控半透明器件性能。倒置半透明电池活性层厚度为40～100纳米，因为较薄的活性层会降低器件的短路电流，器件效率也会因此降低。当电极厚度逐渐减小时，较薄的银膜反射回光收集层的光较少，使短路电流从11.55减少到10.70毫安每立方厘米，能量转化效率从4.67％减少到3.52％。
实施例5柔性半透明全聚合物太阳电池的制备
将PEN基底ITO的导电薄膜，依次用半导体专用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，氮气吹干后置于烘箱备用。
(1)使用前，ITO净片经紫外光度臭氧处理机处理10分钟。
(2)在ITO上旋涂PEDOT:PSS溶液制备空穴传输层，厚度为30纳米，厚度由溶液浓度与转速决定，用台阶仪实测监控。成膜后，于150℃热处理15分钟。
(3)给体材料PCE10和受体材料N2200的质量比为1:0.5，在氯苯中溶解(含有0.5％体积比的1,8-二碘辛烷添加剂)，混合成一定比列的混合溶液。在有氮气保护的手套箱中，在已旋涂有PEDOT:PSS层的ITO片上旋涂一层聚合物与N2200的混合物膜层，通过改变转速，得到最优活性层厚度为69纳米。
(4)将PFN-Br溶于甲醇溶剂中，然后旋涂与活性层上，得到厚度为5纳米的阴极界面层；
(5)在旋涂完阴极界面层的器件置于镀膜机中蒸镀银电极，厚度分别为20纳米，30纳米，40纳米，50纳米。所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内进行。
表5为基于PCE10聚合物给体与N2200受体的柔性半透明全聚合物太阳能电池的不同电极厚度的光伏性能参数。
表5不同银电极厚度下的聚合物太阳能电池的光伏参数
Figure BDA0002790238930000121
由表5可知，本发明制作的柔性半透明全聚合物太阳能电池，通过改变电极厚度，灵活调控半透明器件性能。柔性半透明电池活性层厚度为40～100纳米，因为较薄的活性层会降低器件的短路电流，器件效率也会因此降低。当电极厚度逐渐减小时，较薄的银膜反射回光收集层的光较少，使短路电流从9.28减少到7.20毫安每立方厘米，能量转化效率从2.66％减少到0.94％。
由实施例1～5可以得知，本发明通过使用不同界面层、活性层吸收互补、调节电极厚度、调节光活性层厚度的方法，以及活性层和光学调控层的协同作用一起提高半透明全聚合物太阳能电池的光电转换效率和透光率，结果表明该工艺制备方法不但适应于不同活性层体系也可应用于柔性电池中。未来可在能源设备、汽车玻璃、光伏大棚、太阳能建筑一体化等应用。

Claims (8)

1.一种基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件，其特征在于，所述电池器件结构为：基底、透明阳极、空穴传输层、活性层、阴极界面层以及透明阴极；或者器件结构为基底、透明阴极、阴极界面层、活性层、空穴传输层、透明阳极；所述活性层为电子给体材料和电子受体材料的本体异质结结构，其中，电子给体材料选自于聚咔唑、聚噻吩、或者聚吲哚咔唑；电子受体材料选自有机半导体聚合物。
2.根据权利要求1所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件，其特征在于，所述活性层的给体材料和受体材料的质量比介于1:0.1～1:10之间。
3.根据权利要求1所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件，其特征在于，所述透明阴极层为银、铝、复合电极、碱金属化合物、碱土金属化合物复合膜或者石墨烯；所述透明阴极的厚度为20～100纳米。
4.根据权利要求1所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件，其特征在于，所述基底为玻璃或者透明塑料薄膜；所述透明阳极为铟掺杂的氧化锡薄膜或者氟掺杂的氧化锡薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件，其特征在于，所述空穴传输层为聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT：PSS)的混合薄膜、聚咔唑的均聚物、氧化钼、氧化镍或者氧化钒中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件，其特征在于，所述阴极界面层为共轭聚电解质、氧化锌、富勒烯、富勒烯衍生物中一种或几种。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，所述电池器件的制备方法步骤如下：
(1)清洗透明导电玻璃，并且放在烘箱中干燥；
(2)在透明导电玻璃层上旋涂空穴传输层，转速为2000～5000转每秒，厚度为20～80纳米，接着100～200℃热退火处理10～30分钟；
(3)给体材料和受体材料溶于氯苯或氯仿溶液中，然后将混合溶液旋涂在空穴传输层上，得到厚度为20～1000纳米的活性层；
(4)将醇溶性的阴极界面材料旋涂于活性层上，其厚度介于5～1000纳米；
(5)最后在阴极界面层上蒸镀20～100纳米的银电极。
8.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于光管理工程的半透明全聚合物太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，所述电池器件的制备方法步骤如下：
(1)清洗透明导电玻璃，并且放在烘箱中干燥；
(2)在透明导电玻璃层上旋涂阴极界面层，转速为2000～5000转每秒，厚度为20～80纳米，接着100～200℃热退火处理10～60分钟；
(3)给体材料和受体材料溶于氯苯或氯仿溶液中，然后将混合溶液旋涂在阴极界面层上，得到厚度为20～1000纳米的活性层；
(4)将空穴传输层材料蒸镀于活性层上，其厚度介于5～100纳米；
(5)最后在空穴传输层上蒸镀20～100纳米的银电极。
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