基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池包括：依次层叠设置的衬底、阳极ITO、阳极界面层、光活性层、无机阴极界面层、有机阴极界面层和金属电极。本发明专利技术通过将无机阴极界面层和有机阴极界面层相结合，使聚合物太阳能电池具有较高填充因子的同时，也具有较高的短路电流密度，有效提升了器件的能量转换效率；同时，本发明专利技术的正装聚合物太阳能电池器件在阴极界面厚度变化时仍可以保持较好的器件性能；另外，本发明专利技术的正装聚合物太阳能电池器件的稳定性也明显提升。明显提升。明显提升。

【技术实现步骤摘要】
基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于有机半导体薄膜太阳能电池
，具体涉及一种基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚合物太阳能电池可采用溶液法大面积技术制备，具有柔性好、质量轻、半透明以及成本低等优点，在建筑玻璃、航空航天以及可穿戴电子等领域都具有广阔的应用前景。优化共轭聚合物给体和稠环电子受体的分子结构、调控光活性层形貌等都是提升聚合物太阳能电池效率的重要方法。近年来，得益于非富勒烯受体分子与对应共轭聚合物给体的发展，聚合物太阳能电池的能量转换效率已经超过18％。除了光活性层材料，界面层对于实现高效率的聚合物太阳能电池也起着重要的作用。通过界面层修饰可以优化光活性层与电极之间的欧姆接触，在一定程度上可以调控光活性层形貌，改善空穴
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电子的收集，从而提升器件稳定性。然而，当前聚合物太阳能电池的效率对界面层材料的厚度十分敏感，特别是正装器件中的阴极界面层厚度，其厚度一般只有5～30nm(最优的厚度通常仅有5～10nm)，这实际上是不利于采用大面积技术(如喷墨打印、卷对卷技术)对器件进行加工的。因此，发展适用于高效率聚合物太阳能电池厚的界面层材料，有利于实现采用大面积技术制备高效率聚合物太阳能电池，并有望加速聚合物太阳能电池的应用。此外，厚的界面一般可以有效减缓水、氧对器件内的光活性层的破坏而起到保护作用，从而有利于改善器件的稳定性。
[0003]应用于聚合物太阳能电池的阴极界面材料有很多种，早期主要是采用热蒸镀法制备的界面材料，如活泼金属Ba、Ca，碱土金属LiF、CsF等；后来发展了可溶液法制备的阴极界面材料，如金属氧化物纳米粒子、水/醇溶共轭与非共轭聚合物或小分子电解质等。金属氧化物具有优异的光电性能、良好的环境稳定性、可以通过溶液法制备以及成本较低等优点。其中，ZnO由于具有较高的电子迁移率，在可见光范围透明，常用于倒装聚合物太阳能电池的阴极界面修饰材料。目前已发展有许多溶液法制备ZnO薄膜的方法，如溶胶
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凝胶法、氧化锌纳米粒子等。溶胶
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凝胶法制备的ZnO通常需高温处理水解生成ZnO薄膜，而通过将ZnO纳米粒子分散在一些醇中然后旋涂成膜，这种方法一般不需要任何后处理。但纳米ZnO溶液不稳定，纳米粒子容易聚集，导致分散性不好，在成膜过程中因聚集容易形成体相或表面缺陷。此外，当在光活性层上通过溶液法制备ZnO界面层时，由于光活性层有机材料表面浸润性(通常表现为疏水性)以及晶格失配等问题，在有机材料表面一般不容易形成连续致密的薄膜。因此，在大多数情况下，ZnO多应用于倒装的聚合物太阳能电池的阴极界面层中，而在正装器件中，ZnO不是理想的阴极界面层材料。
[0004]与金属氧化物相比，聚合物或小分子类电解质具有醇溶性好、在光活性层上成膜容易、薄膜致密以及表面粗糙度低等优点，并且在成膜后通常不需要高温后处理，十分适合在正装聚合物太阳能电池中用于阴极界面层修饰。然而，大部分水/醇溶类聚合物或小分子电解质的电子迁移率相对较低，当厚度增加时器件效率会显著下降。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池及其制备方法，从而解决了目前正装聚合物太阳能电池中，无机阴极界面层形貌差，不适合用于正装器件中阴极界面层的问题；另一方面也解决了正装器件中的有机阴极界面层因电子迁移率低而导致的器件效率对其厚度敏感的问题。
[0006]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池。根据本专利技术的实施例，所述太阳能电池包括：依次层叠设置的衬底、阳极ITO、阳极界面层、光活性层、无机阴极界面层、有机阴极界面层和金属电极。
[0007]根据本专利技术实施例的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，通过将无机阴极界面层和有机阴极界面层相结合，使聚合物太阳能电池具有较高填充因子的同时，也具有较高的短路电流密度，有效提升了器件的能量转换效率；同时，本专利技术的正装聚合物太阳能电池器件在阴极界面厚度变化时仍可以保持较好的器件性能；另外，本专利技术的正装聚合物太阳能电池器件的稳定性也明显提升。从而解决了目前正装聚合物太阳能电池中，无机阴极界面层形貌差，不适合用于正装器件中阴极界面层的问题；另一方面也解决了正装器件中的有机阴极界面层因电子迁移率低而导致的器件效率对其厚度敏感的问题。
[0008]具体来说，本专利技术具有如下优点：
[0009]1.提高了正装聚合物太阳能电池的能量转换效率。
[0010]本专利技术通过设置无机/有机双层阴极界面层，改善了光活性层与阴极界面层之间的接触，同时保持了阴极界面层与金属电极之间的良好接触。其中，无机阴极界面层可以更好地调节器件中的空穴和电子传输平衡，减少分子复合，使器件具有较高的填充因子；而有机阴极界面层可以使器件具有较高的电流。因此，本专利技术的正装聚合物太阳能电池具有较高填充因子的同时，也具有较高的电流，有效提升了器件的效率。
[0011]2.改善了正装聚合物太阳能电池性能对阴极界面层的厚度敏感性。
[0012]只含有无机阴极界面层的器件，在阴极界面较厚时，虽然短路电流密度下降，但器件仍具有较高的填充因子和开路电压。相比于只含有无机阴极界面层的器件，只含有有机阴极界面层的器件在阴极界面较厚时，仍具有较高的短路电流密度。而专利技术的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，在界面层厚度增加时，既具有较好的填充因子和开路电压，也具有较高的短路电流密度，器件性能对阴极界面层的厚度不敏感。
[0013]3.提高了正装聚合物太阳能电池的稳定性。
[0014]只含有无机阴极界面层的器件，虽然其本身的环境稳定性较好，但由于无机阴极界面层的材料(例如ZnO纳米粒子)在光活性层上分布不均匀，且容易发生团聚，导致没有被无机阴极界面层的材料(例如ZnO纳米粒子)覆盖的光活性层暴露在水氧环境下，影响器件的稳定性。只含有有机阴极界面层的器件，由于有机阴极界面层的材料(例如PDINO)本身材料稳定性的限制，器件的稳定性有限。而本专利技术的双层阴极界面中，有机阴极界面层的材料(例如PDINO)覆盖了无机阴极界面层的材料(例如ZnO纳米粒子)没有覆盖的光活性层，因此，本专利技术的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池表现出比只含有无机阴极界面层的器件或只含有有机阴极界面层的器件更优异的稳定性。
[0015]另外，根据本专利技术上述实施例的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池还可
以具有如下附加的技术特征：
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述无机阴极界面层的厚度为8
‑
55nm。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述无机阴极界面层的材料选自ZnO、SnO2和TiO2中的至少之一，优选ZnO。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述有机阴极界面层的厚度为5
‑
20nm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，其特征在于，包括：依次层叠设置的衬底、阳极ITO、阳极界面层、光活性层、无机阴极界面层、有机阴极界面层和金属电极。2.根据权利要求1所述的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，其特征在于，所述无机阴极界面层的厚度为8
‑
55nm；任选地，所述无机阴极界面层的材料选自ZnO、SnO2和TiO2中的至少之一，优选ZnO。3.根据权利要求1所述的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，其特征在于，所述有机阴极界面层的厚度为5
‑
20nm；任选地，所述有机阴极界面层的材料选自PDINO、PFN和PFN
‑
Br中的至少之一，优选PDINO。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层的厚度为80
‑
150nm；任选地，所述光活性层的材料为聚合物给体材料PMT50或PM6和稠环小分子受体材料Y6的混合物。5.根据权利要求1
‑
3任一项所述的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极界面层的厚度为20
‑
30nm；任选地，所述阳极界面层的材料选自PEDOT:PSS和金属氧化物中的至少之一，优选PEDOT:PSS；任选地，所述金属氧化物选自MoO
x
、NiO
x
和WO
x
中的至少之一。6.根据权利要求1
‑
3任一项所述的基于双层阴极界面的正装聚合物太阳能电池，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底或柔性材料衬底；任选地，所述金属电极为Ag或Al，任选地，所述金属电极的厚度为80
‑
150nm。7.一种制备权利要求1
‑
6任一项所述的正装聚合物太阳能电池的方法，其特征在于，包括：(1)在阳极ITO基底远离衬底的表面旋涂阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁永晔，王薇，杨庭斌，李鑫，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：