一种基于水溶性氟化铷的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种基于水溶性氟化铷的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域，采用溶液加工方法在透明电极基板上制备一层氟化铷阴极界面层，然后在其上再制备倒置结构的聚合物太阳能电池。本发明一方面解决了传统的采用金属氧化物阴极界面层的器件所产生的光浴问题，另一方面解决了基于金属氟化物的倒置结构聚合物太阳能电池制备工艺复杂，重复性不好的问题。溶液加工的氟化铷界面层可以与聚合物活性层一起采用连续的溶液加工方法制备，更有利于实现大面积柔性聚合物太阳能电池的工业化生产。另外，这种溶液加工的氟化铷界面材料，还可推广应用到更多的光电器件中，如电致发光二极管，钙钛矿太阳能电池和场效应晶体管等。
【专利说明】
-种基于水溶性氣化細的倒置结构聚合物太阳能电池的制备 方法
技术领域
[0001] 本发明设及太阳能电池技术领域，具体设及一种基于水溶性氣化钢的倒置结构聚 合物太阳能电池的制备方法。
【背景技术】
[0002] 聚合物薄膜太阳能电池具有重量轻，成本低，制备工艺简单，易弯曲等优点，然而 对于报道的运些聚合物太阳能电池，大多数都采用在铜锡氧化物（IT0)上旋涂一层聚嚷吩 衍生物聚(3,4-乙締基二氧嚷吩KPED0T)作为阳极界面层，而PED0T是一种具有弱酸性的水 分散液，对IT0电极和聚合物活性层有一定的腐蚀作用，因此会对聚合物太阳能电池的性能 有负面的影响。并且由于P抓0T在可见光区有吸收，会减弱入射到活性层上的光。为了避免 阳DOT对器件性能产生的负面影响，一个有效的方法就是采用倒置结构，倒置结构更有利于 活性层对光的吸收。
[0003] 在倒置结构聚合物太阳能电池中，通常采用在IT0上制备一层在可见光区域没有 吸收的材料来作为阴极界面层，目前最常用的阴极界面材料有TWx，ZnO等可W溶液加工的 金属氧化物，然而运些材料制备的器件存在光浴问题，即器件在初始测试过程中通常性能 表现低下，电流-电压特性曲线呈异常的"S"型，器件在经过持续光照后，运种现象才会逐渐 减弱。鉴于现有的阴极界面材料对器件工作稳定性有不利的影响，开发新型可溶液加工的 阴极界面材料对倒置结构聚合物太阳能电池有非常重要的意义。
[0004] 在传统的正置结构的聚合物太阳能电池中，金属氣化物是一种常见的阴极界面材 料，例如LiF，CsF和BaF2等，它们可W与金属电极一起采用真空热蒸发的方法连续制备，然 而运种金属氣化物界面材料很少被应用到倒置结构的聚合物太阳能电池中，运一方面是由 于金属氣化物不导电，因此需要很薄的一层（1-2纳米)就可W起到降低电极功函数的作用， 过厚的金属氣化物反而会降低器件性能，而通过热蒸发的方法很难对其厚度精确控制，从 而会导致器件重复性降低；另一方面由于运些金属氣化物不溶于水或有机溶剂，因此都需 要采用热蒸发的方法制备，然而在倒置结构中，在阴极界面层之上的聚合物活性层需要采 用旋涂方法制备，运样就增加了聚合物太阳能电池的制备难度，即需要先热蒸发金属氣化 物，再旋涂活性层，最后再热蒸发金属电极。运与传统的正置器件的先旋涂后热蒸发的制备 工艺相比，操作更加复杂。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术中金属氧化物阴极界面层的光浴问题，W及基于金属氣 化物的倒置结构聚合物太阳能电池制备工艺复杂，重复性不好的问题，提供一种基于水溶 性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法。
[0006] 本发明的基于水溶性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法的技术方 案具体如下：
[0007] -种基于水溶性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法，包括W下步 骤：
[0008] 步骤i、在带有图案化透明电极的刚性或柔性基板上制备氣化钢阴极界面层;所述 的氣化钢阴极界面层采用溶液加工方法制备；
[0009] 步骤ii、在所述的氣化钢阴极界面层上制备活性层；
[0010] 步骤iii、在所述的活性层上制备阳极界面层及阳极层。
[0011] 上述技术方案中，在步骤i中，所述的氣化钢采用去离子水溶解，该氣化钢水溶液 重量比浓度为0.1%。-10%〇。
[0012]上述技术方案中，在步骤冲，所述的氣化钢阴极界面层厚度为0.1-5纳米。
[0013] 上述技术方案中，在步骤i中，所述氣化钢阴极界面层采用的溶液加工方法为旋 涂、滴涂、喷涂或刮涂。
[0014] 上述技术方案中，在步骤i中，所述的刚性基板的材料为玻璃。
[0015] 上述技术方案中，在步骤i中，所述的柔性基板的材料为塑料。
[0016] 上述技术方案中，在步骤i中，所述的图案化电极为IT0透明导电薄膜。
[0017] 上述技术方案中，在步骤ii中，所述的活性层的材料为聚合物PBDTTT-C-T和富勒 締衍生物[6，6 ] -2-苯基C71 -2-下酸甲脂的共混物。
[0018] 上述技术方案中，在步骤iii中，所述的阳极界面层的材料为Ξ氧化钢，所述的阳 极层的材料为侣。
[0019] 本发明的基于水溶性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法具有W下 的有益效果：
[0020] 在倒置结构聚合物太阳能电池中，阴极界面材料采用可W溶液加工的氣化钢，一 方面解决了传统的采用金属氧化物阴极界面层的器件所产生的光浴问题，另一方面解决了 真空热蒸发方法制备金属氣化物时厚度不容易精确控制导致的聚合物太阳能电池重复性 差的问题。本发明的方法可W通过溶液浓度的调控来精确控制氣化钢的厚度，所制备的聚 合物太阳能电池工艺重复性高。另外，溶液加工的氣化钢同时解决了在倒置结构中，热蒸发 方法制备金属氣化物导致聚合物太阳能电池工艺操作复杂的问题，氣化钢界面层可W与聚 合物活性层一起采用连续的溶液加工方法制备，更有利于实现大面积柔性工业化生产。
[0021] 另外，运种溶液加工的氣化钢界面材料，还可W推广应用到更多的光电器件中，例 如电致发光二极管，巧铁矿太阳能电池和场效应晶体管等。
【附图说明】
[0022] 图1是基于水溶性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池的器件结构示意图。
[0023] 图2是对比例1(曲线1)，对比例Π (曲线2)和实施例1(曲线3)在100毫瓦/平方厘米 的ΑΜ1.5G模拟太阳光下测试的电流密度-电压特性曲线。
[0024] 图3是实施例1 (曲线1)和对比例Π (曲线2)在100毫瓦/平方厘米的ΑΜ1.5G模拟太 阳光连续照射不同时间所测得的能量转换效率变化曲线。
【具体实施方式】
[0025] 本发明的发明思想为:本发明的基于水溶性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池 的制备方法，其所设及的聚合物太阳能电池结构如图1所示：
[0026] 基板1的材料为玻璃，石英等刚性基板，或塑料等柔性基板；
[0027] 图案化电极2的材料为口 0,厚度为100纳米；
[0028] 氣化钢阴极界面层3的材料为氣化钢，厚度为0.1-5纳米，其中溶液加工过程中所 采用的氣化钢水溶液重量比浓度为0.1%。-10%〇;
[00巧]活性层4,材料为聚合物PBDTTT-C-T和富勒締衍生物PC70BM的共混物，厚度为120纳 米。PC70BM的质量占共混物总质量的60%，混合溶液浓度为25毫克/毫升；
[0030]阳极界面层5的材料为Ξ氧化钢，厚度为10纳米；
[0031 ]阳极6，其材料为金属侣，厚度为100纳米。
[0032] 本发明的基于水溶性氣化钢的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法的工艺步 骤和条件如下：
[0033] 步骤i、在带有图案化透明电极的刚性或柔性基板上制备氣化钢阴极界面层;所述 的氣化钢阴极界面层采用溶液加工方法制备；
[0034] 步骤ii、在所述的氣化钢阴极界面层上制备活性层；
[0035] 步骤iii、在所述的活性层上制备阳极界面层及阳极层。
[0036] 具体的说，包括W下步骤：
[0037] 1)将带有图案化电极2的基板1清洗干净并烘干；
[0038] 2)将带有图案化电极2的基板1放置在匀胶机的托架上，把配好的浓度为0.1%〇- 10%。的氣化钢水溶液采用溶液加工方法制备成膜，得到0.1-5纳米厚的氣化钢阴极界面层 3,120度退火10分钟；
[0039] 3)将上述基板转移至手套箱中，并将其放置在匀胶机托架上，把揽拌好的PBDTTT- C-T: PC70BM的混合溶液均匀滴在基板上，调节匀胶机的转速达到800转每分钟，旋涂2分钟后 得到120纳米厚的活性层4;
[0040] 上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0041] 4)将上述涂有活性层的基板放入真空锻膜机中抽真空，当真空度达4 Χ10-4帕斯卡 时蒸发10纳米厚的阳极界面层5,再蒸发100纳米厚的阳极层6。
[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用W解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0043] 对比例I:
[0044] 1)将刻蚀好的细条状ΙΤ0导电玻璃清洗干净并烘干；
[0045] 2)放置在手套箱中的匀胶机的托架上，把揽拌好的PBDTTT-C-T: PC70BM的混合溶液 均匀滴在ΙΤ0导电玻璃基板上，调节匀胶机转速800转每分钟，旋涂2分钟后得到120纳米厚 的活性层；
[0046] 上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0047] 3)将步骤2)得到的制品放入热蒸发真空锻膜机中抽真空，当真空度达4 Χ10-4帕斯 卡时蒸发10纳米厚的Ξ氧化钢，再蒸发100纳米厚的侣。
[004引对比例Π :
[0049] 1)将刻蚀好的细条状ΙΤ0导电玻璃清洗干净并烘干；
[0050] 2)将上述ΙΤ0玻璃放置在匀胶机托架上，把配好的浓度为15毫克/毫升的氧化锋正 下醇溶液均匀滴在ΙΤ0玻璃基板上，调节匀胶机转速2000转每分钟，旋涂1分钟后得到10纳 米厚的氧化锋阴极界面层，120度退火20分钟；
[0051] 3)将步骤2)得到的制品放置在手套箱中的匀胶机的托架上，把揽拌好的PBDTTT- C-T:PC7qBM的混合溶液均匀滴在口0导电玻璃基板上，调节匀胶机转速800转每分钟，旋涂2 分钟后得到120纳米厚的活性层；
[0化2] 上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0053] 2)将步骤1)得到的制品放入热蒸发真空锻膜机中抽真空，当真空度达4Χ10-4帕斯 卡时蒸发10纳米厚的Ξ氧化钢，再蒸发100纳米厚的侣。
[0化4] 实施例1:
[0055] 1)将刻蚀好的细条状ΙΤ0导电玻璃清洗干净并烘干；
[0056] 2)将上述ΙΤ0玻璃放置在匀胶机托架上，把配好的浓度为3%。的氣化钢水溶液均匀 滴在基板上，调节匀胶机转速1000转每分钟，旋涂1分钟后得到1.2纳米厚的氣化钢阴极界 面层，120度退火10分钟；
[0057] 3)将步骤2)得到的制品放置在手套箱中的匀胶机的托架上，把揽拌好的PBDTTT- C-T:PC7qBM的混合溶液均匀滴在口0导电玻璃基板上，调节匀胶机转速800转每分钟，旋涂2 分钟后得到120纳米厚的活性层；
[0化引上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0059] 4)将步骤1)得到的制品放入热蒸发真空锻膜机中抽真空，当真空度达4Χ10-4帕斯 卡时蒸发10纳米厚的Ξ氧化钢，再蒸发100纳米厚的侣。
[0060] 实施例2:
[0061] 1)将刻蚀好的细条状口 0导电玻璃清洗干净并烘干；
[0062] 2)将上述ΙΤ0玻璃放置在匀胶机托架上，把配好的浓度为0.1%。的氣化钢水溶液均 匀滴涂在基板上，120度退火10分钟后得到厚度为0.1纳米的氣化钢阴极界面层；
[0063] 3)将步骤2)得到的制品放置在手套箱中的匀胶机的托架上，把揽拌好的PBDTTT- C-T:PC7qBM的混合溶液均匀滴在口0导电玻璃基板上，调节匀胶机转速800转每分钟，旋涂2 分钟后得到120纳米厚的活性层；
[0064] 上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0065] 4)将步骤1)得到的制品放入热蒸发真空锻膜机中抽真空，当真空度达4Χ10-4帕斯 卡时蒸发10纳米厚的Ξ氧化钢，再蒸发100纳米厚的侣。
[0066] 实施例3:
[0067] 1)将刻蚀好的细条状ΙΤ0塑料柔性基板清洗干净并烘干；
[0068] 2)将上述ΙΤ0柔性基板放置在水平台面上，用喷涂方法把配好的浓度为2%。的氣化 钢水溶液均匀喷在基板上，得到2纳米厚的氣化钢阴极界面层，120度退火10分钟；
[0069] 3)将步骤2)得到的制品放置在手套箱中的匀胶机的托架上，把揽拌好的PBDTTT- C-T:PC7qBM的混合溶液均匀滴在口0导电玻璃基板上，调节匀胶机转速800转每分钟，旋涂2 分钟后得到120纳米厚的活性层；
[0070] 上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0071] 4)将步骤1)得到的制品放入热蒸发真空锻膜机中抽真空，当真空度达4Χ10-4帕斯 卡时蒸发10纳米厚的Ξ氧化钢，再蒸发100纳米厚的侣。
[0072] 实施例4:
[0073] 1)将刻蚀好的细条状ΙΤ0导电石英基板清洗干净并烘干；
[0074] 2)将上述ΙΤ0基板放置在刮涂仪上，把配好的浓度为10%。的氣化钢水溶液均匀滴 在基板上，调节刮涂仪狭缝为0.1mm，刮涂速率20米每分钟，得到5纳米厚的氣化钢阴极界面 层，120度退火10分钟；
[0075] 3)将步骤2)得到的制品放置在手套箱中的匀胶机的托架上，把揽拌好的PBDTTT- C-T:PC7qBM的混合溶液均匀滴在口0导电玻璃基板上，调节匀胶机转速800转每分钟，旋涂2 分钟后得到120纳米厚的活性层；
[0076] 上述的揽拌均匀的PBDTTT-C-T:PC7qBM混合溶液的制备方法如下：W二氯苯为溶 剂，浓度为25毫克/毫升，PC70BM的质量占总质量的60%，在60度加热揽拌3小时，停止加热， 继续揽拌12小时；
[0077] 4)将步骤1)得到的制品放入热蒸发真空锻膜机中抽真空，当真空度达4Χ10-4帕斯 卡时蒸发10纳米厚的Ξ氧化钢，再蒸发100纳米厚的侣。
[0078] 通过W上多个实施例和对比例可W 了解到：
[0079] 图2是对比例1(曲线1)，对比例Π(曲线2)和实施例1(曲线3)在100毫瓦/平方厘米 的AM1.5G模拟太阳光下测试的电流密度-电压特性曲线。从图2中可W看出与没加阴极界面 层的对比例1(曲线1)相比，引入一薄层氣化钢阴极界面层后的实施例1(曲线3)，器件性能 有明显提高，其能量转换效率从1.37%提高到了 6.82%。运与传统的采用氧化锋作为阴极 界面层的对比例Π (曲线2)器件的效率接近(6.73%)，运说明溶液加工的氣化钢可W起到 很好的阴极界面调节作用，并且能够实现与传统氧化锋阴极界面层的器件相当的性能。
[0080] 图3是实施例1(曲线1)和对比例Π (曲线2)在100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模拟太 阳光连续照射不同时间所测得的能量转换效率变化曲线。从图3中可W看出，在传统的氧化 锋作为阴极界面层的器件中（对比例Π )，由于存在光浴问题，因此器件在测试初始的能量 转换效率仅有5.19%，而随着光照时间的增加，器件的能量转换效率逐渐提高到6.73%。而 在采用氣化钢为界面层的器件中（实施例1)，则不存在器件效率随光照时间增加的现象，器 件在测试初始就可W实现6.82%的能量转换效率。因此，采用溶液加工的氣化钢代替传统 金属氧化物作为阴极界面层可w解决金属氧化物所带来的光浴问题，从而提高倒置结构聚 合物太阳能电池对太阳光的响应速度，更有利于聚合物太阳能电池的实际应用。
[0081 ]下面所示的表1给出了对比例I、对比例Π 和实施例1、2、3、4、的性能参数。
[0082] 表 1
[0083]
[0084] 从表1中可W看出，与对比例I相比，采用不同的基底及不同浓度的氣化钢水溶液 来制备氣化钢阴极界面层的器件(实施例1、2、3、4)，都可W有效的改善器件性能，尤其是通 过调节氣化钢水溶液的浓度可W方便且精确的控制氣化钢阴极界面层的厚度，从而使器件 获得更高的能量转换效率。更重要的是运种氣化钢界面层还可W和柔性基板结合(实施例 3)，实现较高能量转换效率(5.84%)的柔性聚合物太阳能电池。由此可W看出本发明的水 溶液加工的氣化钢阴极界面层具有在大面积柔性工业化生产中应用的潜力。
[0085] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可W做出其它不同形式的变化或 变动。运里无需也无法对所有的实施方式予W穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种基于水溶性氟化铷的倒置结构聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包 括以下步骤： 步骤i、在带有图案化透明电极的刚性或柔性基板上制备氟化铷阴极界面层;所述的氟 化铷阴极界面层采用溶液加工方法制备； 步骤ii、在所述的氟化铷阴极界面层上制备活性层； 步骤iii、在所述的活性层上制备阳极界面层及阳极层。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤i中，所述的氟化铷采用去离子 水溶解，该氟化铷水溶液重量比浓度为〇. 1%。-10%〇。3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤i中，所述的氟化铷阴极界面层 厚度为0.1-5纳米。4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤i中，所述氟化铷阴极界面层采 用的溶液加工方法为旋涂、滴涂、喷涂或刮涂。5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤i中，所述的刚性基板的材料为 玻璃。6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤i中，所述的柔性基板的材料为 塑料。7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤i中，所述的图案化电极为ITO 透明导电薄膜。8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤ii中，所述的活性层的材料为 聚合物PBDTTT-C-T和富勒烯衍生物[6，6 ]-2-苯基C71-2-丁酸甲脂的共混物。9. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤iii中，所述的阳极界面层的材 料为三氧化钼，所述的阳极层的材料为铝。
【文档编号】H01L51/48GK105870329SQ201610223471
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】郭晓阳, 林逢源, 刘星元
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所