[发明专利]一种聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

1982年，Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性质，制造出了第一个具有真正意义上的太阳能电池，但是当时的光电转换效率极低（10^-3%）。紧接着，Glenis等制作了各种聚噻吩的太阳能电池，当时都面临的问题是极低的开路电压和光电转换效率。直到1986年，C.W.Tang等首次将p型半导体和n型半导体引入到双层结构的器件中，才使得光电流得到了极大程度的提高，从此以该工作为里程碑，有机聚合物太阳能电池蓬勃发展起来。

聚合物太阳能电池的工作原理主要分为四部分：（1）光激发和激子的形成；（2）激子的扩散；（3）激子的分裂；（4）电荷的传输和收集。首先，共轭聚合物在入射光照射下吸收光子，电子从聚合物最高占有轨道（HOMO）跃迁到最低空轨道（LUMO），形成激子，激子在内建电场的作用下扩散到给体/受体界面处分离成自由移动的电子和空穴，然后电子在受体相中传递并被阴极收集，空穴则通过给体相并被阳极收集，从而产生光电流。这就形成了一个有效的光电转换过程。

其中，激子分离速率是影响转换效率的一个重要因素，一般空穴传输速率比电子传输速率要高两个数量级。传输速率的不匹配，是造成光电转换效率低下的一个重要的原因。

发明内容

鉴于此，本发明实施例旨在提供一种聚合物太阳能电池及其制备方法，通过在活性层与阳极基底之间制备量子阱层，调节空穴的传输速率，使空穴的速率与电子传输速率相匹配，使电极收集空穴和电子的效率相匹配，进而提高光电转换效率。

本发明实施例提供了一种聚合物太阳能电池，包括阳极基底、活性层、电子缓冲层和阴极，所述聚合物太阳能电池还包括形成于所述阳极基底及所述活性层之间的量子阱层，所述量子阱层包括n个依次层叠的势垒层及n-1个设置于相邻两个势垒层之间的势阱层，所述n为大于1且小于等于6的整数，所述势垒层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐形成的混合材料，所述势阱层的材料为功函数为-3.0~2.0eV的铯盐。

所述n为大于1且小于等于6的整数。

当n=2时，量子阱层的结构为：势垒层/势阱层/势垒层。

当n=3时，量子阱层的结构为：势垒层/势阱层/势垒层/势阱层/势垒层。

当n的取值过大，则会使得量子阱层的厚度过大，从而影响空穴传输的效果，不利于提高光电转换效率，因此n应该取合适的值，本发明中，1＜n≤6，n为整数。

所述势垒层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐形成的混合材料。优选地，所述聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的重量比为2~6:1。

所述势阱层的材料为功函数为-3.0~2.0eV的铯盐。优选地，所述铯盐为叠氮化铯（CsN₃）、碳酸铯（Cs₂CO₃）、氯化铯（CsCl）或氧化铯（Cs₂O）。

优选地，所述势阱层的厚度为10~50nm/层，所述势垒层的厚度为10~50nm/层。

本发明采用具有空穴传输能力的材料聚3,4-二氧乙烯噻吩（PEDOT）作为量子阱的势垒层材料，可提高空穴传输速率，使空穴到达阳极的时间大大缩短，而聚苯磺酸盐（PSS）可增加水溶性和导电性，有利于空穴传输和旋涂工艺。而采用功函数在-3.0~2.0eV的铯盐作为量子阱的势阱，可有效限制空穴的传输，适当的降低空穴传输速率，最终使空穴和电子的传输速率达到一致，从而提高发光转换效率，当空穴到达势垒的时候，由于势垒材料采用的PEDOT，因此，可以加快没有被限制的那部分空穴的传输速率，有效降低空穴遇到陷阱淬灭的几率。

优选地，所述阳极基底为铟锡氧化物玻璃（ITO）、掺氟氧化锡玻璃（FTO）、掺铝的氧化锌玻璃（AZO）或掺铟的氧化锌玻璃（IZO）。

优选地，所述活性层为聚[2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）]对苯乙炔（MDMO-PPV）或聚(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-亚苯基乙撑)（MEH-PPV）与[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PC₆₁BM）形成的混合材料。所述活性层可分别用MDMO-PPV:PC₆₁BM、MEH-PPV:PC₆₁BM表示。更优选地，所述活性层为MDMO-PPV与PC₆₁BM形成的混合材料。