專利名稱：：一種新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于太陽能電池
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種通過溶劑滲透方式制備基于共軛聚合物/富勒烯衍生物太陽能電池的方法。
背景技術(shù)：
：近年來，有機聚合物太陽能電池以其價格低廉、制作工藝簡單、可制備大面積柔性器件等優(yōu)點，成為可再生能源領(lǐng)域研究的熱點。1986年C.W.Tang首次設(shè)計并制備了以酞青銅為給體層，以茈衍生物為受體層的雙層有機太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率達到1%。在雙層有機太陽能電池中，雖然載流子可以在各自的主體中有效傳輸，但激子分離只發(fā)生在有限的給受體界面，因此太陽能轉(zhuǎn)換效率相對較低。1995年俞鋼等人把作為電子給體的共軛聚合物MEH-PPV和作為電子受體的C60共溶于同一個溶劑中，通過旋涂方法，制備了給體和受體相互混合并形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的共混膜，即所謂體異質(zhì)結(jié)的有機太陽能電池。這種體異質(zhì)結(jié)大幅度增加了給受體的界面，有效地實現(xiàn)了激子分離并產(chǎn)生自由載流子。但在實際成膜過程中，給受體并不能形成完全的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而是形成非連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀的體相，而且給受體兩相容易在薄膜表面同時出現(xiàn)，因而導(dǎo)致活性層中給體相直接與陰極接觸，增加了自由載流子復(fù)合幾率，降低了載流子的收集效率，進而降低電池的效率。因此，為了增加給受體界面，提高激子分離效率，同時又利于自由載流子的傳輸和收集，我們結(jié)合雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池載流子傳輸和收集以及體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的激子分離效率高等優(yōu)點，利用溶劑溶蝕法設(shè)計了具有相互滲透的雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池，即互滲式異質(zhì)結(jié)太陽能電池，為制備高性能聚合物富勒烯太陽能電池提供一個簡便方法。目前，采用溶液法制備互滲式結(jié)構(gòu)的共軛聚合物富勒烯衍生物太陽能電池的方法尚未見報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新型聚合物太陽能電池的制備方法，其是利用溶劑溶蝕的方法，制備具有相互滲透的雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池。其中給體層為共軛聚合物，如聚3己垸噻吩(P3HT)、聚(2-甲氧基-5-(2'-乙基己氧基)-1,4-對苯乙炔)(MEH-PPV)、聚[2-甲氧基-5(3'，7，-二甲基辛氧基)-1，4-對苯乙炔](MDMO-PPV)等，受體層為富勒烯衍生物[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯(PCBM)。為了有效地增加給受體之間的接觸界面，保證激子分離效率的同時又能提高載流子的傳輸和收集效率，我們結(jié)合雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池利于載流子傳輸以及體異質(zhì)結(jié)太陽能電池利于激子分離的優(yōu)點，通過溶劑相互滲透作用，設(shè)計了互滲式有機聚合物太陽能電池。通過給受體層互相滲透，保證給受體具有足夠多的接觸界面，同時在互滲層與電極之間存在各自的主體層，這樣既能保證光生激子有效地分離，又能使分離的自由載流子在各自的主體中傳輸，因而可以提高載流子的傳輸效率以及收集效率，進而提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。本方法制備的太陽能電池以共軛聚合物和富勒烯衍生物PCBM作為給體和受體材料，并利用溶劑滲透方法即可在給受體界面實現(xiàn)互滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無需任何后續(xù)處理。在白光照射下其光電轉(zhuǎn)換效率較雙層太陽能電池有較大提高，且較體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的效率有所提高。因而采用該方法較容易制備高性能太陽能電池，簡化了聚合物太陽能電池的制備過程，更避免利用熱退火處理或溶劑退火處理等方式給太陽能電池帶來的影響，消除了器件在后處理中易氧化、降解的風(fēng)險。本發(fā)明所述的聚合物太陽能電池的制備方法如下A:室溫條件下，將共軛聚合物溶于其良溶劑中，如鄰二氯苯(ODCB)、氯苯(CB)、氯仿(CF)或四氫呋喃(THF)在200~1200RPM的攪拌速度下攪拌610小時，以保證共軛聚合物充分溶解，配制成520毫克/毫升的溶液；B:將PCBM溶于其良溶劑，同時該溶劑也是共軛聚合物的良溶劑中，如氯仿(CF)、氯苯(CB)、四氫呋喃(THF)或它們的混合溶劑(如氯仿和氯苯的混合溶劑、氯苯和四氫呋喃的混合溶劑等)，配制成5~20毫克/毫升溶液；C:將共軛聚合物溶液以700~2000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂到已清潔處理的ITO導(dǎo)電玻璃上，得到100200nm厚的聚合物薄膜，待溶劑完全揮發(fā)后，再將PCBM溶液以2000~4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂在共軛聚合物薄膜上，通過溶劑作用使PCBM分子滲透到共軛聚合物給體層當中，最終形成具有共軛聚合物與PCBM互滲結(jié)構(gòu)的、厚度為80150nm的活性層；D:待溶劑完全揮發(fā)后，在PCBM上蒸鍍一層電極，即得到互滲式聚合物太陽能電池。除ITO導(dǎo)電玻璃，還可以采用FTO導(dǎo)電玻璃；在PCBM上蒸鍍的電極可以采用Mg/Ag、Ca/AI或LiF/AI電極等。本發(fā)明所制備的聚合物太陽能電池示意圖，如圖1所示?？梢钥闯?，通過本發(fā)明的方法，可以制備給受體層互相滲透的活性層，相比于雙層結(jié)構(gòu)太陽能電池，有效地增加了給受體界面，并且可以通過控制溶劑的揮發(fā)速度(即選用不同沸點的溶劑如氯仿、氯苯等)和滲透時間(即PCBM溶液滴在聚合物薄膜上靜止時間)來控制滲透深度和活性層厚度，從而避免在體異質(zhì)太陽能電池中給體相和受體相直接與電極相互接觸而引起的載流子損失。因此，本發(fā)明制備的互滲式異質(zhì)結(jié)太陽能電池，可以為激子的分離提供較大的給受體界面，并為載流子的傳輸提供連續(xù)的通道，避免在傳輸過程中載流子的損失，從而有利于提高太陽能電池的效率，且制備過程簡單，容易控制。圖1:采用本發(fā)明的方法制備的器件結(jié)構(gòu)示意其中，1為透明玻璃，2為作為陽極使用的半透明ITO層，3為PEDOT:PSS層，4為共軛聚合物層，5為PCBM層，6為陰極。在共軛聚合物層4與PCBM層5間形成本發(fā)明所制備的具有互滲式結(jié)構(gòu)的活性層。圖2:純MEH-PPV膜、純PCBM膜、本發(fā)明方法制備的滲透膜的紫外可見吸收譜；由圖可知，滲透膜中495nm附近的吸收峰表現(xiàn)為MEH-PPV的吸收峰，270nm和340nm附近的吸收峰都表現(xiàn)為PCBM的吸收峰。圖3:純MEH-PPV膜、本發(fā)明方法制備的滲透膜的熒光光譜；由圖可知，隨著PCBM向MEH-PPV層的滲透，MEH-PPV的熒光猝滅明顯。相比于純MEH-PPV膜的熒光強度，滲透膜中MEH-PPV的熒光發(fā)生了100%的猝滅。這一結(jié)果表明，PCBM分子可以滲透到MEH-PPV薄層中，當在光激發(fā)條件下，可以發(fā)生有效的電荷分離，淬滅MEH-PPV的熒光。圖4:不同條件制備的薄膜表面的原子力電子顯微鏡照片；其中(a)為純MEH-PPV薄膜表面形貌；(b)為滲透膜表面形貌；(c)為滲透膜除去PCBM分子后薄膜表面形貌。從圖中可以看出，純MEH-PPV膜的表面較為平整，并沒有出現(xiàn)相分離，而滲透膜的表面較為粗糙。采用溶劑方法，即將滲透膜浸泡到對PCBM易溶而難溶MEH-PPV的環(huán)己烷中1min，將PCBM分子除去后的滲透膜表面如圖(c)所示，可知在MEH-PPV主體層中，形成了較多尺寸大小不一的缺陷，而這些缺陷if.是由滲透到MEH-PPV主體層中的PCBM被去除而形成的。這表明在滲透膜中，MEH-PPV與PCBM的內(nèi)界面為PCBM與MEH-PPV相互滲透的結(jié)構(gòu)。具體實施例方式實施例1:將MEH-PPV溶于氯仿溶液中，配制成5毫克/毫升溶液，700rpm條件下攪拌6小時；將PCBM溶于氯仿溶液中，配制成5毫克/毫升溶液。將ITO玻璃用丙酮、異丙醇、去離子水分別超聲清洗15分鐘，然后以轉(zhuǎn)速3000RPM旋涂，獲得一層厚度為40nm的PEDOT:PSS層，以修飾ITO表面的功函數(shù)。放入真空烘箱120度干燥1小時。再將配制好的MEH-PPV氯仿溶液以2000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂在己修飾好的ITO玻璃片上，獲得一層厚度約為150nm的聚合物薄層。待溶劑完全揮發(fā)后，將配制好的PCBM氯仿溶液滴加在完全干燥的MEH-PPV薄膜上，并立即以3000rpm的速度旋涂成膜，則PCBM將在溶劑作用下滲透到MEH-PPV薄膜中。最終獲得的活性層厚度約為100nm。最后通過真空蒸鍍的方法蒸鍍一層厚度為100nm的LiF/AI電極，即制備得到聚合物太陽能電池。應(yīng)用本發(fā)明的方法所制備的聚合物太陽能電池，在未經(jīng)過任何后處理的條件下，其能量轉(zhuǎn)換效率達到了2.68%，比采用同種材料制備的雙層器件的能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高，并且比采用相同材料的體系(聚合物與PCBM質(zhì)量比為MEH-PPV:PCBM=1:4)的體異質(zhì)結(jié)器件的能量轉(zhuǎn)換效率也有所提高，詳細比較見表1。另外，研究表明應(yīng)用本發(fā)明制備的活性層，由于具有互滲式結(jié)構(gòu)，MEH-PPV與PCBM接觸的內(nèi)界面為互相滲透式界面，增大了給受體的界面面積，很好地改善了雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池的活性層中平面的給受體接觸界面，有效地提高了光生激子的分離效率，使電池的短路電流得到較大提高；另一方面，由于互滲式太陽能電池的活性層中存在給受體各自的主體層，保證了電池的活性層與電極接觸的內(nèi)界面為給受體各自主體層與電極的接觸，從而有效降低了載流子在傳輸?shù)诫姌O的過程中的復(fù)合幾率，同時在給受體互滲的混合層中，分離了的光生載流子又能在各自主體中有效地傳輸，提高了電荷的傳輸和收集效率，因而電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到明顯的提高。因此，利用本發(fā)明的方法可以制備高性能的聚合物太陽能電池。表1:利用不同方法制備的聚合物太陽能電池性能比較(光強為100mW/cm2白光照射條件下測量，采用JYTriax320單色儀及氙燈)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法，其步驟如下A室溫條件下，將共軛聚合物溶于其良溶劑中，在200～1200RPM的攪拌速度下攪拌6～10小時，配制成5～20毫克/毫升的溶液；B將[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯溶于其良溶劑中，配制成5～20毫克/毫升溶液；C將共軛聚合物溶液以700～2000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂到已清潔處理的ITO或FTO導(dǎo)電玻璃上，待溶劑完全揮發(fā)后，再將[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯溶液以2000～4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂在共軛聚合物薄膜上，通過溶劑作用使[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯分子滲透到共軛聚合物給體層當中，形成共軛聚合物與PCBM互滲結(jié)構(gòu)的活性層；D待溶劑完全揮發(fā)后，在[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯上蒸鍍一層電極，即得到互滲式聚合物太陽能電池。2、如權(quán)利要求1所述的新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于共軛聚合物為聚3己烷噻吩、聚(2-甲氧基-5-(2'-乙基己氧基)-1,4-對苯乙炔)或聚[2-甲氧基-5(3'，7'-二甲基辛氧基)-1，4-對苯乙炔]。3、如權(quán)利要求1或2所述的新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于共軛聚合物的良溶劑為鄰二氯苯、氯苯、氯仿或四氫呋喃。4、如權(quán)利要求1所述的新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯的良溶劑為氯仿、氯苯或四氫呋喃。5、如權(quán)利要求1所述的新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯的良溶劑為氯仿、氯苯或四氫呋喃的混合溶劑。6、如權(quán)利要求1所述的新型互滲式聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于:在[6.6]-C60-苯基丁酸甲酯上蒸鍍的電極為Mg/Ag、Ca/AI或LiF/AI電極。全文摘要本發(fā)明涉及一種通過溶劑滲透方式制備基于共軛聚合物/富勒烯衍生物太陽能電池的方法。在室溫條件下，將共軛聚合物溶于其良溶劑中，再將PCBM溶于其良溶劑中；將共軛聚合物溶液旋涂到已清潔處理的ITO或FTO導(dǎo)電玻璃上，待溶劑完全揮發(fā)后，再將PCBM溶液旋涂在共軛聚合物薄膜上，通過溶劑作用使PCBM分子滲透到共軛聚合物給體層中，形成共軛聚合物與PCBM互滲結(jié)構(gòu)的活性層；待溶劑完全揮發(fā)后，在PCBM上蒸鍍一層電極，即得到互滲式聚合物太陽能電池。制備的互滲式異質(zhì)結(jié)太陽能電池，可以為激子的分離提供較大的給受體界面，并為載流子的傳輸提供連續(xù)的通道，避免在傳輸過程中載流子的損失，從而有利于提高太陽能電池的效率。文檔編號H01L51/48GK101355139SQ20081005114公開日2009年1月28日申請日期2008年9月9日優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日發(fā)明者吳偉才,周印華,斌徐,田文晶,薛麗麗申請人:吉林大學(xué)