專利名稱：一種聚合物太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效率聚合物太陽能電池的制備方法。
背景技術(shù)：
聚合物太陽能電池由于低成本、柔性、易制取等優(yōu)點成為可再生
能源研究的熱點。在基于可溶性聚噻吩(P3HT)/富勒烯衍生物(PCBM)共混薄膜的聚合物太陽能電池中，構(gòu)建高結(jié)晶性聚噻吩并控制兩種共混物相分離尺度能使電池的效率大幅提高(Advanced FunctionalMaterials 2003, 13, 85)。 一般地，采用熱退火處理方法提高器件中聚噻吩的結(jié)晶度，但這種方法容易導(dǎo)致薄膜中共混組分之間產(chǎn)生大尺度(微米級以上)相分離，不利于器件性能提高。另外，較高溫度下(>100°C)熱退火需要進行惰性氣體的保護，否則會存在聚噻吩氧化、降解的風(fēng)險,導(dǎo)致電池失效。在基于可溶性聚噻吩/富勒烯衍生物的聚合物電池中，采用溶劑氣氛處理的方法可提升P3HT結(jié)晶度并改善共混物形貌提升聚合物太陽能電池效率(Nature Materials 2005, 4, 864)。但由于溶劑氣氛處理的影響因素較多，使調(diào)控的聚合物電池效率波動大，因此采用可控溶劑氣氛處理方法來調(diào)控聚噻吩結(jié)晶度和共混薄膜相分離形貌以獲得穩(wěn)定的高效率太陽能電池的方法尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種一種高效率聚合物太陽能電池的制備方法，通過不迸行高溫加熱的條件下，釆用可控溶劑氣氛處理方法，來
優(yōu)化聚(3-己基)噻吩(P3HT)與[6,6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM)
共混薄膜的相分離形貌并同時提升P3HT的結(jié)晶度，在白光照射下得到穩(wěn)定的高效率太陽能電池。
本發(fā)明制備方法的步驟和條件如下
室溫下，將質(zhì)量配比為2: 2的P3HT和PCBM溶于良溶
劑鄰二氯苯(ODCB)、三氯甲烷(CF)或氯苯(CB)中，優(yōu)選鄰二氯苯(ODCB)溶劑，配成總濃度為8—40毫克/毫升的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂得到50 300納米的薄膜；將此薄膜在室溫下先置于0.5 1倍的四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒 2分鐘，再將處理過的薄膜置于0.7~0.9倍的二硫化碳飽和蒸汽壓中5秒 2分鐘，最后蒸鍍50納米以上的金屬電極，得到聚合物太陽能電池。
圖1是P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1的共混薄膜透射電子顯微鏡圖片圖。圖la所示的薄膜未經(jīng)任何處理；采用本發(fā)明方法對P3HT/PCBM共混薄膜進行第一步四氫呋喃蒸汽處理5秒后，P3HT和PCBM之間形成了尺度為30 40納米相分離形貌(圖lb);而當四氫呋喃氣氛處理時間增加到30秒時(圖Id);則會形成大而有規(guī)則的PCBM結(jié)晶，采用本發(fā)明方法處理的薄膜(圖lc)，其相分離尺度縮小到10納米左右，并且通過插入的電子衍射強度的比對發(fā)現(xiàn)，圖lc中歸屬于P3HT的(020)晶面的外衍射環(huán)明顯強于未進行處理的薄膜和僅經(jīng)過四氫呋喃氣氛5秒處理的薄膜；對經(jīng)過四氫呋喃處理過的薄膜再進行二硫化碳蒸汽處理后，如附圖lc所示，由于二硫化碳對PCBM的溶釋作用共混薄膜相分離尺度縮小。通過對比三種薄膜 的紫外可見光吸收光譜曲線可知采用本發(fā)明兩步處理后的薄膜，
P3HT結(jié)晶度得到提高。因此，本發(fā)明的方法既能使共混薄膜形成納 米尺寸相分離，又提升了P3HT的結(jié)晶度，通過這兩方面的優(yōu)化提升 了聚合物太陽能電池的效率
圖2是P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1的共混薄膜的紫外(UV)-可 見光(Vis)吸收圖。1:以O(shè)DCB作為溶劑制得的未經(jīng)處理的 P3HT/PCBM共混薄膜；2:僅采用四氫呋喃處理的P3HT/PCBM共混 薄膜；3:利用本發(fā)明制得的P3HT/PCBM共混薄膜。由圖可見應(yīng)用 本發(fā)明制備的共混薄膜在膜厚相當?shù)那闆r下其光吸收在607納米處 (P3HT分子鏈間兀-兀*轉(zhuǎn)變，它的出現(xiàn)表明存在P3HT結(jié)晶)的吸 收峰更明顯，反映應(yīng)用本發(fā)明后得到的共混薄膜中P3HT的結(jié)晶度以 及其在長波段(>600納米)的吸收都得到了增強。
圖3為P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1以O(shè)DCB為溶劑的聚合物太陽 能電池在100mW/cm2鹵輿燈照射條件下氮氣環(huán)境的手套箱中測定的
J-V特性曲線，1:未經(jīng)處理過的原始器件；2:經(jīng)13(TC退火5分鐘
的器件；3:利用本發(fā)明制備的器件。由圖可見，由本發(fā)明所述方法 制備的聚合物太陽能電池的短路電流密度以及填充因子均要高于由 熱退火處理器件中得到的值。
圖4為P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1的聚合物太陽能電池在空氣環(huán)
境下測定的IPCE曲線，1:未經(jīng)處理過的原始器件；2:經(jīng)13(TC退 火5分鐘的器件；3:利用本發(fā)明制備的器件。由圖可見，由本發(fā)明制備的聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率大于40%的波段寬度要明
顯寬于由熱退火處理的器件，并且在波長為620納米處有明顯的突
起，說明器件的結(jié)晶度得到提升。
應(yīng)用本發(fā)明方法所制備的聚合物太陽能電池實現(xiàn)了免加熱條件 下高效率太陽能電池，避免了由加熱帶來的聚噻吩降解和高能耗等問
題，其轉(zhuǎn)換效率達到3.8%，比通過熱退火處理的器件得到的3.2%效 率還要高，見圖4，詳細比較見表l。
表l
器件參數(shù)短路電流密度 (mA/cm2)開路電壓 F。c (V)填充因子 FF轉(zhuǎn)換效率 PC五 (%)電池面積
原始器件5.010.660.481.609.0
熱退火器件9.920.580.553.209.0
本發(fā)明制備 的器件11.010.580.613.879.0
注表1為利用不同方法得到的聚合物太陽能電池的技術(shù)性能比較
表。經(jīng)過SchottKGl和GG385濾光片濾光后波長范圍為400-900nm， 最大發(fā)射功率在650nm的100mW/cm2鹵鴇燈照射條件下，在氮氣環(huán) 境的手套箱中測定。


圖1是P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1的共混薄膜透射電子顯微鏡圖 片。其中，圖la所示的薄膜未經(jīng)任何處理；圖lb是采用本發(fā)明方法 對P3HT/PCBM共混薄膜進行第一步四氫呋喃蒸汽處理5秒后，P3HT 和PCBM之間形成了尺度為30~40納米相分離形貌圖；圖lc是采用 本發(fā)明方法處理的薄膜圖，其相分離尺度縮小到10納米左右；圖ld是當四氫呋喃氣氛處理時間增加到30秒時，則會形成大而有規(guī)則的
PCBM結(jié)晶圖。
圖2是P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1的共混薄膜的紫外(UV)-可 見光(Vis)吸收圖。其中，曲線l是以O(shè)DCB作為溶劑制得的未經(jīng) 處理的P3HT/PCBM共混薄膜；，曲線2是僅采用四氫呋喃處理的 P3HT/PCBM共混薄膜；曲線3是利用本發(fā)明制得的P3HT/PCBM共 混薄膜。
圖3為P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1以O(shè)DCB為溶劑的聚合物太陽 能電池在100mW/cm2鹵鎢燈照射條件下氮氣環(huán)境的手套箱中測定的
J-V特性曲線圖。其中，1:未經(jīng)處理過的原始器件；2:經(jīng)130。C退 火5分鐘的器件；3:利用本發(fā)明制備的器件。由圖可見，由本發(fā)明
所述方法制備的聚合物太陽能電池的短路電流密度以及填充因子均 要高于由熱退火處理器件中得到的值。
圖4為P3HT/PCBM質(zhì)量比為1:1的聚合物太陽能電池在空氣環(huán) 境下測定的IPCE曲線圖。其中，曲線1是未經(jīng)處理過的原始器件； 曲線2是經(jīng)13(TC退火5分鐘的器件；曲線3是利用本發(fā)明制備的器 件。
具體實施例方式
實驗例l:室溫下，將質(zhì)量配比為1: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為20毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得100納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8倍二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為IOO納米電極后得到
聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.87%。
實驗例2:室溫下，將質(zhì)量配比為1: 2的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為18毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得60納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為80納米電極后得到聚 合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.91%。
實驗例3:室溫下，將質(zhì)量配比為2: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為18毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得80納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為120納米電極后得到 聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.11%。
實驗例4:室溫下，將質(zhì)量配比為1: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為30毫克/亳升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得150納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中5秒。最后蒸鍍厚度為200納米電極后得到聚 合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.51%。
實驗例5:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為15毫克/毫升的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂制得50納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于
1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中30秒。最后蒸鍍厚度為100納米電極后得到 聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.08%。
實驗例6:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為20毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得150納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置15秒，再將處理過的薄膜置于0.8倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為IOO納米電極后得到 聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.42%。
實驗例7:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為30毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得200納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.9倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為50納米電極后得到聚 合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.62%。
實驗例8:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為40毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得300納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.7倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為60納米電極后得到聚 合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.72%。實驗例9:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為20毫克/亳升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得100納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.7倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中30秒。最后蒸鍍厚度為80納米電極后得到聚 合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.97%。
實驗例10:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為20毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得60納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 1倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.7倍 二硫化碳飽和蒸汽壓中2分鐘。最后蒸鍍厚度為100納米電極后得到 聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.61%。
實驗例ll:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為25毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得150納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 0.58倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置2分鐘，再將處理過的薄膜置于 0.8倍二硫化碳飽和蒸汽壓中10秒。最后蒸鍍厚度為120納米電極后 得到聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.01%。
實驗例12:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為20毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得120納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 0.67倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置1分鐘，再將處理過的薄膜置于0.8倍二硫化碳飽和蒸汽壓中5秒。最后蒸鍍厚度為150納米電極后 得到聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.12%。
實驗例13:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為30毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得200納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 0.75倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置30秒，再將處理過的薄膜置于0.8 倍二硫化碳飽和蒸汽壓中5秒。最后蒸鍍厚度為200納米電極后得到 聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.98%。
實驗例14:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為20毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得100納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 0.83倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8 倍二硫化碳飽和蒸汽壓中5秒。最后蒸鍍厚度為120納米電極后得到 聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為3.01%。
實驗例15:室溫下，將質(zhì)量配比為l: 1的P3HT和PCBM溶于 鄰二氯苯(ODCB)溶劑中，配成總濃度為40毫克/毫升的混合溶液， 然后利用旋涂儀旋涂制得300納米薄膜；將此薄膜在室溫下首先置于 0.92倍四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒，再將處理過的薄膜置于0.8 倍二硫化碳飽和蒸汽壓中15秒。最后蒸鍍厚度為IOO納米電極后得 到聚合物太陽能電池。所得原始器件的平均效率為2.31%。
權(quán)利要求
1、一種聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟和條件如下室溫下，將質(zhì)量配比為2∶1-1∶2的聚(3-己基)噻吩和[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯溶于良溶劑鄰二氯苯、三氯甲烷或氯苯中，配成總濃度為8-40毫克/毫升的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂得到50～300納米的薄膜；將此薄膜在室溫下先置于0.5～1倍的四氫呋喃飽和蒸汽壓中靜置5秒～2分鐘，再將處理過的薄膜置于0.7～0.9倍的二硫化碳飽和蒸汽壓中5秒～2分鐘，最后蒸鍍50納米以上的金屬電極，得到聚合物太陽能電池。
2、 一種聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的良 溶劑為鄰二氯苯溶劑。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種聚合物太陽能電池的制備方法。通過不進行高溫加熱的條件下，采用可控溶劑氣氛處理方法，來優(yōu)化聚(3-己基)噻吩)與[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯共混薄膜的相分離形貌并同時提升聚(3-己基)噻吩)的結(jié)晶度，促使[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯形成10納米左右的聚集相，在白光照射下得到穩(wěn)定的高效率太陽能電池。利用本發(fā)明的方法所制得的聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可以達到3.87％，而通過熱退火處理僅得到3.20％的轉(zhuǎn)換效率，表明通過本方法可以得到不須熱退火的聚合物太陽能電池。
文檔編號C08J5/18GK101515631SQ20091006667
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者唐浩為, 楊小牛 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所