本發(fā)明屬于有機(jī)聚合物太陽能電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在過去30年中，有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。尤其是在近十年中，有機(jī)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的快速增加引起了科學(xué)領(lǐng)域和光伏產(chǎn)業(yè)的注意。雖然有機(jī)薄膜電池的效率與無機(jī)太陽能電池還有一定的差距，但是有機(jī)太陽能電池具有低成本，靈活性高，低污染等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得有機(jī)太陽能電池在解決能源問題上具有巨大的潛力。目前社會(huì)在不斷的快速發(fā)展，對于能源需求也一直在不斷的增加，太陽能作為一種環(huán)境友好型的清潔能源受到廣泛的關(guān)注和重視。在目前的太陽能電池領(lǐng)域中，按所用半導(dǎo)體材料的形態(tài)，主要有兩大類：晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。就現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)來看是以硅太陽能電池為主。晶體硅太陽能電池又分為：單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。但是它們制作工藝復(fù)雜，而且成本偏高，不適合大面積應(yīng)用。薄膜太陽能電池包括：多晶硅薄膜太陽能能電池，非晶硅薄膜太陽能電池，化合物薄膜太陽能電池(砷化鎵，砷化鎵硒，碲化鎘，銅鋅錫硫等)，染料敏化太陽能電池，聚合物太陽能電池等。太陽能電池的大面積應(yīng)用是必要的趨勢。在眾多太陽能電池中聚合物有機(jī)光伏是非常具有潛力的一種。因?yàn)樗a(chǎn)消耗少，制作成本低，而且有柔性，可塑性大，利于大面積生產(chǎn)。

在過去十年的快速發(fā)展中，有機(jī)太陽能電池的效率在不斷提高。器件能量轉(zhuǎn)換效率最高超過了11％。目前在致力于提高有機(jī)太陽能電池的研究方向中，提升有機(jī)太陽能電池的途徑有很多，比如改善電池結(jié)構(gòu)，合成新材料，加入添加劑，增加或者改良修飾層，以及改良制備工藝等。這些方法主要是提高光的吸收效率，增加載流子遷移率，改善活性層形貌等。其中在活性層添加微量的添加劑是一種方便簡潔的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于在制作器件過程中無需增添步驟。所以也吸引著很多學(xué)者對此進(jìn)行研究。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，報(bào)道過許多添加劑，其中1,8-二碘辛烷(DIO)使用最廣泛，尤其是在PTB7：PC₇₁BM體系中。DIO的使用可以改善PTB7與PC₇₁BM混合材料的溶解混合程度，改善活性成分形貌，優(yōu)化有源層界面，從而提高電池效率。在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域中，決定器件效率的三個(gè)主要參數(shù)是短路電流(Jsc)，開路電壓(Voc),填充因子(FF)。轉(zhuǎn)換效率PCE＝V_OC×J_SC×FF/P_in。聚合物太陽能電池主要的問題是FF和Jsc偏低，加入適當(dāng)添加劑能有效地提高FF和Jsc，從而使器件效率得到提升。本發(fā)明就是通過引進(jìn)新型溶劑添加劑，使聚合物太陽能電池的短路電流，填充因子都有所提高，從而使電池效率得到了提升。添加劑操作簡便，無需增加其他能耗，對于光電轉(zhuǎn)換效率的提升極具潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有良好性能的聚合物太陽能電池及制備方法。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，

聚合物太陽能電池，包括陽極，空穴傳輸層，活性層，電子傳輸層，陰極，其特征在于，所述活性層的材料中含有下述2種化合物之一：

1-溴-4-丁基苯，其分子式為C₁₀H₁₃Br；

1-溴-4-己苯，其分子式為C₁₂H₁₇Br。

本發(fā)明還提供聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)制備活性層材料混合溶液；

2)基片上設(shè)置陽極；

3)在基片上旋涂空穴傳輸層材料；

4)氮?dú)猸h(huán)境下，在步驟3)處理后的基片上旋涂活性層材料混合溶液；

5)蒸鍍陰極材料；

所述步驟1)為：

將PTB7與PC₇₁BM的混合物與氯苯、DIO和溶劑添加劑混合后，加熱攪拌，得到活性層材料混合溶液；按容積比例，氯苯：DIO：溶劑添加劑＝a:b:c，其中93≤a≤95，b＝3，2≤c≤4，a+b+c＝100；

所述溶劑添加劑為下述2種化合物之一：

1-溴-4-丁基苯，其分子式為C₁₀H₁₃Br，簡寫B(tài)rbb，結(jié)構(gòu)式為

1-溴-4-己苯，其分子式為C₁₂H₁₇Br，簡寫為Brph，結(jié)構(gòu)式為：

進(jìn)一步的，所述步驟3)為：

旋涂空穴傳輸層材料ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂時(shí)間為30秒，200℃下退火60分鐘。

所述步驟1)中，a＝94，b＝3，c＝3。

所述步驟4)中，旋涂完成后，基片自行揮發(fā)干燥。

所述步驟5)中，真空度為小于5x10^-4pa，蒸鍍厚度為10nm的MoO₃薄層，以及厚度為1500nm的Ag電極。

本發(fā)明的有益效果是，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的太陽能電池的開路電壓、短路電流、填充因子均有所提高，最終轉(zhuǎn)換效率隨之大幅提高。

附圖說明

圖1為太陽能電池實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖2為太陽能電池器件結(jié)構(gòu)圖。

圖3為實(shí)施例1對標(biāo)準(zhǔn)器件的電流密度—電壓圖。

圖4為實(shí)施例2對標(biāo)準(zhǔn)器件的電流密度—電壓圖。

圖5為實(shí)施分別加入兩種添加劑對比標(biāo)準(zhǔn)器件的電流密度—電壓圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的目的在于找到一種簡潔有效的方法來提高聚合物太陽能電池的性能。

聚合物太陽能電池是通過聚合物有機(jī)分子吸收光子實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的器件。有機(jī)太陽能電池的實(shí)驗(yàn)原理和無機(jī)太陽能電池的實(shí)驗(yàn)原理類似，都是基于光生伏特效應(yīng)。主要過程是，在光照情況下，有機(jī)半導(dǎo)體分子吸收光子，然后形成電子-空穴對，然后電子-空穴對在活性層接觸面分解為自由電子和空穴，自由電子和空穴被電極收集，形成電流。實(shí)驗(yàn)原理圖見圖1。

聚合物太陽能電池的構(gòu)造由陽極電極，空穴傳輸層，活性層，電子傳輸層，陰極依次排序構(gòu)成。本發(fā)明的主要特征是在溶解活性材料時(shí)往里邊分別添加恰當(dāng)比例的添加劑。然后通過溶液旋涂法制備活性層，再通過高真空熱蒸鍍電極制作出有一定效率提升的器件。

實(shí)施方式

a.將稱量配比完成后的混合材料(PTB7：PC₇₁BM＝1:1.5wt/wt)裝入小棕瓶，放入手套箱。

b.配制混合溶劑：

方案A)：氯苯(3％DIO vol％)中添加1-溴-4-丁基苯，氯苯(3％DIO vol％)與1-溴-4-丁基苯的比例為97:3(vol％)；

或者，按照方案B)：氯苯(3％DIO vol％)中添加1-溴-4-己苯，氯苯(3％DIO vol％)與1-溴-4-己苯的比例為97:3(vol％)。

添加順序?yàn)椋篊B、DIO、溶劑添加劑(比例為94:3:3vol％)。

在混合材料與混合溶劑構(gòu)成的混合溶液中，PTB7濃度為10mg/ml。

CB、DIO、溶劑添加劑可調(diào)比例范圍為：95:3:2--93:3:4。

c.將混合溶液攪拌加熱至少12小時(shí)，溫度60℃。

d.將混合溶液旋涂于空穴傳輸層之上。

基于PTB7：PC₇₁BM體系的聚合物太陽能電池，其器件結(jié)如附圖2。聚合物太陽能電池器件制備具體實(shí)施過程：

1.陽極為是氧化銦錫(ITO)，其方阻為15Ω/cm²。將ITO用丙酮擦拭后進(jìn)行超聲，超聲溶液使用順序：乙醇、洗潔精水、去離子水、丙酮、乙醇。超聲完成后保存在乙醇中放置待用。

2.用氣槍吹干基片并做上標(biāo)記，然后將其UV處理30分鐘。

3.旋涂空穴傳輸層材料：ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂時(shí)間為30秒，放置在熱臺(tái)上退火60分鐘，溫度為200℃。

4.將玻璃基片轉(zhuǎn)入氮?dú)夥諊氖痔紫湫炕钚詫?。旋涂活性層后，不退火，將基片放在玻璃皿?nèi)讓溶劑自行揮發(fā)。這是一種控制混合物形態(tài)的一種方法叫做溶劑退火工藝，通過增加樣品周圍的局部蒸氣壓控制膜的干燥過程，使活性層在溶劑蒸發(fā)過程中形成有序的結(jié)構(gòu)。

5.將玻璃基片放入有機(jī)氣相沉淀系統(tǒng)的蒸鍍室，將真空抽至<5×10^-4pa，蒸鍍MoO₃薄層10nm，1500nm的Ag。具體結(jié)構(gòu)示于圖2中所示。

含有PTB7和PC₇₁BM的混合材料在現(xiàn)有技術(shù)在聚合物太陽能電池中已有成熟應(yīng)用，二者的比例并非本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的制備過程為：

1.提前一天配置活性層材料混合溶液，配置過程如下：

a.稱取一定量的PTB7和PC₇₁BM(PTB7：PC₇₁BM＝1：1.5wt/wt)放入專用試劑瓶中。

b.將稱量好的混合材料(PTB7和PC₇₁BM)傳入手套箱中，先加入計(jì)算好的氯苯溶劑，然后再加入DIO，最后加入溶劑添加劑Brbb，按容積比例為CB：DIO：Brbb＝94:3:3，得到混合溶液?；旌先芤褐?，PTB7濃度為10mg/ml。

c.將配置好的混合溶液放置在加熱臺(tái)上攪拌至少12h，溫度60℃。

2.陽極為是氧化銦錫(ITO)，其方阻為15Ω/cm²。將ITO用丙酮擦拭后進(jìn)行超聲，超聲溶液使用順序：乙醇、洗潔精水、去離子水、丙酮、乙醇。超聲完成后放置待用。

3.用氣槍吹干基片并做上標(biāo)記，然后將其UV處理30分鐘。

4.旋涂空穴傳輸層材料：ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂時(shí)間為30秒，放置在熱臺(tái)上退火60分鐘，溫度為200℃。

5.將玻璃基片轉(zhuǎn)入氮?dú)夥諊氖痔紫湫炕钚詫硬牧匣旌先芤骸Ｐ克俣葹?000rpm，30s，旋涂活性層后，不直接退火，而是將基片放在玻璃皿內(nèi)讓溶劑自行揮發(fā)。

6.將玻璃基片放入有機(jī)氣相沉淀系統(tǒng)的蒸鍍室，將真空抽至<5×10^-4pa，蒸鍍MoO₃薄層10nm，1500nm的Ag。

7.測試條件為：光譜分布AM 1.5G，光照強(qiáng)度為1000W/m²，Zolix SS150太陽光模擬器。I-V曲線是由keithly 2400型數(shù)字源表進(jìn)行測量。

性能參數(shù)：

由表可知加入添加劑Brbb的器件比標(biāo)準(zhǔn)器件效果好，活性層混合溶液里添加3％Brbb，開路電壓、短路電流、填充因子均有所提高，最終轉(zhuǎn)換效率提高到了8.13％。I-V曲線如圖3。

實(shí)施例2

本實(shí)施例制備過程為：

1.提前一天配置活性層材料混合溶液，配置過程如下：

a.稱取一定量的PTB7和PC₇₁BM(PTB7：PC₇₁BM＝1：1.5wt/wt)放入專用試劑瓶中。

b.將稱量好的混合材料傳入手套箱中，先加入計(jì)算好的氯苯溶劑，然后再加入DIO，最后加入溶劑添加劑Brph，按容積比例，CB：DIO：Brph＝94:3:3?；旌先芤褐校琍TB7濃度為10mg/ml。

c.將配置好的混合溶液放置在加熱臺(tái)上攪拌至少12h，溫度60℃。

2.陽極為是氧化銦錫(ITO)，其方阻為15Ω/cm²。將ITO用丙酮擦拭后進(jìn)行超聲，超聲溶液使用順序：乙醇、洗潔精水、去離子水、丙酮、乙醇。超聲完成后放置待用。

3.用氣槍吹干基片并做上標(biāo)記，然后將其UV處理30分鐘。

4.旋涂空穴傳輸層材料：ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂時(shí)間為30秒，放置在熱臺(tái)上退火60分鐘，溫度為200℃。

5.將玻璃基片轉(zhuǎn)入氮?dú)夥諊氖痔紫湫炕钚詫硬牧匣旌先芤?。旋涂速度?000rpm，30s，旋涂活性層后，不直接退火，而是將基片放在玻璃皿內(nèi)讓溶劑自行揮發(fā)。

6.將玻璃基片放入有機(jī)氣相沉淀系統(tǒng)的蒸鍍室，將真空抽至<5×10^-4pa，蒸鍍MoO₃薄層10nm，1500nm的Ag。

7.測試條件為：光譜分布AM 1.5G，光照強(qiáng)度為1000W/m²，Zolix SS150太陽光模擬器。I-V曲線是由keithly 2400型數(shù)字源表進(jìn)行測量。

本器件得到的有益效果如性能參數(shù)表所示：

由表可知加入添加劑Brph的器件比標(biāo)準(zhǔn)器件效果好，活性層混合溶液里添加3％Brph，開路電壓、填充因子均有所提高，最終轉(zhuǎn)換效率提高到了8.13％。I-V曲線如圖4。

綜上所述，本發(fā)明的兩種添加劑Brbb和Brph，加入標(biāo)準(zhǔn)器件的混合溶劑中后，效率均有所提升。提升的方面主要體現(xiàn)在填充因子，原因主要是改善了活性層的成膜性和活性層與傳輸層的界面接觸。添加劑綜合I-V曲線如圖5所示。