專(zhuān)利名稱：：一種新型互滲式聚合物太陽(yáng)能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種通過(guò)溶劑滲透方式制備基于共軛聚合物/富勒烯衍生物太陽(yáng)能電池的方法。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池以其價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單、可制備大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，成為可再生能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。1986年C.W.Tang首次設(shè)計(jì)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(jī)太陽(yáng)能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1%。在雙層有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換效率相對(duì)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(gè)溶劑中，通過(guò)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(jī)太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)了激子分離并產(chǎn)生自由載流子。但在實(shí)際成膜過(guò)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(shí)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(jìn)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(shí)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(yáng)能電池載流子傳輸和收集以及體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的激子分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，利用溶劑溶蝕法設(shè)計(jì)了具有相互滲透的雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池，即互滲式異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，為制備高性能聚合物富勒烯太陽(yáng)能電池提供一個(gè)簡(jiǎn)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(yáng)能電池的方法尚未見(jiàn)報(bào)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(yáng)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(yáng)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(duì)苯乙炔)(MEH-PPV)、聚[2-甲氧基-5(3'，7，-二甲基辛氧基)-1，4-對(duì)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(shí)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(yáng)能電池利于載流子傳輸以及體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池利于激子分離的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)溶劑相互滲透作用，設(shè)計(jì)了互滲式有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池。通過(guò)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(shí)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(jìn)而提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。本方法制備的太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)互滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)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(yáng)能電池有較大提高，且較體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)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(yáng)能電池，簡(jiǎn)化了聚合物太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程，更避免利用熱退火處理或溶劑退火處理等方式給太陽(yáng)能電池帶來(lái)的影響，消除了器件在后處理中易氧化、降解的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明所述的聚合物太陽(yáng)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(shí)，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(shí)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(guò)溶劑作用使PCBM分子滲透到共軛聚合物給體層當(dāng)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(yáng)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(yáng)能電池示意圖，如圖1所示?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)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(yáng)能電池，有效地增加了給受體界面，并且可以通過(guò)控制溶劑的揮發(fā)速度(即選用不同沸點(diǎn)的溶劑如氯仿、氯苯等)和滲透時(shí)間(即PCBM溶液滴在聚合物薄膜上靜止時(shí)間)來(lái)控制滲透深度和活性層厚度，從而避免在體異質(zhì)太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程中載流子的損失，從而有利于提高太陽(yáng)能電池的效率，且制備過(guò)程簡(jiǎn)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(yáng)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(jiàn)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(qiáng)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(dāng)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(méi)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(duì)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(shí)施例方式實(shí)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(shí)；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(shí)。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(guò)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(yáng)能電池。應(yīng)用本發(fā)明的方法所制備的聚合物太陽(yáng)能電池，在未經(jīng)過(guò)任何后處理的條件下，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(xì)比較見(jiàn)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(yáng)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(yáng)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(guò)程中的復(fù)合幾率，同時(shí)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(yáng)能電池。表1:利用不同方法制備的聚合物太陽(yáng)能電池性能比較(光強(qiáng)為100mW/cm2白光照射條件下測(cè)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(yáng)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(shí)，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(guò)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(dāng)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(yáng)能電池。2、如權(quán)利要求1所述的新型互滲式聚合物太陽(yáng)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(duì)苯乙炔)或聚[2-甲氧基-5(3'，7'-二甲基辛氧基)-1，4-對(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)溶劑滲透方式制備基于共軛聚合物/富勒烯衍生物太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能電池。制備的互滲式異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)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(guò)程中載流子的損失，從而有利于提高太陽(yáng)能電池的效率。文檔編號(hào)H01L51/48GK101355139SQ20081005114公開(kāi)日2009年1月28日申請(qǐng)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(qǐng)人:吉林大學(xué)