專利名稱：一種在空氣中制備聚合物太陽能電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物太陽能電池領(lǐng)域，特別涉及一種在空氣中制備性能穩(wěn)定、高效率的聚3-己基噻吩(P3HT)與W，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混的體異質(zhì)結(jié) (Bulk-hetero junction, BHJ)聚合物太陽能電池(簡稱P3HT:PCBM聚合物太陽能電池)的方法。
背景技術(shù)：
P3HT PCBM聚合物太陽能電池由于具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，而倍受關(guān)注。要制備高效率的P3HT PCBM聚合物電池，必須調(diào)控P3HT PCBM活性層的微結(jié)構(gòu)，改善活性層與電極間的界面。一定程度上，活性層的微結(jié)構(gòu)及活性層與電極間的界面直接決定著P3HT:PCBM 電池的光電性能。研究表明，可以通過控制熱處理工藝來調(diào)控P3HT:PCBM活性層的微結(jié)構(gòu)， 改善活性層與電極間的界面，使活性層與電極間形成良好的歐姆接觸。但P3HT:PCBM活性層在空氣中不穩(wěn)定，很容易被氧化而產(chǎn)生缺陷，損壞電池的效率，影響電池的壽命(參見 V. Chellappan, G. M. Ng, M. J. Tan, W. -P. Goh, F. Zhu, Appl. Phys. Lett.，2009，95，263305)。 故高效率的P3HT: PCBM聚合物電池，均在惰性氣氛中制備。但是維持P3HT:PCBM聚合物電池整個(gè)制備過程的惰性氣氛，需成套手套箱組，這些成套手套箱組價(jià)格昂貴。對于絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室來說，要擁有符合制備條件的手套箱組比較困難?？諝庵兄苽渚酆衔镫姵乜梢越档碗姵氐某杀?，且制備過程中操作方便?？梢娞剿骺諝庵兄苽銹3HT:PCBM聚合物電池的方法之重要性。而探索工藝簡單的空氣中制備性能穩(wěn)定、高效率P3HT:PCBM聚合物太陽能電池的方法未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種采用直接熱處理聚合物電池的方法，在空氣中制備性能穩(wěn)定、高效率的P3HT:PCBM聚合物太陽能電池。本發(fā)明的另一目的在于提供上述方法制備的P3HT:PCBM聚合物太陽能電池。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種在空氣中制備P3HT:PCBM聚合物太陽能電池的方法，包括以下操作步驟(1)在清潔的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃上，旋涂PED0T:PSS(聚3，4_亞乙基二氧噻吩聚對苯乙烯磺酸)溶液，在80 200°C下熱處理制備的PED0T:PSS膜30 120分鐘， 得到厚度為60 IOOnm的PEDOT PSS層。(2)將P3HT與PCBM按質(zhì)量比1 0. 8 1 1溶于氯苯中配成溶質(zhì)濃度為 36 40mg/ml的混合溶液。在空氣中，采用旋涂法在有PED0T:PSS層的ITO玻璃上旋涂 P3HT:PCBM混合溶液，制備100 200nm厚的P3HT:PCBM活性層。(3)采用熱蒸發(fā)法在P3HT:PCBM活性層上蒸鍍厚度為80 150nm的鋁電極，取出蒸好電極的電池，放入手套箱中在100 140°C下熱處理5 30分鐘。封裝熱處理后的電池，即得到可在空氣中測試的P3HT:PCBM聚合物太陽能電池。步驟⑶所述蒸鍍過程是在熱蒸發(fā)儀中進(jìn)行，在6X10_6 IX 10_8毫托的氣壓下， 以1 lOnm/min的速度蒸鍍鋁電極；封裝采用的材料為環(huán)氧樹脂。本發(fā)明的原理是P3HT:PCBM活性層在潮濕空氣中容易被氧化，而降低電池各性能參數(shù)，損傷電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的特點(diǎn)在于禾_被氧化的P3HT:PCBM活性層， 在惰性氣體環(huán)境中，與P3HT、PCBM結(jié)合的氧能跑出而恢復(fù)各項(xiàng)性能的特性。通過控制合適的熱處理工藝，采用一步熱處理的方法，在熱處理活性層的同時(shí)使與P3HT:PCBM活性層結(jié)合的氧盡快跑出，且改善P3HT:PCBM活性層與鋁電極間的界面，降低電池的接觸電阻，從而在空氣中制備性能穩(wěn)定、高效率的P3HT:PCBM聚合物電池。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明提出空氣中制備P3HT:PCBM聚合物電池的方法，解決了 P3HT:PCBM電池制備的全過程必須在手套箱中的惰性氣氛下進(jìn)行的難題。(2)該方法制備的P3HT:PCBM電池，由于活性層與電極間的接觸良好，電池不容易受大氣環(huán)境的影響，穩(wěn)定性更好。(3)眾所周知，P3HT:PCBM聚合物電池對制備工藝敏感，與分步熱處理制備 P3HT:PCBM電池的方法不同，本發(fā)明的方法只需直接熱處理制備好電極的電池，工藝簡單， 容易控制，重復(fù)性好。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。本發(fā)明的P3HT:PCBM聚合物太陽能電池為典型的三明治結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)為ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1。如未加說明，以下實(shí)施例中所有的制備工藝均在空氣中進(jìn)行。 分步熱處理法空氣中制備P3HT:PCBM電池的工藝，詳見申請人已發(fā)表的論文(S. J.·， Q. D. Tai，F(xiàn). Yan, J. Phys. Chem. C，2010，114,21873)。實(shí)施例1 分步熱處理法空氣中制備的P3HT:PCBM聚合物電池與本發(fā)明的器件熱處理法在空氣中制備電池的性能及穩(wěn)定性比較之一。具體制備工藝如下1、在潔凈的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃上旋涂PEDOT:PSS(聚3，4_亞乙基二氧噻吩聚對苯乙烯磺酸，從Baytron P，Bayer AG.購買，型號4083)溶液，在80°C下熱處理制備的PEDOT PSS膜120分鐘，得到厚度為60nm的PEDOT PSS層。2、將P3HT與PCBM按照質(zhì)量比1 0. 8在氯苯中配置成均勻混合的溶液，其中 P3HT的濃度為20mg/ml。在有PEDOTPSS層的ITO導(dǎo)電玻璃上，采用旋涂法制備IOOnm的 P3HT:PCBM 活性層。3、將制備好活性層的樣品分成兩組，一組采用本發(fā)明的方法，將樣品直接放入熱蒸發(fā)儀中，待蒸鍍鋁電極；另一組采用分步熱處理法制備，將步驟( 所得的活性層先在手套箱中110°C熱處理20分鐘后再放入熱蒸發(fā)儀，將兩組樣品在蒸發(fā)儀中同時(shí)蒸電極。取出蒸好電極的樣品，放入手套箱中。將蒸電極前未進(jìn)行熱處理的樣品在100°C熱處理30分鐘。 蒸電極前熱處理過的樣品，在100°C熱處理20分鐘，采用環(huán)氧樹脂簡單封裝熱處理后樣品，即得到可在空氣測試的電池。在室溫環(huán)境，使用Newport公司的91159太陽光模擬器，光強(qiáng)為lOOmW/cm2條件下，分析測試電池，電池的有效面積為0. 25cm2。分析發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明直接熱處理法制備的電池，短路電流為10. 03mAcm_2，開路電壓為566mV，填充因子為0. 503，電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2. 86%。該電池在空氣中放置30天后，電池的短路電流為9. 77mAcm_2，開路電壓為 566mV，填充因子為0. 378，光電轉(zhuǎn)換效率2. 09%，效率為原來的73%。分步熱處理法制備的電池，短路電流為8. 65mAcm_2，開路電壓為580mV，填充因子為0. 414，電池的光電轉(zhuǎn)換效率 2. 02%。該電池在空氣中放置10天后，電池的短路電流為7. 65mAcnT2，開路電壓為560mV， 填充因子為0.四2，光電轉(zhuǎn)換效率1. 25%，效率為原來的62%?？梢?，采用本發(fā)明的方法制備的電池更穩(wěn)定，效率更高。實(shí)施例2 分步熱處理法空氣中制備的P3HT:PCBM聚合物電池與本發(fā)明的器件熱處理法空氣中制備的P3HT PCBM聚合物電池的性能及穩(wěn)定性比較之二。具體制備工藝如下1、在潔凈的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃上旋涂PED0T:PSS(聚3，4_亞乙基二氧噻吩聚對苯乙烯磺酸，從Baytron P,Bayer AG.購買，型號4083)溶液，在160°C下熱處理制備的PEDOT PSS膜60分鐘，得到厚度為80nm的PEDOT PSS層。2、將P3HT與PCBM按照質(zhì)量比1 0. 8在氯苯中配置成均勻混合的溶液，其中 P3HT的濃度為20mg/ml。在有PEDOTPSS層的ITO導(dǎo)電玻璃上，采用旋涂法制備150nm的 P3HT:PCBM 活性層。3、將制備好活性層的樣品分成兩組，一組采用本發(fā)明的方法，直接放入熱蒸發(fā)儀器待蒸發(fā)鋁電極；另一組采用分步熱處理法制備，將步驟( 所得的活性層先在手套箱中 130°C預(yù)熱處理10分鐘后再放入熱蒸發(fā)儀，將兩組樣品在蒸發(fā)儀中一起制備鋁電極。取出蒸發(fā)好電極的樣品，放入手套箱中。將蒸電極前未進(jìn)行熱處理的樣品在120°C熱處理10分鐘。采用分步熱處理法制備的蒸電極前熱處理過的樣品，在120°C熱處理20分鐘，采用環(huán)氧樹脂簡單封裝熱處理后的樣品，即得到空氣測試的電池。在室溫環(huán)境，使用Newport公司的91159太陽光模擬器，光強(qiáng)為lOOmW/cm2條件下， 分析測試電池，電池的有效面積為0. 25cm2。分析發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明方法制備的電池，短路電流為10. 87mAcm_2，開路電壓為601mV，填充因子為0. 537，電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3. 51 %。 該電池在空氣中放置25天后，電池的短路電流為10. 37mAcm_2，開路電壓為M3mV，填充因子為0. 375，光電轉(zhuǎn)換效率為2. 35%，效率為原來的72%。采用分步熱處理法制備的電池，短路電流為10. 08mAcm_2，開路電壓為595mV，填充因子為0. 532，光電轉(zhuǎn)換效率3. 19%。該電池在空氣中放置10天后，電池的短路電流8. 68mAcm_2，開路電壓為578mV，填充因子為0. 312， 光電轉(zhuǎn)換效率1.57%，效率僅為原來的49%。再次證明，采用本發(fā)明的方法制備的電池更穩(wěn)定，效率略高。實(shí)施例3 采用分步熱處理法空氣中制備P3HT:PCBM聚合物電池與本發(fā)明采用器件熱處理法空氣中制備P3HT:PCBM聚合物電池的性能及穩(wěn)定性比較之三。具體制備工藝如下
1、在潔凈的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃上旋涂PED0T:PSS(聚3，4_亞乙基二氧噻吩聚對苯乙烯磺酸，從Baytron P,Bayer AG.購買，型號4083)溶液，在200°C下熱處理制備的PEDOT PSS膜30分鐘，得到厚度為IOOnm的PEDOT PSS層。2、將P3HT與PCBM按照質(zhì)量比1 1在氯苯中配置成均勻混合的溶液，其中 P3HT的濃度為20mg/ml。在有PEDOTPSS層的ITO導(dǎo)電玻璃上，采用旋涂法制備200nm的 P3HT:PCBM 活性層。3、有活性層的ITO玻璃樣品分成兩組，一組采用本發(fā)明的方法制備，直接放入熱蒸發(fā)儀器待制備鋁電極，另一組采用分步熱處理法制備，將步驟( 所得的活性層先在手套箱中140°C預(yù)熱處理5分鐘后再放入熱蒸發(fā)儀，將兩組樣品同時(shí)蒸電極。取出蒸發(fā)好電極的樣品，放入手套箱中。將蒸電極前未進(jìn)行熱處理的樣品在140°C熱處理5分鐘。蒸電極前熱處理過的樣品，在120°C熱處理20分鐘，采用環(huán)氧樹脂簡單封裝熱處理后樣品，即得到空氣測試的電池。在室溫環(huán)境，使用Newport公司的91159太陽光模擬器，光強(qiáng)為lOOmW/cm2條件下，分析測試電池，電池的有效面積為0. 25cm2。分析發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的方法制備的電池， 短路電流為8. 64mAcnT2，開路電壓為574mV，填充因子為0. 513，光電轉(zhuǎn)換效率為2. 55%。該電池在空氣中放置37天后，電池的短路電流為9. 72mAcm_2，開路電壓為566mV，填充因子為 0. 428，電池的光電轉(zhuǎn)換效率2. 36%，效率為原來的92. 5%。分步熱處理發(fā)制備蒸發(fā)電極前經(jīng)熱處理的電池，短路電流為9. 42mAcm_2，開路電壓為581mV，填充因子為0. 430，電池的光電轉(zhuǎn)換效率2. 36%。該電池在空氣中放置22天后，電池的短路電流7. ^mAcnT2,開路電壓為557mV，填充因子為0. 220，電池的光電轉(zhuǎn)換效率0. 893%，效率僅為原來的37. 8%?？梢姴捎帽景l(fā)明制備的電池更穩(wěn)定。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在空氣中制備P3HT:PCBM聚合物太陽能電池的方法，其特征在于包括以下操作步驟(1)在清潔的氧化銦錫導(dǎo)電玻璃上，旋涂PEDOTPSS溶液，在80 200°C下熱處理制備的PEDOT PSS膜30 120分鐘，得到厚度為60 IOOnm的PEDOT PSS層；(2)將P3HT和PCBM按質(zhì)量比1 0. 8 1 1溶于氯苯中配成溶質(zhì)濃度為36 40mg/ ml的混合溶液；在空氣中，采用旋涂法在有PEDOTPSS層的ITO玻璃上旋涂P3HT:PCBM混合溶液，制備100 200nm厚的P3HT:PCBM活性層；(3)采用熱蒸發(fā)法在P3HT:PCBM活性層上蒸鍍厚度為80 150nm的鋁電極，取出蒸好電極的電池，放入手套箱中在100 140°C下熱處理5 30分鐘；封裝熱處理后的電池，即得到P3HT PCBM聚合物太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在空氣中制備P3HT:PCBM聚合物太陽能電池的方法，其特征在于步驟( 所述蒸鍍過程是在熱蒸發(fā)儀中進(jìn)行，在6 X 10-6 1 X 10-8毫托的氣壓下，以1 lOnm/min的速度蒸鍍鋁電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在空氣中制備P3HT:PCBM聚合物太陽能電池的方法，其特征在于步驟C3)封裝采用的材料為環(huán)氧樹脂。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述方法制備得到的P3HT:PCBM聚合物太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在空氣中制備P3HT:PCBM聚合物電池的方法。該方法包括步驟在潔凈的氧化銦錫導(dǎo)電玻璃上旋涂PEDOT:PSS溶液，熱處理制備PEDOT:PSS層；將P3HT與PCBM在氯苯中配成溶液，在空氣中將P3HT:PCBM的混合溶液旋涂到有PEDOT:PSS層的導(dǎo)電玻璃上，制備P3HT:PCBM活性層；在P3HT:PCBM活性層上蒸發(fā)鋁電極，取出蒸好電極的P3HT:PCBM電池，放入手套箱中進(jìn)行熱處理后封裝，即可得到能在空氣中測試的、性能穩(wěn)定的P3HT:PCBM聚合物太陽能電池。該方法只需一步熱處理，工藝簡單，容易控制，成本低廉，制備的電池性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。
文檔編號H01L51/48GK102270745SQ201110225470
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者劉俊明, 吳素娟, 溫明菊, 鐘健 申請人:華南師范大學(xué)