專利名稱：聚合物太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物太陽能電池的制備方法，屬于太陽能電池制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聚合物太陽能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在納米銦錫金屬氧化物(ITO)透明正極和金屬負極之間組成，具有成本低、重量輕、易調(diào)控、制備過程簡單、可制備柔性器件等突出優(yōu)點，面對日益嚴(yán)峻的能源危機和傳統(tǒng)能源帶來的高污染高成本等問題，聚合物太陽能電池作為新型可再生能源成為當(dāng)前研究熱點。在聚噻吩(P3HT)/富勒烯衍生物(PCBM)共混作為光敏層的聚合物太陽能電池中，P3HT/PCBM體系存在電子能級匹配性不好的缺陷，限制了其能量轉(zhuǎn)換效率的進一步提高。所以提升聚合物的結(jié)晶性能并優(yōu)化P3HT/PCBM的兩相相分離尺度對于提高聚合物太陽能電池性能至關(guān)重要(Advanced Functional Materials 2003,13,85 ；Nature Materials2005，4，864)?，F(xiàn)有提升聚合物太陽能電池性能的技術(shù)主要有熱處理和溶劑氣氛退火。熱處理由于其高溫導(dǎo)致聚合物降解因而需要在惰性氣體中進行，操作比較繁瑣。溶劑氣氛退火是將共混薄膜置于溶劑自然揮發(fā)形成的氣氛中一段時間進行退火，這種方法可在常溫下有效的提升P3HT的結(jié)晶度和電池效率。溶劑氣氛退火可分為良溶劑氣氛退火和不良溶劑氣氛退火。良溶劑氣氛退火，即采用P3HT的良溶劑，如氯仿、二硫化碳、氯苯等進行氣氛退火。良溶劑氣氛退火處理時間短，但是處理過程中溶劑蒸汽濃度的波動對電池性能影響很大，薄膜易因溶劑蒸汽濃度過高而溶解，導(dǎo)致電池性能大幅度降低，因此生產(chǎn)精度要求高，操作難度大。不良溶劑的氣氛退火，即采用P3HT的不良溶劑，如正己烷、丙酮、甲苯、苯甲醚、環(huán)己酮、正庚烷等進行氣氛退火，這種方法雖然操控簡單，方法穩(wěn)定，但現(xiàn)有不良溶劑氣氛退火技術(shù)處理時間長，需要半個小時到幾個小時，不利于批量生產(chǎn)。如文獻Correlation between ExcitonLifetime Distribution and Morphology of Bulk Heterojunction Films after SolventAnnealing, Journal of Physical Chemistry C 2010,114,9062公開了一種處理方法，直接將共混薄膜置于不良溶劑丙酮揮發(fā)形成的氣氛中進行退火處理，處理時間至少為一小時。因此，現(xiàn)有技術(shù)中沒有采用不良溶劑氣氛退火，既能提升太陽能電池效率，又能減小處理時間、用于批量生產(chǎn)的聚合物太陽能電池的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是解決現(xiàn)有技術(shù)利用不良溶劑氣氛退火處理時間長、不利于生產(chǎn)的技術(shù)問題，而提供一種耗時短、可用于批量生產(chǎn)、安全穩(wěn)定、高轉(zhuǎn)換效率的聚合物太陽能電池的制備方法。本發(fā)明的聚合物太陽能電池的制備方法，是將聚3-己基噻吩和[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯溶于良溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液制得共混薄膜，對共混薄膜進行氣氛退火處理，制備金屬電極，得到聚合物太陽能電池，其中，對共混薄膜進行氣氛退火處理是在室溫下，將共混薄膜放置于退火裝置中，通入氣體，引入不良溶劑蒸汽對共混薄膜進行氣氛退火。所述的聚3-己基噻吩和[6，6]_Ce「苯基丁酸甲酯的質(zhì)量比為I : 2-2 1，優(yōu)選 為 I : I。所述的聚3-己基噻吩和[6，6]_Cei-苯基丁酸甲酯的混合溶液濃度為8-30mg/ml。所述的通入氣體的流量為5-100ml/s,優(yōu)選為5_25ml/s,最好為5ml/s。所述的通入氣體的時間為30-300S，優(yōu)選為30-60s，最好為30s。所述的良溶劑為鄰二氯苯(ODCB)或者氯苯(CB)，優(yōu)選為鄰二氯苯。所述的不良溶劑為正己烷、甲苯、苯甲醚、環(huán)己酮或者正庚烷，優(yōu)選為正己烷。所述的氣體為惰性氣體、空氣或者氮氣,優(yōu)選為氮氣。所述的共混薄膜厚度為80_300nm。所述的金屬電極厚度為60_300nm。本發(fā)明的有益效果(I)本發(fā)明利用退火裝置，通入氣體將不良溶劑以蒸汽的形式引入，對薄膜進行氣氛退火，縮短結(jié)晶時間，提升P3HT的結(jié)晶度，優(yōu)化P3HT/PCBM的相分離形貌；(2)應(yīng)用本發(fā)明方法制備的聚合物太陽能電池，避免了良溶劑氣氛退火下薄膜溶解，導(dǎo)致電池性能下降的問題，解決了不良溶劑氣氛退火處理時間長、不利于生產(chǎn)的缺陷，明顯縮短了制備時間、有利于實際生產(chǎn)，且操控簡單、安全穩(wěn)定、平均轉(zhuǎn)換效率達到
I.67-1. 82% ；(3)另外，本發(fā)明方法制備的聚合物太陽能電池避免了熱處理方法帶來的聚噻吩降解、操作復(fù)雜的問題；與未經(jīng)薄膜處理的聚合物太陽能電池相比，在相同電池面積下，短路電流密度、開路電壓、平均轉(zhuǎn)換效率都有明顯提升。


圖I為退火裝置圖；圖2為實施例I的共混薄膜紫外-可見吸收光譜圖；圖3為實施例I的共混薄膜在607nm處吸收強度隨處理時間變化的紫外-可見吸收光譜圖；圖4為實施例I的共混薄膜透射電鏡圖；圖5為實施例I的共混薄膜原子力相圖；圖6為實施例I的聚合物太陽能電池J-V特性曲線。
具體實施例方式本發(fā)明提供的聚合物太陽能電池的制備方法，室溫下，將質(zhì)量比為I : 2-2 I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(ODCB)或者氯苯(CB)中，制成濃度為8-30mg/ml的混合溶液,旋涂儀旋涂得到80_300nm的共混薄膜,將共混薄膜放置于退火裝置中，通入氣體，氣體的流量為5-100ml/s，處理時間為30-300S，引入不良溶劑正己烷、甲苯、苯甲醚、環(huán)己酮、正庚烷蒸汽對共混薄膜進行氣氛退火，采用真空蒸鍍法制備60-300nm的金屬電極，得到聚合物太陽能電池。所述的聚3-己基噻吩和[6，6]-Cei_苯基丁酸甲酯質(zhì)量比優(yōu)選為I : I。所述的氣體的流量優(yōu)選為5_25ml/s。
所述的處理時間優(yōu)選為30-60s。 所述的良溶劑優(yōu)選為鄰二氯苯。所述的不良溶劑優(yōu)選為正己烷。所述的氣體為惰性氣體、空氣或者氮氣,優(yōu)選為氮氣。結(jié)合圖I說明具體實施方式
。圖I為退火裝置圖，包括進氣管I、洗氣瓶2、出氣管3、廣口瓶4、連接管5，進氣管I與洗氣瓶2連接，洗氣瓶2與廣口瓶4通過連接管5連接，廣口瓶4與出氣管3連接。室溫下，將共混薄膜放置于廣口瓶4中，在洗氣瓶2中加入不良溶劑，氣體通過進氣管I通入洗氣瓶2中，將不良溶劑以蒸汽的形式通過連接管5引入到廣口瓶4中，對共混薄膜進行氣氛退火，然后，氣體通過出氣管3排出。結(jié)合以下實施例進一步說明本發(fā)明。實施例I結(jié)合圖2、圖3、圖4、圖5、圖6說明實施例I。室溫下，將質(zhì)量配比為I : I的聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM)溶于良溶劑鄰二氯苯(ODCB)中，配制成總濃度為20mg/ml的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂得到IOOnm的共混薄膜；將此共混薄膜在室溫下放置于退火裝置中，通入氮氣，使不良溶劑正己烷以蒸汽的形式對共混薄膜進行氣氛退火，通入氮氣的流量為lOml/s，處理時間30s ;最后采用真空蒸鍍法制備IOOnm的金屬電極，得到聚合物太陽能電池。然后對聚合物太陽能電池進行性能表征，電池的平均轉(zhuǎn)換效率為I. 82%。對比例I室溫下，將質(zhì)量配比為I : I的聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM)溶于良溶劑鄰二氯苯(ODCB)中，配制成總濃度為20mg/ml的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂得到IOOnm的共混薄膜，最后采用真空蒸鍍法制備IOOnm的金屬電極，得到聚合物太陽能電池。對比例2將質(zhì)量配比為I : I的聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]-C6「苯基丁酸甲酯(PCBM)溶于良溶劑鄰二氯苯(ODCB)中，配制成總濃度為20mg/ml的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂得到IOOnm的共混薄膜；將共混薄膜放置在不良溶劑正己烷自然揮發(fā)形成的氣氛中60min進行氣氛退火；最后采用真空蒸鍍法制備IOOnm的金屬電極,得到聚合物太陽能電池。對比例3將質(zhì)量配比為I : I的聚3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]-C6「苯基丁酸甲酯(PCBM)溶于良溶劑鄰二氯苯(ODCB)中，配制成總濃度為20mg/ml的混合溶液，然后利用旋涂儀旋涂得到IOOnm的共混薄膜；將共混薄膜放置在良溶劑氯仿自然揮發(fā)形成的氣氛中30s進行氣氛退火；最后采用真空蒸鍍法制備IOOnm的金屬電極，得到聚合物太陽能電池。圖2為實施例I的共混薄膜紫外-可見吸收光譜圖。曲線I :對比例I的P3HT/PCBM共混薄膜；曲線2 :實施例I的共混薄膜。由圖可見，應(yīng)用本發(fā)明制備的共混薄膜在膜厚相當(dāng)?shù)那闆r下在607nm處(P3HT分子鏈間π - π *轉(zhuǎn)變，它的出現(xiàn)表明存在Ρ3ΗΤ結(jié)晶)的吸收峰明顯增強，主峰(反映Ρ3ΗΤ的主鏈共軛長度，它向長波方向移動表明Ρ3ΗΤ有效共軛長度增長)由483nm位移至513nm，這說明應(yīng)用本發(fā)明得到的共混薄膜中P3HT的結(jié)晶度以及其在長波段(> 600nm)的吸收都得到了增強。圖3為實施例I的共混薄膜在607nm處吸收強度隨處理時間變化的紫外-可見吸收光譜圖。圖3a所示為對比例2的處理效果，由圖中可以看出，現(xiàn)有技術(shù)下聚合物的結(jié)晶度隨處理時間延長增長緩慢，30min才達到平衡，這導(dǎo)致了現(xiàn)有技術(shù)的操作耗時過長，不利于生產(chǎn)。圖3b所示為本發(fā)明實施例I處理效果，圖中顯示聚合物的結(jié)晶度在短時間內(nèi)迅速提升，30s即達到平衡，從而明顯縮短了處理的時間，有利于實際應(yīng)用。圖4為實施例I的共混薄膜透射電鏡圖。圖4a為對比例I的共混薄膜透射電鏡圖，圖4b為實施例I的共混薄膜的透射電鏡圖。從圖中可以看出，采用本發(fā)明處理之后，P3HT和PCBM之間形成了納米相分離和網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)形貌。圖5為實施例I的共混薄膜原子力相圖。圖5a是對比例3的共混薄膜的原子力相圖，薄膜出現(xiàn)了嚴(yán)重的溶解現(xiàn)象，導(dǎo)致電池性能惡化；圖5b為實施例I的共混薄膜氣氛退火的原子力相圖，薄膜未出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，電池的性能未受影響。圖6為實施例I的聚合物太陽能電池J-V特性曲線。測試條件是在太陽光模擬器照射條件下氮氣環(huán)境的手套箱中測定。曲線I :對比例I的聚合物太陽能電池；曲線2 :本發(fā)明實施例I的聚合物太陽能電池。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電池的平均轉(zhuǎn)換效率均高于對比例I電池。測得詳細對比數(shù)據(jù)見表
Io表I
權(quán)利要求
1.聚合物太陽能電池的制備方法，該太陽能電池是將聚3-己基噻吩和[6,6]-C61-苯基丁酸甲酯溶于良溶劑中，得到混合溶液，將混合溶液制得共混薄膜，對共混薄膜進行氣氛退火處理，制備金屬電極，得到聚合物太陽能電池，其特征在于，所述的對共混薄膜進行氣氛退火處理是在室溫下，將共混薄膜置于退火裝置中，通入氣體，引入不良溶劑蒸汽對共混薄膜進行氣氛退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的聚3-己基噻吩和[6，6]-Ce「苯基丁酸甲酯的質(zhì)量比為I : 2-2 I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的混合溶液濃度為8-30mg/ml。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的通入氣體的流量為5-100ml/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的通入氣體的流量為5-25ml/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的通入氣體的時間為30-300S。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的通入氣體的時間為30-60S。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的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或者氯苯。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的不良溶齊U為正己烷、甲苯、苯甲醚、環(huán)己酮、正庚烷。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述的氣體為氮氣。
全文摘要
聚合物太陽能電池的制備方法，屬于太陽能電池制造領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有不良溶劑氣氛退火技術(shù)耗時長，不利于批量生產(chǎn)的問題。本發(fā)明提供的聚合物太陽能電池的制備方法，是將聚3-己基噻吩和[6，6]-C61-苯基丁酸甲酯溶于良溶劑中，得到混合溶液，制得薄膜，對薄膜進行氣氛退火處理，制備金屬電極，得到聚合物太陽能電池，其中，對薄膜進行氣氛退火處理是在室溫下，將薄膜置于退火裝置中，通入氣體，引入不良溶劑蒸汽對薄膜進行氣氛退火。本發(fā)明方法耗時短、可用于批量生產(chǎn)，且操作簡單、安全穩(wěn)定，制備的聚合物太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達到1.67-1.82％。
文檔編號H01L51/48GK102623642SQ201210077458
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者李俊, 楊小牛, 王寧 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所