CN101447553A - 一种聚合物太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种聚合物太阳能电池的制备方法。该聚合物太阳能电池器件采用透明铟锡氧化物ITO作为阳极，阳极采用聚噻吩衍生物掺杂的聚(3，4－二氧乙基噻吩):聚(对苯乙烯磺酸)水溶液(PEDOT:PSS)修饰，活性层为电子给体聚合物BEH－co－MEH－PPV:PCBM的混合物，金属采用复合阴极LiF/Al作为阴极，即在光活性层和Al之间插入一薄层LiF，使金属电极与光活性层间形成良好的欧姆接触，减少系统的阻抗，从而有效地提高聚合物太阳能电池的性能。

Description

一种聚合物太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造领域，尤其是一种聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cells；PSCs)的制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池与传统无机太阳能电池相比具有制备工艺简单、造价低廉、可以采用旋涂，喷涂，刮涂等方法制备，在连续印刷过程中实现工业化生产，制成超薄、大面积柔性器件等优点而倍受关注。
1991年以Gratzel为代表的科学家们采用联吡啶钌修饰的纳晶TiO2电极，使得其光电转换效率有了质的飞跃，接近甚至超过了硅太阳电池的光电转换效率。1992年美国Alan J.Heeger教授的研究组在发现共轭聚合物和C60之间的激子快速电荷分离的基础上，为了克服界面面积小和考虑到共轭聚合物中激子扩散距离短的问题，于1995年制备了给体/受体本体异质结聚合物太阳能电池，这种器件的光活性层由共轭聚合物给体和可溶性富勒烯衍生物PCBM受体的共混膜所组成。2002年，C.Brabec等人采用MDMO-PPV与PCBM共混物为光活性层制备本体异质结的聚合物太阳能电池，在器件阴极与光活性层之间镀上一层极薄的LiF，提高了聚合物太阳能电池的性能。
本体异质结型太阳能电池通常是将光活性层夹在高功函的透明金属氧化物(如ITO)阳极和低功函的金属阴极如Al中。当光照射在电池光活性层上时，光致电荷转移在电子给体和电子受体界面上发生。但是，现有技术的太阳能电池的电荷收集效率比较低。
发明内容：
针对现有技术中的太阳能电池电荷收集效率低的问题，本发明提出一种聚合物太阳能电池的制备方法。
本发明的聚合物太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀出4mm宽、30mm长的电极，将用浓浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT：PSS均匀涂满整个导电玻璃基片，使用匀胶机以2500r/min旋转60s，使聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT：PSS溶液在导电玻璃表面形成一层30nm厚的薄膜，后放入120℃的烘箱内加热20-30分钟备用；
2)把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体1-(三甲氧基羟基)-丙基-1-苯基-(6，6)-C61(PCBM)，按质量比1：3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在40-50℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV的分子结构式如下：
Figure A200810232768D00101
电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV式中m:n＝1:1；
3)把涂有质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min；
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2，厚度为1-1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池。
以卤素灯为光源，在100mW/cm2的光强下，测试以本发明方法制备的聚合物薄膜太阳能电池的性能，包括开路电压、短路电流、能量转换效率和填充因子，实验证明，本发明的技术方案可以提高聚合物太阳能电池的效率。本发明的特点是将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，即在蒸镀Al电极之前先镀一层绝缘层LiF，使金属电极与光活性层间形成良好的欧姆接触，减少系统的阻抗，提高了聚合物太阳能电池的性能。
附图说明
附图1是聚合物太阳能电池的结构示意图。
附图2是以卤素灯为光源，在100mW/cm2的光强照射下电池的性能参数对比。
具体实施方式：
本发明采用的聚合物太阳能电池器件结构如图1所示。其中：1是玻璃基片或柔性衬底，2是铟锡氧化物ITO电极，3是阳极修饰聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT：PSS层，4是电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM共混物组成的光活性层，5是LiF层，6是Al电极。
采用一种在金属铝电极与光活性层之间镀上一层1.0-1.5nm的LiF层，制备复合阴极的方法提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。在真空度高于1×10-4Pa时蒸镀LiF层，LiF蒸镀速率控制在1-2，厚度要很薄为1-1.5nm，最后蒸镀Al电极。
现有技术的聚合物太阳能电池加工方法：
1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀成4mm宽、30mm长的电极，将刻蚀好的细条状铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，用带有滤头的注射器将聚噻吩衍生物掺杂的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS水溶液均匀涂满整个片子，控制转速和时间使聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS溶液在导电玻璃表面形成一层20-30nm厚的薄膜，放入120℃的烘箱内加热20-30分钟；
2)把聚合物电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和PCBM按质量比1：3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在40-50℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；
3)把涂有聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜的导电玻璃烘干后转移至手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个PEDOT:PSS膜表面，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min；
4)然后再放入到真空镀膜机中开始抽真空蒸金属Al电极。在真空度高于6×10-4Pa时蒸镀一层厚150nm的金属Al电极，电池的有效面积为12mm2，制成器件结构为ITO/PEDOT：PSS(30nm)/电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM＝1:3(200nm)/Al(150nm)的聚合物太阳能电池。
本发明的实施例一
前三步的工序同于现有技术的加工方法，第四步为：
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过调节膜厚监测仪上的加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768D00131
厚度为1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，电池的有效面积为12mm2，制成器件结构为ITO/PEDOT：PSS(30nm)/电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM＝1:3(200nm)/LiF(1.5nm)/Al(150nm)的聚合物太阳能电池。
实施例二
前三步的工序同于现有技术的加工方法，第四步为：
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过调节膜厚监测仪上的加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768D00132
厚度为1.2nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，电池的有效面积为12mm2，制成器件结构为ITO/PEDOT：PSS(30nm)/电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM＝1:3(200nm)/LiF(1.2nm)/Al(150nm)的聚合物太阳能电池。
实施例三
前三步的工序同于现有技术的加工方法，第四步为：
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过调节膜厚监测仪上的加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768D00133
厚度为1nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，电池的有效面积为12mm2，制成器件结构为ITO/PEDOT：PSS(30nm)/电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM＝1:3(200nm)/LiF(1.0nm)/Al(150nm)的聚合物太阳能电池。
以卤素灯为光源，在100mW/cm2的光强下，测试以本发明方法制备的聚合物薄膜太阳能电池的性能，包括开路电压、短路电流、能量转换效率和填充因子。
表1是对比例和实施例以卤素灯为光源，在100mW/cm2的光强照射下电池的性能参数对比。从表1中可以看出：在金属阴极和光活性层之间蒸镀一层1-1.5nm的LiF，可以提高聚合物太阳能电池的效率。只蒸镀Al电极，以电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM为光活性层的太阳能电池的性能为：开路电压0.84V，短路电流1.37mA/cm2，能量转换效率为0.46％，填充因子为0.40。在金属阴极和光活性层之间插入1-1.5nm的LiF层的太阳能电池器件的性能为：开路电压0.84V，短路电流1.82mA/cm2，能量转换效率为0.73％，填充因子为0.48。本发明的特点是将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，即在蒸镀Al电极之前先镀一层绝缘层LiF，镀LiF对真空度要求比较高，而且过程不易控制，当真空度高于1×10-4Pa时才开始蒸镀LiF；LiF的蒸镀速率通过控制加热电流来控制，LiF的蒸镀速率不能小于
Figure A200810232768D00141
要达到1-2
Figure A200810232768D00142
而且LiF层的厚度要求很苛刻，超过几个纳米的厚度就会影响电子的收集，厚度应为1-1.5nm；最后才蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池；在光活性层和Al之间插入1-1.5nm的LiF层，使金属电极与光活性层间形成良好的欧姆接触，减少系统的阻抗，提高了聚合物太阳能电池的性能。

Claims (4)

1.一种聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀出4mm宽、30mm长的电极，将用浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS均匀涂满整个导电玻璃基片，使用匀胶机以2500r/min旋转60s，使聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS溶液在导电玻璃表面形成一层30nm厚的薄膜，后放入120℃的烘箱内加热20-30分钟备用；
2)把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体1-(三甲氧基羟基)-丙基-1-苯基-(6，6)-C61(PCBM)，按质量比1：3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在40-50℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV的分子结构式如下：
Figure A200810232768C00031
电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV式中m:n＝1:1；
3)把涂有质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV:PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min；
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768C0003140948QIETU
/S，厚度为1-1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓浓盐酸和锌粉刻蚀成4mm宽、30mm长的电极，将用浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，将质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT：PSS均匀涂满整个导电玻璃基片，控制匀胶机以2500r/min旋转60s，使聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS溶液在导电玻璃表面形成一层30nm厚的薄膜，后放入120℃的烘箱内加热30分钟备用；
2)把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体1-(三甲氧基羟基)-丙基-1-苯基-(6，6)-C61(PCBM)，按质量比1：3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在50℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；
3)把涂有聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV：PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min；
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过调节电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768C0003140948QIETU
/S，厚度为1-1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀成4mm宽、30mm长的电极，将用浓浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，将质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS均匀涂满整个导电玻璃基片，控制匀胶机以2500r/min旋转60s，使聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS溶液在导电玻璃表面形成一层30nm厚的薄膜，后放入120℃的烘箱内加热20分钟备用；
2)把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体1-(三甲氧基羟基)-丙基-1-苯基-(6，6)-C61(PCBM)，按质量比1：3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物
BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在40℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；
3)把涂有聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV:PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min；
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过调节电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768C0003140948QIETU
/S，厚度为1-1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池。
4.根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀成4mm宽、30mm长的电极，将用浓浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，将质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS均匀涂满整个导电玻璃基片，控制匀胶机以2500r/min旋转60s，使聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT：PSS溶液在导电玻璃表面形成一层30nm厚的薄膜，后放入120℃的烘箱内加热25分钟备；
2)把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体1-(三甲氧基羟基)-丙基-1-苯基-(6，6)-C61(PCBM)，按质量比1：3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在45℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；
3)把涂有聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV:PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min；
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过调节电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2
Figure A200810232768C0003140948QIETU
/S，厚度为1-1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池。
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