CN102637828B - 一种有机薄膜太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种有机薄膜太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，将透明导电基片清洗后，用氮气吹干，然后将聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液刷涂到透明导电基片上，放于烘箱中加热烘干，获得覆有空穴传输层的导电基片；在获得的覆有空穴传输层的导电基片上刷涂给体材料与受体材料的混合溶液，惰性气氛下烘干，获得依次覆有空穴传输层和发电层的基片，通过调控给体材料与受体材料混合溶液的浓度和刷子经过基片的速度控制发电层薄膜的厚度为30-200nm；将获得的透明导电基片放入真空溅射镀膜机中，依次蒸镀LiF层和金属阴极层，室温下封装获得有机太阳能电池。本发明可实现太阳能电池生产的简单化和高效化。

Description

一种有机薄膜太阳能电池的制备方法
技术领域
     本发明涉及薄膜太阳能电池的制备领域，确切地说是一种有机薄膜太阳能电池的制备方法。 
背景技术
开发洁净可再生能源是解决世界能源危机的首要途径，太阳能占地球总能量99%以上，是重要的可再生能源。而基于光生伏打效应的太阳能电池是目前开发和利用太阳能的重要途径之一。虽然硅基太阳能电池已经实现了工业化，但是从性价比来看，传统的太阳能模块电池比石油能源贵大约三到四倍。同时必须加工成板块状，限制了它的一些日常应用。而有机太阳能电池由于具有制作工艺简单，器件形状和面积灵活多样，活性材料结构和性能可控等特点最有望实现太阳能电池价廉、高效、柔性和大面积制备的目标。目前常用的有机太阳能电池的成膜技术主要是喷涂法和旋涂法，但是喷涂法不能很好的控制薄膜的厚度，而且在干燥成膜后厚度不均匀；而通过旋涂法获得的产品很难定型，同时对原料的浪费比较严重；同时，应用目前的方法制备的有机太阳能电池的效率还较低，远达不到实用要求，因此如何通过最佳的器件结构和制备工艺，突破聚合物太阳能电池效率瓶颈，是目前有机太阳能电池研究的难点。针对以上问题，我们提出一种简单经济的制备高效率有机太阳能电池薄膜的方法。 
发明内容
本发明的目的一种可在任意形状的基底上制备得能量转换效率高的电池的有机薄膜太阳能电池制备的方法。 
上述目的通过以下方案实现： 
一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)将透明导电基片清洗后，用氮气吹干，然后将聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液刷涂到透明导电基片上，放于烘箱中加热烘干，获得覆有空穴传输层的导电基片；
(2)在步骤（1）中获得的覆有空穴传输层的导电基片上刷涂给体材料与受体材料的混合溶液，惰性气氛下烘干，获得依次覆有空穴传输层和发电层的基片，通过调控给体材料与受体材料混合溶液的浓度和刷子经过基片的速度控制发电层薄膜的厚度为30-200 nm；
(3)将步骤（2）中获得的透明导电基片放入真空溅射镀膜机中，依次蒸镀LiF层和金属阴极层，室温下封装获得有机太阳能电池。
所述的透明导电基片为任意形状的ITO玻璃和导电塑料薄膜。 
聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液的固含量为0.1-3％，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的重量配比为1：1.6～18。步骤（2）所述的烘干条件为80~150oC，5~60分钟。 
所述的给体材料为可溶性聚噻吩衍生物或聚苯乙烯衍生物或两者的混合物。 
所述的受体材料为富勒烯衍生物或碳纳米管或苝。 
所述的用于配制受体材料和给体材料混合溶液的溶剂为氯仿、氯代苯、二氯代苯、甲苯、环己酮中的一种或两种以上的混合物。 
给体材料与受体材料的混合溶液浓度为1-50 mg/ml，二者的摩尔比为1：0.5-2。 
步骤（2）中刷子经过基片的速度为0.5-2.5cm/s。 
步骤（3）中LiF层的厚度为1-3nm，金属阴极材料为银或铝或镁或钙或它们的合金，厚度为5-150nm，真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s。 
本发明的有益效果为：本发明制备的有机太阳能电池薄膜中聚合物分子在刷子的作用力下会发生分子取向，形成有效的电荷传输通道，提高电荷的有效传输，因此提高电池的能量转换效率。对比旋涂方法制备的活性层薄膜电池（光电转换效率0.6％），采用本法制备的发电层薄膜制备的有机太阳能电池，其能量转换效率提高了3倍。可以看出，利用刷涂法制备有机薄膜太阳能电池可实现太阳能电池生产的简单化和高效化，器件性能也有很大提高。 
具体实施方式
首先从市场上购得：作为电极的透明导电基片（ITO）；固含量为0.1-3％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液；作为给体材料的聚噻吩衍生物和聚苯乙烯衍生物；作为受体材料的富勒烯衍生物、碳纳米管和苝；作为溶剂的氯仿、氯代苯、二氯代苯、甲苯、环己酮等。 
在制备目标产物之前，先对作为透明导电衬底的导电玻璃或导电塑料薄膜依次使用清洁液、去离子水、乙醇、丙酮清洗后，用氮气吹干。 
接着， 
实施例1：
步骤1，在已经处理过的基片上，刷涂浓度为0.3％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的质量配比为1：1.6。涂刷速率0.5cm/s，80oC度下烘烤1小时，获得30nm厚的空穴传输层。
步骤2，将聚噻吩衍生物之一的聚（3-己基噻吩）（P3HT）和富勒烯衍生物之一的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）按1:0.8的比例混合，配制成浓度为5mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴传输层的导电基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率0.5cm/s，惰性气氛下烘干，除去多余氯仿，获得60nm厚的发电层薄膜。 
步骤3，将上述基片放入真空溅射镀膜机中，在真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s的条件下，依次蒸镀2 nm厚的LiF层和50 nm厚的银电极层。 
步骤4，将镀好银电极的基片转入手套箱中，室温下封装，制得有机薄膜太阳能电池。 
实施例2：
步骤1，在已经处理过的基片上，刷涂浓度为0.8％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的质量配比为1：1.6。涂刷速率0.5cm/s ，90oC度下烘烤1小时，获得35nm厚的空穴传输层。
步骤2，将聚噻吩衍生物之一的聚（3-己基噻吩）（P3HT）和富勒烯衍生物之一的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）按1:0.9的比例混合，配制成浓度为8mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴传输层的导电基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率0.5cm/s，惰性气氛下加热至60oC，除去多余氯仿，获得80nm厚的发电层薄膜。 
步骤3，将上述基片放入真空溅射镀膜机中，在真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s的条件下，依次蒸镀2 nm厚的LiF层和50 nm厚的银电极层。 
步骤4，将镀好银电极的基片转入手套箱中，室温下封装，制得有机薄膜太阳能电池。 
实施例3：
步骤1，在已经处理过的基片上，刷涂浓度为1.0％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的质量配比为1：1.6。涂刷速率1cm/s 100oC度下烘烤半小时，获得50nm厚的空穴传输层。
步骤2，将聚噻吩衍生物之一的聚（3-己基噻吩）（P3HT）和富勒烯衍生物之一的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）按1:1的比例混合，配制成浓度为10mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴传输层的导电基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率1cm/s，惰性气氛下加热至60oC，除去多余氯仿，获得100nm厚的发电层薄膜。 
步骤3，将上述基片放入真空溅射镀膜机中，在真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s的条件下，依次蒸镀2 nm厚的LiF层和100 nm厚的银电极层。 
步骤4，将镀好银电极的基片转入手套箱中，室温下封装，制得有机薄膜太阳能电池。 
实施例4：
步骤1，在已经处理过的基片上，刷涂浓度为1.5％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的质量配比为1：1.6。涂刷速率0.5cm/s，之后放入烘箱中于120oC下烘烤20分钟，获得30nm厚的空穴传输层。
步骤2，将聚噻吩衍生物之一的聚（3-己基噻吩）（P3HT）和富勒烯衍生物之一的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）按1:1的比例混合，配制成浓度为20mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴传输层的导电基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率1.5cm/s，惰性气氛下加热至60oC，除去多余氯仿，获得120nm厚的发电层薄膜。 
步骤3，将上述基片放入真空溅射镀膜机中，在真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s的条件下，依次蒸镀2 nm厚的LiF层和130 nm厚的银电极层。 
步骤4，将镀好银电极的基片转入手套箱中，室温下封装，制得有机薄膜太阳能电池。 
实施例5：
步骤1，在已经处理过的基片上，刷涂浓度为0.5％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的质量配比为1：1.6。涂刷速率0.8cm/s， 80oC度下烘烤1小时，获得30nm厚的空穴传输层。
步骤2，将聚噻吩衍生物之一的聚（3-己基噻吩）（P3HT）和富勒烯衍生物之一的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）按1:1.2的比例混合，配制成浓度为30mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴传输层的导电基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率0.5cm/s，惰性气氛下加热至60oC，除去多余氯仿，获得200nm厚的发电层薄膜。 
步骤3，将上述基片放入真空溅射镀膜机中，在真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s的条件下，依次蒸镀2 nm厚的LiF层和100 nm厚的银电极层。 
步骤4，将镀好银电极的基片转入手套箱中，室温下封装，制得有机薄膜太阳能电池。 
对比例：
步骤1，在已经处理过的基片上，旋涂浓度为1.5％的聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液，其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）和聚（苯乙烯磺酸盐）的质量配比为1：1.6。之后放入烘箱中于100oC下烘烤30分钟，获得30nm厚的空穴传输层。
步骤2，将聚噻吩衍生物之一的聚（3-己基噻吩）（P3HT）和富勒烯衍生物之一的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）按1:1的比例混合，配制成浓度为10mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴传输层的导电基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，惰性气氛下加热至60oC，除去多余氯仿，获得100nm厚的发电层薄膜。 
步骤3，将上述基片放入真空溅射镀膜机中，在真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s的条件下，依次蒸镀2 nm厚的LiF层和100 nm厚的银电极层。 
步骤4，将镀好银电极的基片转入手套箱中，室温下封装，制得有机薄膜太阳能电池。 
对比例和实施例中电池性能的具体参数可以更详细的说明我们的发明效果，所有器件性能都是在100mW/cm2氙灯照射下测试的。 
表 1 电池性能参数对比 

Claims (8)

1.一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)将透明导电基片清洗后，用氮气吹干，然后将聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液刷涂到透明导电基片上，放于烘箱中加热烘干，获得覆有空穴传输层的导电基片；聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的混合水溶液的浓度为0.1-3％，步骤（2）所述的烘干条件为80~150oC，5~60分钟；其中聚（3，4-乙烯基二氧噻吩）与聚（苯乙烯磺酸盐）的重量配比为1：1.6～18；
(2)在步骤（1）中获得的覆有空穴传输层的导电基片上刷涂给体材料与受体材料的混合溶液，惰性气氛下烘干，获得依次覆有空穴传输层和发电层的基片，通过调控给体材料与受体材料混合溶液的浓度和刷子经过基片的速度控制发电层薄膜的厚度为30-200 nm；
(3)将步骤（2）中获得的透明导电基片放入真空溅射镀膜机中，依次蒸镀LiF层和金属阴极层，室温下封装获得有机太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的透明导电基片为任意形状的ITO玻璃和导电塑料薄膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的给体材料为可溶性聚噻吩衍生物或聚苯乙烯衍生物或两者的混合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的受体材料为富勒烯衍生物或碳纳米管或苝。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的用于配制受体材料和给体材料混合溶液的溶剂为氯仿、二氯代苯、甲苯、环己酮中的一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：给体材料与受体材料的混合溶液浓度为1-50 mg/ml，二者的摩尔比为1：0.5-2。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中刷子经过基片的速度为0.5-2.5cm/s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中LiF层的厚度为1-3nm，金属阴极材料为银或铝或镁或钙或它们的合金，厚度为5-150nm，真空度为-1*10-4Pa，蒸发速率0.1-2 ?/s。
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