CN103887434A - 一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法 - Google Patents

一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103887434A
CN103887434A CN201410121477.5A CN201410121477A CN103887434A CN 103887434 A CN103887434 A CN 103887434A CN 201410121477 A CN201410121477 A CN 201410121477A CN 103887434 A CN103887434 A CN 103887434A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polymer solar
spin
solar cell
battery
photoactive layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410121477.5A
Other languages
English (en)
Inventor
孙景阳
胡子阳
诸跃进
黄利克
张科
章艇
贺洪云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo University
Original Assignee
Ningbo University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo University filed Critical Ningbo University
Priority to CN201410121477.5A priority Critical patent/CN103887434A/zh
Publication of CN103887434A publication Critical patent/CN103887434A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/40—Thermal treatment, e.g. annealing in the presence of a solvent vapour
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/811—Controlling the atmosphere during processing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法，以玻璃或柔性塑料为衬底，透明导电膜为前电极，在空气中室温下制备可溶性聚噻吩和富勒烯衍生物共混体系作为活性层，在无需高温加热的条件下，通过调节室温、交替控制旋涂成膜的转速和时间三者关系来调节溶剂的挥发速率，实现对光活性层处理，处理后的光活性层薄膜在空气中自然干燥，诱导实现聚噻吩材料P3HT发生自组装功能，提高P3HT的有序性。本发明工艺简单易操作、安全稳定且成本低，无需保护气体氛围，无需加热退火，在室温下就可控制完成，且与柔性衬托兼容，基于此方法制备的聚合物太阳电池获得了比常规加热退火和溶剂退火工艺更高的性能。

Description

一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物太阳能电池领域，特别是一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池由于成本低、工艺简单、与柔性衬底相兼容等独特优势而倍受青睐。随着新型高效聚合物给、受体材料的不断合成、器件结构的不断优化以及对聚合物太阳电池机理研究的日益深入，聚合物太阳电池的器件性能有了大幅的提高，也最有望率先实现商业化。为了便于激子的扩散与分离，以及载流子的传输，目前高效聚合物太阳电池多采用体相异质结结构，即活性层由给体和受体物理共混而成。太阳电池的性能很大程度上依赖于活性层形态、形貌的优化。影响活性层形貌的因素主要包括给受体材料本身的性质、结晶性、分子结构等。研究表明电池的性能与活性层的形貌和电池的界面接触密切相关，活性层的好坏决定着载流子的产生和传输，而界面接触则影响载流子的收集。优化活性层的形貌使给体与受体之间的界面接触面积增加，形成良好的两相连续的给、受体载流子通道，提高电子给体的结晶度和有序度从而提高空穴载流子的迁移率都能使电池的整体性能大幅提高。
目前基于可溶性聚噻吩（P3HT）和富勒烯衍生物共混的活性层体系通过加热退火和溶剂退火两种处理手段提高电池的性能。对于采用玻璃态转变温度较高的半晶性材料为活性层的聚合物太阳电池，通常需要进行热退火处理使活性层由无序态转变为具有一定的晶相结构，提高聚合物排列的有序性和结晶度，提高载流子的迁移率，最终提高器件的性能。所以加热退火处理成为提高体相异质结器件性能的常用手段。虽然热退火能改善电池的性能，但加热退火有如下不足。第一：如果有机半导体的玻璃转化温度较高，退火温度过高不易于与柔性衬底兼容。第二：由于有机半导体材料对温度很敏感，使得有机电池的最佳热退火工艺条件的窗口很小，热退火的温度和时间难以控制。第三：为了防止空气中的水和氧与有机活性层发生反应，热退火必须在有保护气体环境中进行。溶剂退火是将共混的薄膜置于溶剂自然挥发形成的气氛中一段时间进行退火，需要在保护气体氛围下进行，并且制备的时间很长。然而在实际的实验环境中，维持无水氧的保护气体是很困难的，特别是需要在整个器件的全过程制备流程中维持无水氧的环境。在保护气体中制备有机电池必然会使制造成本增加，这与有机电池低成本制备的初衷是相违背的。
而溶剂退火是将共混的薄膜置于良溶剂和不良溶剂气氛中进行退火。良溶剂退火即采用P3HT的良溶剂，比如氯苯、二氯苯、二硫化碳等进行退火，但处理过程中溶剂的蒸汽浓度的变化对电池的性能影响很大，整个过程不易控制，操作难度大。不良溶剂退火即采用P3HT的不良溶剂，比如苯甲醚、甲苯、正庚烷等进行气氛退火，这种方法处理的时间很长，耗时半个小时到几个小时不等。因此现有的光活性层处理无论是热退火还是溶剂退火都存在各种各样的问题和不足。需要研发出一种简单易操作、低成本、安全稳定的光活性层处理方法，最终获得高效聚合物太阳能电池的制备。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法，具有处理过程简单易操作、低成本、安全稳定的特点。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种基于光活性层处理后聚合物太阳能电池的制备方法，以可溶性聚噻吩（P3HT）和受体材料共混体系作为活性层，制备工艺简便安全，在室温下空气中即可实现，通过室温、旋涂成膜的转速和时间三者的调节，获得了比常规加热退火工艺更高性能的聚合物太阳电池。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法，其特征在于在空气中室温条件下进行，步骤为：
a、溶液配制：按质量配比1:4～2:1称取聚噻吩给体材料和受体材料溶于有机溶剂中配制成质量浓度为5～30mg/ml的溶液，然后超声搅拌均匀形成混合溶剂；
b、光活性层制备：用吸管吸取配制好的混合溶剂涂满在沉积好修饰层的导电透明基片上，采用旋涂法进行制备，调节室温，以及旋涂的转速和时间，控制溶剂的挥发速度，形成未固化的薄膜，其中室温为10～40℃，转速为100～10000rpm，旋涂时间为5～60s，
c、未固化的薄膜中有机溶剂继续挥发，自然干燥形成固态的厚度为50～300nm的光活性层薄膜。
作为改进，所述受体材料为富勒烯（C60、C70）及其衍生物（PC60BM、PC70BM）、II-VI族元素化合物(如CdSe,ZnO)纳米晶颗粒中的至少一种或者两者的混合，有机溶剂为氯苯。
优选的，所述受体材料为富勒烯衍生物（PC60BM、PC70BM）。
再优选，所述室温为19～25℃，转速为200～800rpm，旋涂时间为19～30s。
优选，所述自然干燥的时间小于30分钟。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）以玻璃或柔性塑料为衬底，以透明导电膜为前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的前电极表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层具有良好的空穴或电子传输材料作为第一修饰层；
3）在制备好的第一修饰层表面，在空气中室温条件下依上述a、b、c步骤处理并制备光活性层，
4）在制备好的光活性层上再通过旋涂法或蒸镀法制备一层良好的电子或空穴传输材料作为第二修饰层；
5）采用蒸镀法蒸镀金属电极作为电池的背电极，背电极厚度为50～1000nm，并依次构成叠层结构，完成电池的制备。
作为优选，所述步骤2）的第一修饰层为聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸，第一修饰层的厚度为1～100nm，并完全覆盖在前电极的表面。
作为优选，所述步骤4）的第二修饰层为LiF，第二修饰层的厚度为1～100nm。
再优选，所述步骤5）的背电极为铝，背电极的厚度为90～110nm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：以可溶性聚噻吩（P3HT）和富勒烯衍生物共混体系作为电池的光活性层，在室温下空气中进行制备，通过优化室温、交替控制旋涂成膜的转速和时间三者关系来调节溶剂的挥发速率，充分实现活性层材料P3HT自组装功能，P3HT的自组装功能使得薄膜的吸收光谱增强并且红移，提高了载流子迁移率，平衡共混体系中电子和空穴传输，活性层表面形貌的变化改善了活性层与电极界面之间的接触，因此获得了比常规加热退火和溶剂退火工艺更高性能的聚合物太阳能电池。本发明工艺简单易操作、安全稳定、成本低，无需保护气体氛围，无需加热退火，在室温下就可控制完成，且与柔性衬托兼容。
附图说明
图1是本发明制备的聚合物太阳能电池的结构示意图，图中1、透明的玻璃衬底，2、前电极；3、第一修饰层；4、光活性层；5、第二修饰层；6、背电极。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法，步骤如下：
1）以玻璃或柔性塑料为衬底1，以透明导电膜（TCO）为前电极2，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的前电极表面采用旋涂法制备一层具有良好的空穴（或电子）传输材料作为第一修饰层3，第一修饰层3的厚度为1～100nm；
3）在制备好的第一修饰层3表面，通过旋涂法制备聚噻吩（P3HT）给体材料和受体材料共混体系作为光活性层4，并调节室温、旋涂成膜的转速和时间进行旋涂，旋涂后让薄膜静置在空气中自然干燥；
4）在光活性层4上再通过旋涂法或蒸镀法制备一层良好的电子（或空穴）传输材料作为第二修饰层5，第二修饰层5的厚度为1～100nm；
5）采用蒸镀法蒸镀金属电极作为电池的背电极6，背电极6厚度为50～1000nm。
以下实施例从光活性层制备过程中，即通过室温、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来优化活性层的制备进行详细说明。
在实施例中为了简便和对比说明，进行如下定义。自然干燥（NA）步骤：将旋涂成膜后的活性层衬底放在避光的玻璃器皿中，在室温下自然晾干，不进行任何的处理，即本实例中采用的方法。溶剂退火（SA）步骤：将旋涂成膜后的活性层衬底放在避光封闭的磨口玻璃器皿保存。加热处理（TA）步骤：在空气中将自然干燥处理后的活性层电池放在80℃的加热板上加热15min。
实施例1：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1：0.8质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料富勒烯衍生物(PC60BM)溶于有机溶剂氯苯中，溶液浓度为10毫克/毫升，超声搅拌均匀形成混合溶剂。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理活性层，实验条件见表1。在室内温度为25℃，控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度约为1nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
实验获得的电池的性能数据如表1所示，在固定的转速和时间下，利用自然干燥和溶剂退火两种工艺对电池活性层的处理对电池的性能没有影响，Voc、FF、Jsc、PCE几乎不变。但在80℃，15min加热退火（TA）却使电池的性能得到了很大的提升，PCE接近3%。这一系列实验说明在室温25℃，溶剂退火与自然干燥的效果一样，获得的电池的整体性能很低，PCE<2%，Voc=0.76～0.67V，FF<0.50，Jsc<6mA/cm2。随着交替旋涂成膜转速的降低和旋涂时间的缩短，电池的整体性能有增加的趋势，自然干燥电池的PCE从1.16%增加到1.53%，溶剂退火电池的PCE从1.28%到1.70%，溶剂退火的电池性能改善的效果略有体现。
表1室温为25℃，不同旋涂成膜的转速和时间制备的电池性能参数
Figure BDA0000483713340000051
Figure BDA0000483713340000061
实施例2：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1:0.8质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料富勒烯衍生物(PC60BM)溶于有机溶剂氯苯中，溶液浓度为10毫克每毫升，超声搅拌均匀形成混合溶剂。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理光活性层，实验条件见表2。在室内温度为23℃，交替控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度约为1nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
实验获得的电池的性能数据如表2所示，可以得出在固定的较高的转速和较长的时间下，利用自然干燥和溶剂退火两种工艺对电池活性层的处理对电池的性能几乎还没有什么影响，但是在较低的转速和较短的时间下，利用溶剂退火工艺处理对电池性能的影响已经明显体现，但利用自然干燥工艺处理对电池性能的提升并不十分明显。在同等的转速和时间下，与自然干燥的电池相比，溶剂退火的电池的Voc降低，FF升高，Jsc增加，PCE改善。随着交替旋涂成膜转速的降低和旋涂时间的缩短，电池的整体性能增加的趋势继续呈现，效应也越来越明显，溶剂退火的电池性能改善效果已得到初步的体现，接近甚至超过加热退火电池的性能。在300rpm，10s条件下，溶剂退火的电池性能参数为：Voc=0.64V，FF=65%，Jsc=9mA/cm2，PCE=3.05%，FF显著提高。与室温25℃相比，在同样的转速和时间下，自然干燥和溶剂退火的电池的Voc降低，FF升高，Jsc增加，PCE改善。
表2室温为23℃，不同旋涂成膜的转速和时间制备的电池性能参数
Figure BDA0000483713340000071
实施例3：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1:0.8质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料富勒烯衍生物(PC60BM)溶于有机溶剂氯苯中，溶液浓度为10毫克每毫升，超声搅拌均匀形成混合溶剂。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理活性层，实验条件见表3。在室内温度为21℃，交替控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度约为1nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
实验获得的电池的性能数据如表3所示，可以得出结论：即使在较高的转速和较长旋涂的时间下，利用自然干燥和溶剂退火两种工艺处理对电池的性能也有明显的影响。在较低的转速和较短旋涂的时间下，利用自然干燥和溶剂退火两种工艺对电池性能的影响已经充分体现出来了。溶剂退火电池的性能已经得到了显著的提高，超过加热退火电池的性能。自然干燥电池的性能已接近或超过加热退火电池的性能。随着交替旋涂成膜控转速的降低和旋涂时间的缩短，电池的整体性仍继续保持增加的趋势，效应也越来越明显，特别是溶剂退火的电池性能改善的效果已得到完美的体现。利用溶剂退火的电池性能已远超过优化的加热退火工艺获得的电池的性能。在300rpm，10s条件下最好的溶剂退火的电池性能参数如下：Voc=0.63V，FF=0.67，Jsc=9.58mA/cm2，PCE=4.04%。而利用自然干燥工艺制备的电池性能也超过加热退火工艺获得的电池的性能。在300rpm，10s条件下，自然干燥的电池性能参数为：Voc=0.65V，FF=0.63，Jsc=7.65mA/cm2，PCE=3.13%。
表3室温为21℃，不同旋涂成膜的转速和时间制备的电池性能参数
Figure BDA0000483713340000081
Figure BDA0000483713340000091
实施例4：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1:0.8质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料富勒烯衍生物(PC60BM)溶于有机溶剂氯苯中，溶液浓度为10毫克每毫升，超声搅拌均匀形成混合溶剂。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理活性层，实验条件见表4。在室内温度为19℃，交替控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度约为1nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
实验获得的电池的性能数据如表4所示，可以得出下面的结论：在较高的转速和较长的时间下，利用自然干燥和溶剂退火两种工艺对电池的性能亦有明显的影响。在较低的转速和较短的旋涂时间下，利用自然干燥和溶剂退火两种工艺对电池活性层的处理对电池的性能的改善几乎相同。溶剂退火电池的性能继续提高，而自然干燥电池的性能改善的幅度更大，两者的处理方法最后得到的电池性能已相当接近，都远远超过加热退火电池的性能。随着交替旋涂成膜转速的降低和旋涂时间的缩短，两种工艺处理的电池整体性能变化的趋势不一样。自然干燥电池性能随着交替旋涂成膜转速的降低和旋涂时间的缩短增加的效应很明显，电池的Voc略有降低，FF继续升高，Jsc继续增加，PCE继续改善；但是溶剂退火的电池性能已几乎不再随转速和旋涂时间而发生变化，电池Voc、FF、Jsc、PCE也几乎不变。溶剂退火电池最好的性能参数如下：Voc=0.626V，FF=0.684，Jsc=10.78mA/cm2，PCE=4.62%。自然干燥电池最好的性能参数如下：Voc=0.61V，FF=0.71，Jsc=10.87mA/cm2，PCE=4.71%。
表4室温为19℃，不同旋涂成膜的转速和时间制备的电池性能参数
Figure BDA0000483713340000092
Figure BDA0000483713340000101
实施例5：
利用实施例4中优化的活性层制备方法，将柔性的PET/ITO取代Glass/ITO，获得了Voc=0.61V，Jsc=9.67mA/cm2，FF=0.69，PCE=4.1%的高效率柔性聚合物太阳能电池。
实施例6：
利用实施例4中优化的活性层制备方法，将PC70BM取代PC60BM，制备的基于P3HT:PCBM(1:1)的活性层获得了Voc=0.60V，Jsc=10.66mA/cm2，FF=0.68，PCE=4.35%的高效聚合物太阳能电池。
实施例7：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1.5：1质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料富勒烯(C60)溶于有机溶剂氯苯中，溶液浓度为20毫克/毫升，超声搅拌均匀形成混合溶剂。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理活性层，实验条件见表5。在室内温度为19℃，控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度约为1nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
实验获得的电池的性能数据如表5所示。光活性层的处理的电池，获得了Voc=0.48V，Jsc=6.19mA/cm2，FF=0.50，PCE=1.49%性能最佳的聚合物太阳能电池。
实施例8：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1:3质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料CdSe纳米粒子溶于有机溶剂氯苯中，并充分超声搅拌均匀，溶液浓度为20毫克/毫升。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理活性层，实验条件见表6。在室内温度为19℃，控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度8nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
表6室温为19℃，不同旋涂成膜的转速和时间制备的电池性能参数
Figure BDA0000483713340000111
实施例9：
以透明导电膜（ITO）玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并烘干。在干燥后的前电极表面采用旋涂法(5000rpm，60s)制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为第一修饰层，并加热干燥。接下来在涂有空穴传输层的衬底上再旋涂光活性层。光活性层溶液配制：按1:2质量配比称取一定量的电子给体（P3HT）和受体材料ZnO纳米粒子溶于有机溶剂氯苯中，并充分超声搅拌均匀，溶液浓度为30毫克/毫升。在空气中，通过温度、旋涂成膜的转速和时间三者的调节来处理活性层，实验条件见表6。在室内温度为19℃，控制旋涂成膜的转速和时间进行旋涂光活性层。随后在光活性层上蒸镀制备LiF作为第二修饰层，厚度8nm；最后采用蒸镀法制备铝作为背电极，电极厚度约为100nm，完成器件的制备。
表7室温为19℃，不同旋涂成膜的转速和时间制备的电池性能参数
从以上实施例子中可以看到，通过控制环境温度以及旋涂的转速和时间，可以实现比加热退火和溶剂退火更高的聚合物电池效率。溶剂的挥发与环境的温度变化非常敏感，而旋涂时间和转速可以更为精确的对溶剂挥发速率进行控制。

Claims (10)

1.一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法，其特征在于在空气中室温条件下进行，步骤为：
a、溶液配制：按质量配比1:4～2:1称取聚噻吩给体材料和受体材料溶于有机溶剂中配制成质量浓度为8～30mg/ml的溶液，然后超声搅拌均匀形成混合溶剂；
b、光活性层制备：用吸管吸取配制好的混合溶剂涂满在沉积好修饰层的导电透明基片上，采用旋涂法进行制备，调节室温，以及旋涂的转速和时间，控制溶剂的挥发速度，形成未固化的薄膜，其中室温为10～40℃，转速为100～10000rpm，旋涂时间为5～60s，
c、未固化的薄膜中有机溶剂继续挥发，自然干燥形成固态的厚度为50～300nm的光活性层薄膜。
2.根据权利要求1所述的光活性层处理方法，其特征在于：所述受体材料为富勒烯（C60、C70）及其衍生物（PC60BM、PC70BM）、II-VI族元素化合物纳米晶颗粒中的至少一种或者两者的混合，有机溶剂为氯苯。
3.根据权利要求2所述的光活性层处理方法，其特征在于：所述受体材料为富勒烯衍生物（PC60BM、PC70BM）。
4.根据权利要求1所述的光活性层处理方法，其特征在于：所述室温为19～25℃，转速为200～800rpm，旋涂时间为19～30s。
5.根据权利要求1所述的光活性层处理方法，其特征在于：所述自然干燥的时间小于30分钟。
6.一种利用权利1～5任意一种处理方法的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）以玻璃或柔性塑料为衬底，以透明导电膜为前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的前电极表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层具有良好的空穴或电子传输材料作为第一修饰层；
3）在制备好的第一修饰层表面，在空气中室温条件下，通过旋涂法制备聚噻吩给体材料和受体材料共混体系作为光活性层，并调节室温、旋涂成膜的转速和时间进行旋涂，旋涂后让薄膜静置在空气中自然干燥；其中光活性层的厚度为50～300nm，活性层中聚噻吩给体材料和受体材料的质量比为1:4～2:1；
4）在制备好的光活性层上再通过旋涂法或蒸镀法制备一层良好的电子或空穴传输材料作为第二修饰层；
5）采用蒸镀法蒸镀金属电极作为电池的背电极，背电极厚度为50-1000nm，并依次构成叠层结构，完成电池的制备。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2）的第一修饰层为聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸，第一修饰层的厚度为1～100nm，并完全覆盖在前电极的表面。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3）的室温为10～40℃，转速为100～10000rpm，旋涂时间为5～60s。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4）的第二修饰层为LiF，第二修饰层的厚度为1～100nm。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5）的背电极为铝，背电极的厚度为90～110nm。
CN201410121477.5A 2014-03-28 2014-03-28 一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法 Pending CN103887434A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410121477.5A CN103887434A (zh) 2014-03-28 2014-03-28 一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410121477.5A CN103887434A (zh) 2014-03-28 2014-03-28 一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103887434A true CN103887434A (zh) 2014-06-25

Family

ID=50956248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410121477.5A Pending CN103887434A (zh) 2014-03-28 2014-03-28 一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103887434A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105977388A (zh) * 2016-05-09 2016-09-28 浙江海洋大学 一种聚合物太阳能电池的退火处理方法
CN106410031A (zh) * 2016-03-29 2017-02-15 上海大学 入射光强度可调的有机太阳能电池及其制备方法
CN111697135A (zh) * 2019-03-13 2020-09-22 中国科学院化学研究所 改善有机太阳能电池形貌的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101022153A (zh) * 2006-12-29 2007-08-22 中国科学院长春应用化学研究所 一种提高聚合物薄膜太阳能电池效率的溶剂处理方法
CN102270745A (zh) * 2011-08-08 2011-12-07 华南师范大学 一种在空气中制备聚合物太阳能电池的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101022153A (zh) * 2006-12-29 2007-08-22 中国科学院长春应用化学研究所 一种提高聚合物薄膜太阳能电池效率的溶剂处理方法
CN102270745A (zh) * 2011-08-08 2011-12-07 华南师范大学 一种在空气中制备聚合物太阳能电池的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHANG-YONG NAM ET AL.: "High-Performance Air-Processed Polymer-Fullerene Bulk Heterjunction Solar Cells", 《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》 *
胡子阳: "活性层优化及电极界面修饰对聚合物电池性能的影响", 《万方数据》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410031A (zh) * 2016-03-29 2017-02-15 上海大学 入射光强度可调的有机太阳能电池及其制备方法
CN106410031B (zh) * 2016-03-29 2020-01-17 上海大学 入射光强度可调的有机太阳能电池及其制备方法
CN105977388A (zh) * 2016-05-09 2016-09-28 浙江海洋大学 一种聚合物太阳能电池的退火处理方法
CN105977388B (zh) * 2016-05-09 2018-10-16 浙江海洋大学 一种聚合物太阳能电池的退火处理方法
CN111697135A (zh) * 2019-03-13 2020-09-22 中国科学院化学研究所 改善有机太阳能电池形貌的方法
CN111697135B (zh) * 2019-03-13 2022-03-04 中国科学院化学研究所 改善有机太阳能电池形貌的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI514606B (zh) 包含光吸收結構之太陽能電池
Li et al. Polymer solar cells with diketopyrrolopyrrole conjugated polymers as the electron donor and electron acceptor
CN103022357B (zh) 基于石墨烯量子点的三体系有机光伏器件及其制备方法
CN106384785B (zh) 一种锡掺杂甲基铵基碘化铅钙钛矿太阳能电池
JP5634530B2 (ja) 有機太陽電池及びその製造方法
TWI455385B (zh) 有機太陽能電池及其形成方法
TWI514609B (zh) 太陽能電池之製造方法
Chou et al. Lengthening the polymer solidification time to improve the performance of polymer/ZnO nanorod hybrid solar cells
Singh et al. Polymer solar cells: an overview
Li et al. Solvents induced ZnO nanoparticles aggregation associated with their interfacial effect on organic solar cells
CN103236501A (zh) 掺杂金属卤化物的有机空穴传输层、其制备方法及应用
CN103887434A (zh) 一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法
Park et al. Water-processable electron-collecting layers of a hybrid poly (ethylene oxide): Caesium carbonate composite for flexible inverted polymer solar cells
KR101146832B1 (ko) 액상 표면 처리를 이용한 고전도성 유기 박막 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법
CN105206746A (zh) 基于三元溶剂系统的有机薄膜太阳能电池及其制备方法
CN101572293A (zh) 聚合物光电子薄膜及制备方法和应用
CN103904219A (zh) 极性溶剂修饰的反型有机薄膜太阳能电池及其制备方法
CN101692481B (zh) 一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池及其制备方法
CN103145956B (zh) 一种侧链含氟聚噻吩及用于提高反向有机太阳能电池电极功函的方法
CN101877386A (zh) 基于介观光学结构的万向太阳能电池
CN102832346A (zh) 一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池及其制备方法
Hsin-Yi et al. Poly (3-hexylthiophene): indene-C60 bisadduct morphology improvement by the use of polyvinylcarbazole as additive
CN110452363B (zh) 一种有机太阳能电池及其制备方法
Zhang et al. Non-conjugated natural alginate as electron-transport layer for high performance polymer solar cells after modification
CN105006523A (zh) 铱类配合物掺杂的三元太阳能电池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20140625

RJ01 Rejection of invention patent application after publication