CN105185911B - 一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机聚合物太阳能电池领域，提供一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池及其制备方法；用以提升聚合物太阳能电池的性能和效率。所述聚合物太阳能电池，由阳极电极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极从下往上依次重叠构成，其中，所述活性层混合材料溶液中添加有溶剂添加剂，所述溶剂添加剂为1‑氯‑4‑戊基苯或者1‑溴‑4‑戊基苯；溶剂添加剂的添加量为：1‑氯‑4‑戊基苯与溶剂比例为5:95，1‑溴‑4‑戊基苯与溶剂比例为1:99。本发明通过活性层的混合材料溶液中添加溶剂添加剂，使得聚合物太阳能电池的短路电流密度，开路电压，填充因子等性能有所提升，从而有效提升聚合物太阳能电池效率。

Description

一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机聚合物太阳能电池领域，涉及以聚合物和富勒烯衍生物混合体系为基础的有机太阳能电池器件的制备，具体涉及一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池；溶剂添加剂的使用对提高电池性能是一种低成本，简洁有效的方法。
背景技术
在过去40年中有机太阳能电池的研究已经得到一些成果。尤其是在近十年中，关于有机太阳能电池转换效率的快速增加引起了科学领域和光伏产业的注意。虽然有机薄膜电池的效率与无机太阳能电池的水平差距还有点大，但是该器件廉价的生产(例如，使用卷对卷工艺)吸引我们一直对其进行研究。基于能源需求一直在不断的增加，太阳能作为一种清洁能源受到很大的重视。按所用半导体材料的形态，太阳能电池主要有两大类：晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池；就目前产业来看是以硅太阳能电池为主，晶体硅太阳能电池又分为：单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池；但是它们制作工艺复杂，而且成本偏高，不适合大面积应用。薄膜太阳能电池包括多晶硅薄膜太阳能能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，化合物薄膜太阳能电池(砷化镓，砷化镓硒，碲化镉，铜锌锡硫等)，染料敏化太阳能电池，聚合物太阳能电池等。太阳能电池的大面积应用是必要的趋势，在众多太阳能电池中聚合物太阳能电池是非常具有潜力的一种；聚合物太阳能电池是通过聚合物有机分子吸收光子实现光电转换的器件，有机太阳能电池的实验原理和无机太阳能电池的实验原理类似，都是基于光生伏特效应；主要过程是，在光照情况下，有机半导体分子吸收光子，然后形成电子-空穴对，然后电子-空穴对在活性层接触面分解为自由电子和空穴，自由电子和空穴被电极收集，形成电流；其实验原理图如图1所示。
虽然说在过去十年有机太阳能电池的效率在不断提高，但是依然有一些限制因素使其器件效率受到束缚，比如光的吸收效率低，以及较低的载流子迁移率等。在致力于提高有机太阳能电池的研究方向中，提升有机太阳能电池的途径有很多，比如改善电池结构，合成新型窄带隙聚合物给体材料，增加或者改良修饰层，以及改良制备工艺等。而向有源层添加微量的添加剂是一种方便简洁的方法，因为在制作器件过程中无需增添步骤，所以也吸引着很多科学家对此进行研究。目前，现有文献中公开有提到添加1,8-二碘辛烷(DIO)，尤其是在PTB7：PC71BM体系中，使用(DIO)可以改善PTB7与PC71BM两个材料的溶解与混合，优化有源层界面，从而提高电池效率。决定有机太阳能电池器件效率的三个主要参数是短路电流(Jsc)，开路电压(Voc)，填充因子(FF)；转换效率PCE＝VOC×JSC×FF/Pin，加入适当添加剂会提高FF和Jsc，从而使效率提升。但是现有的添加剂种类较少，对器件改良也不够；本发明就是通过引进新型溶剂添加剂，使聚合物太阳能电池的短路电流密度，开路电压，填充因子都有所提高，从而使电池效率得到了提升。添加助剂操作简便，无需增加其他能耗，对于光电转换效率的提升极具潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，通过在聚合物太阳能电池活性层混合溶液中添加溶剂添加剂，有效提高聚合物太阳能电池的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，由阳极电极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极从下往上依次重叠构成，其中，所述活性层混合材料溶液中添加有溶剂添加剂，所述溶剂添加剂为1-氯-4-戊基苯(分子式为C11H15Cl)或者1-溴-4-戊基苯(分子式为C11H15Br)；溶剂添加剂的添加量为：1-氯-4-戊基苯与溶剂比例为5:95，1-溴-4-戊基苯与溶剂比例为1:99。
本发明中，所述活性层由混合材料溶液涂覆于空穴传输层上制备得到，所述混合材料溶液中给体材料为聚(3-己基)噻吩(P3HT)、受体材料为富勒烯衍生物(PCBM)，采用的溶剂为邻二氯苯。
所述溶剂添加剂1-氯-4-戊基苯或1-溴-4-戊基苯，其特征在于结构通式如下(R＝Cl,Br)：
所述活性层的厚度为180-200nm。
本发明提供基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池的制备方法：包括以下步骤：
步骤1.配置活性层混合材料溶液：
a.配制混合溶剂：
混合溶剂为邻二氯苯中添加1-氯-4-戊基苯，邻二氯苯与1-氯-4-戊基苯的比例(体积比)为95:5；
或者，混合溶剂为邻二氯苯中添加1-溴-4-戊基苯，邻二氯苯与1-溴-4-戊基苯的比例(体积比)为99:1；
b.将P3HT和PCBM以1:1的比例混合溶于混合溶剂中，得到混合材料溶液的溶液浓度为40mg/ml；
c.将混合材料溶液搅拌加热48小时，即得活性层混合材料溶液；
步骤2.以ITO(氧化铟锡)玻璃片作为阳极，将ITO清洗、干燥后待用；
步骤3.将干燥好的ITO玻璃片进行臭氧等离子处理；
步骤4.旋涂空穴传输层，以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)为空穴传输层材料，旋涂后干燥；
步骤5.将制备好空穴传输层的ITO玻璃片转入氮气氛围的手套箱旋涂活性层，将步骤1制备得混合材料溶液旋涂于空穴传输层后放置于玻璃皿内让溶剂自行挥发，再将玻璃片放在热基板上退火10分钟，温度为120℃；
步骤6.在活性层上依次蒸镀LiF薄层和Al，分别作为电子传输层和阴极。
本发明提供一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，提出新的溶剂添加剂1-氯-4-戊基苯、1-溴-4-戊基苯；通过活性层的混合材料溶液中添加该溶剂添加剂，使得聚合物太阳能电池的短路电流密度，开路电压，填充因子等性能参数都有所提高，从而有效提升聚合物太阳能电池效率。本发明结合该溶剂添加剂的添加提供该聚合物太阳能电池的制备方法，制备工艺简单，同时也从制备工艺中可以看到本发明新的溶剂添加剂的添加方便简洁的提升了聚合物太阳能电池的性能。
附图说明
图1为聚合物太阳能电池的实验原理图。
图2为本发明聚合物太阳能电池的结构示意图。
图3为实施例1对比原器件的电流密度—电压图。
图4为实施例2对比原器件的电流密度—电压图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例中提供基于P3HT：PCBM体系的聚合物太阳能电池，其结构如图2所示，玻璃衬底上依次为阳极电极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极；采用以下工艺制备：
1.提前两天配置混合溶液，混合溶液配置过程如下：
a.混合溶剂体积为1ml，其中0.95ml邻二氯苯、0.05ml 1-氯-4-戊基苯，即1-氯-4-戊基苯占总溶剂体积比为5％；
b.称取20mgP3HT和20mgPCBM溶于混合溶剂中；
c.将混合溶液搅拌加热48小时；
2.阳极为是氧化铟锡(ITO)，其方阻为15Ω/cm2。将ITO用ITO专用清洗剂洗净，用去离子水冲洗干净，然后放在烘箱里干燥两小时待用；
3.将干燥好的ITO玻璃片臭氧等离子处理20分钟；
4.旋涂空穴传输层材料：聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)，旋涂速度4000rpm，旋涂时间为40秒，然后将玻璃基板放入真空干燥箱干燥20分钟，温度为140℃；
5.将玻璃基片转入氮气氛围的手套箱旋涂活性层，旋涂速度为800rpm，旋涂活性层后，不直接退火，而是将基片放在玻璃皿内让溶剂自行挥发；然后将基片放在热基板上退火10分钟，温度为120℃；
6.最后，将玻璃基片放入有机气相沉淀系统的蒸镀室，将真空抽至3x10-4pa，蒸镀LiF薄层1nm，100nm的Al。
测试条件为：光谱分布AM 1.5G，光照强度为1000W/m2，Zolix SS150太阳光模拟器；I-V曲线是由keithly 2400型数字源表进行测量。通过测试得到本实施例中聚合物太阳能电池性能参数如下表所示：
添加比例 开路电压(v) 短路电流(mA/cm2) 填充因子(％) 转换效率(％)
0 0.58 7.62 50.89 2.25
5％CPB 0.62 9.04 55.00 3.10
由表可知本发明器件比原器件效果更好，活性层混合溶液里添加5％1-氯-4-戊基苯，开路电压也有一定提高，短路电流从7.62mA/cm2增加到了9.04mA/cm2，填充因子从50.89％提高到了55.00％，最终转换效率提高了37.7％；I-V曲线如图3所示。
实施例2
本实施例中，提供基于P3HT：PCBM体系的聚合物太阳能电池，其活性层混合材料溶液中溶剂添加剂采用1-溴-4-戊基苯，制备过程中，1ml混合溶剂中，0.99ml邻二氯苯，0.01ml1-溴-4-戊基苯，即1-溴-4-戊基苯占总溶剂体积比为1％。
采用相同条件测试得本实施例中聚合物太阳能电池性能参数如下表所示：
添加比例 开路电压(v) 短路电流(mA/cm2) 填充因子(％) 转换效率(％)
0 0.58 7.62 50.89 2.25
1％BrPB 0.619 10.94 47.03 3.19
由表可知本发明器件比原器件效率有明显提高，活性层混合溶液里添加混合溶液里添加1％1-溴-4-戊基苯，开路电压也有一定提高，短路电流从7.62mA/cm2增加到了10.94mA/cm2，最终转换效率提高了41.7％。I-V曲线如图4所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，由阳极电极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极从下往上依次层叠构成，其中，所述活性层混合材料溶液中添加有溶剂添加剂，所述溶剂添加剂为1-氯-4-戊基苯或1-溴-4-戊基苯；溶剂添加剂的添加量为：1-氯-4-戊基苯与溶剂比例为5:95，1-溴-4-戊基苯与溶剂比例为1:99；所述溶剂添加剂1-氯-4-戊基苯或1-溴-4-戊基苯的结构通式为，R＝Cl,Br：
2.按权利要求1所述基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述活性层由混合材料溶液涂覆于空穴传输层上制备得到，所述混合材料溶液中给体材料为聚(3-己基)噻吩、受体材料为富勒烯衍生物，采用的溶剂为邻二氯苯。
3.按权利要求1所述基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述活性层的厚度为180-200nm。
4.按权利要求1所述基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池的制备方法：包括以下步骤：
步骤1.配置活性层混合材料溶液：
a.配制混合溶剂：
混合溶剂为邻二氯苯中添加1-氯-4-戊基苯，邻二氯苯与1-氯-4-戊基苯的比例为95:5；
或者，混合溶剂为邻二氯苯中添加1-溴-4-戊基苯，邻二氯苯与1-溴-4-戊基苯的比例为99:1；
b.将聚(3-己基)噻吩和富勒烯衍生物以1:1的比例混合溶于混合溶剂中，得到混合材料溶液的溶液浓度为40mg/ml；
c.将混合材料溶液搅拌加热48小时，即得活性层混合材料溶液；
步骤2.以ITO玻璃片作为阳极，将ITO清洗、干燥后待用；
步骤3.将干燥好的ITO玻璃片进行臭氧等离子处理；
步骤4.旋涂空穴传输层，以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)为空穴传输层材料，旋涂后干燥；
步骤5.将制备好空穴传输层的ITO玻璃片转入氮气氛围的手套箱旋涂活性层，将步骤1制备得混合材料溶液旋涂于空穴传输层后放置于玻璃皿内让溶剂自行挥发，再将玻璃片放在热基板上退火10分钟，温度为120℃；
步骤6.在活性层上依次蒸镀LiF薄层和Al层，分别作为电子传输层和阴极。
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