CN105870343A - 一种提高有机聚合物光伏电池效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高有机共轭聚合物光伏电池效率的方法，属于太阳能电池技术领域。即先用一种溶剂溶解光活性层材料，待其充分溶解后，将此溶剂挥发。之后，再用另一种溶剂溶解光活性层薄膜，充分溶解后，使之成为制备光活性层的前驱液（光活性层材料可多次溶解，详见说明书附图）。采用本发明所述的方法可以使聚合物在溶液中的构型得到最大程度的优化，并将其形态最大限度地保留于聚合物光伏器件的光活性层中，同时能够使给、受体相结构在光活性层中的分布更加均匀，可显著提高有机聚合物光伏电池的效率。

Description

一种提高有机聚合物光伏电池效率的方法
技术领域
本发明属于有机光伏电池器件的技术领域，涉及一种提高有机光伏电池器件的光电转化效率的方法。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭与环境的日趋严重，太阳能受到人们的重视。聚合物太阳能电池具有质轻、价廉、柔性等突出优点，已成为当前的研究热点。聚合物太阳能电池不仅可应用于日常生活领域、电子产品领域，还可以应用于建筑领域，易于光伏建筑一体化的实现，具有很好的环境兼容性。尽管聚合物太阳能电池具有这些优势，但这类电池存在一个明显的缺点，那就是光电转换效率低，离实际应用所要求的效率（>15%）仍有一定距离。
共轭聚合物的溶解过程对光活性层的形貌具有重要的影响，而光活性层的形貌的优劣直接影响太阳能电池器件的光电转换效率。基于本专利的申请范围，这里只阐述溶液溶解处理方式提高电池器件性能的技术背景。
目前，基于通过溶液处理提高器件性能的手段主要有下面几种方式。一是选择适合共轭聚合物与溶解良好的溶剂，如P3HT:PCBM体系，选择邻二氯苯作为溶剂，制备的器件效率就要高于氯仿作为溶剂所制备的器件效率。二是以混合溶剂（按一定比例复配）溶解光活性层材料，如侯剑辉等(Adv. Mat., 2012, 24, 6335-6341)采用三元混合溶剂溶解PDPP3T/PC71BM光伏材料，制成器件后效率可达6.71%，较一元、二元溶剂所制器件分别高出1.4和1.2倍。三是在溶剂中添加少量的添加剂，如J. Nelson等人(J. Polym. Sci., PartB: Polym. Phys. 2011, 49:717-724)在溶液中添加1,8-辛二硫醇后，可实现PCPDTBT/PC70BM光活性层给体相结晶度的提高，并促进给、受体连续互穿网络结构的形成，使得器件效率有所提高。四是在制备光活性层之前，迅速向溶液中加入适量的不良溶剂使聚合物快速地结晶析出，从而提高结晶聚合物在光活性层中的含量，进而提高器件的效率。五是溶剂加温溶解光活性材料，加温可使聚合物在溶液中的形态更加伸展，成膜过程中利于其发生自组织，可有效提高器件效率。此外，还有溶液冻干法（挥发）制备出多孔网络状形貌，一定程度上可以改善器件性能。
上述几种溶液处理手段的核心思想均是通过提高聚合物在光活性层中的聚集有序度，改善给/受体的相分离程度，进而提高电池器件的性能。每一种处理手段都有其自身的优缺点。这里，本申请也将延续这种思想，尝试采用另外的新途径改善聚合物在溶液中的构型状态，进而影响聚合物在光活性层中的聚集状态，改善有机聚合物太阳能电池的性能。
发明内容
本发明的目的是为了改善有机聚合物在溶液中伸展形态，为聚合物太阳能电池效率的提高提供新的思路，即发明了多次溶解光活性层材料（含共轭聚合物材料与电子受体材料）。该方法不仅制作流程简单，且在同等制备条件下，多次溶解处理后的器件效率较单次溶解的器件效率要高。
本发明采用的技术路线如下：（1）基体衬底的清洗：先将导电玻璃置于含有洗涤剂的自来水中超声清洗15分钟，再轻轻搓揉衬底的两面，让其表面充分的脱脂和去除灰尘等杂质；之后再将导电玻璃置于去离子水中超声清洗15分钟（两次）；然后分别将导电玻璃先后置于丙酮、无水乙醇、异丙醇溶液中超声清洗15分钟（各两次）。将清洗干净的片子置于干燥箱中备用。
（2）溶液的配置：根据光活性层材料的性质，确定溶剂与溶解次数，如P3HT:PCBM体系即可选用二次溶解，先采用氯仿等低沸点溶解P3HT:PCBM，待其充分溶解后，将溶液置于洁净箱中静置挥发处理。当氯仿挥发干净后，可采用邻二氯苯等高沸点溶剂再次溶解P3HT:PCBM，经充分的溶解后可作为光活性薄膜的前驱液。
（3）光活性层的制备：在上述（2）的基础上制备光活性层，制备的工艺可以为旋凃法，刮涂法、喷墨打印法、喷雾法、纺丝法等。此外，为进一步改善光活性膜的形貌，可以对薄膜进行后处理，如溶剂蒸汽退火处理等。
（4）功能层与电极的制备：在光活性层与电极间需插入一些功能性材料，以保证器件的性能，如ZnO、MoO3、PEDOT:PSS、NiO等，这些功能层可以采用旋涂法、真空蒸镀法制备。器件的电极可采用真空蒸镀法制备，如蒸镀Ag电极。
附图说明
图1为本发明的过程示意图。
图2为实施例1二次溶解与传统单次溶解所得的器件性能对比图。
图3为实施例2三次溶解与传统单次溶解所得的器件性能对比图。
具体实施方式：
实施例一：
根据上述发明内容，选取P3HT:PCBM光伏体系为实验对象，先用氯仿溶剂溶解P3HT:PCBM（质量比1:1，浓度均为20 mg/ml），在磁力搅拌8 h，然后敞开溶解瓶，让氯仿自然挥发干净。之后再用邻二氯苯溶解瓶中的光活性薄膜，在磁力搅拌12 h以上，以备制作正式光活性层薄膜的前驱液。
将ITO导电玻璃衬底清洗干净后，在其表面旋凃ZnO功能层，然后采用喷涂法将前述所配制的溶液涂于ZnO的表面（用量20 ul，旋凃分两步进行：600 r/min，6 s和1200 r/min，20 s）。之后将所得光活性层薄膜自然晾干。晾干后在光活性薄膜的表面先后蒸镀MoO3（3 nm）和Ag电极（30 nm）。最后，将这种处理方法（先氯仿溶，后邻二氯苯溶解）与一步溶解法（邻二氯苯溶解）所制的器件效率进行了对比，结果发现前者（短路电流为6.12 mA/cm2，开路电压为633 mV，填充因子为0.58，效率为2.26%）较后者短路电流为5.17 mA/cm2，开路电压为648 mV，填充因子为0.54，效率为1.83%）的效率提升了23%的性能，测试结果如图2所示。
实施例二：
根据上述发明内容，选取PTB7:PC71BM光伏体系为实验对象，先用氯仿溶剂溶解PTB7:PC71BM（质量比1:1.5，PTB7浓度均为10 mg/ml，PC71BM浓度均为15 mg/ml），在磁力搅拌8 h，然后敞开溶解瓶，让氯仿自然挥发干净。再用二氯乙烷溶解瓶中的光活性薄膜，在磁力搅拌8 h以上。最后采用氯苯与1,8-二碘辛烷的混合溶剂（97%：3%）溶解PTB7:PC71BM，以备制作正式光活性层薄膜的前驱液。
将ITO导电玻璃衬底清洗干净后，在其表面旋凃ZnO功能层，然后采用旋涂法将前述所配制的溶液涂于ZnO的表面（用量20 ul，旋凃工艺：850 r/min，50 s）。之后将所得光活性层薄膜自然晾干。晾干后在光活性薄膜的表面先后蒸镀MoO3（3 nm）和Ag电极（30 nm）。最后，将这种处理方法（先氯仿溶，再二氯乙烷溶解，后邻氯苯混合溶剂）与一步溶解法（邻氯苯混合溶剂）所制的器件效率进行了对比，结果发现前者（短路电流为16.85 mA/cm2，开路电压为725 mV，填充因子为0.58，效率为7.03%）较后者（短路电流为15.49 mA/cm2，开路电压为707 mV，填充因子为0.6，效率为6.55%）的效率提升了7%的性能，测试结果如图3所示。
综上所述，仅是本发明实施可行的制备方法而已，不能因此局限本发明的权利范围，对熟悉本领域的研究人员或技术人员而言，凡运用本发明的技术方案、技术构思、制备条件做出其它各种相应的改动或变形，而所有这些改动或变形都应属本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高有机聚合物光伏电池效率的方法，其特征在于，其步骤如下：
先后运用不同溶剂对光活性层材料进行溶解；
前驱液可用于不同的光活性层与电池器件制备。
2.根据权利要求1所述的方法，步骤（1）中的光活性层包括共轭聚合物材料和电子受体材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，不同溶剂对光活性层材料的溶解在两次或两次以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中的光活性层制膜的方法是旋凃法、滴凃法、刮涂法、喷墨打印法、喷雾法、纺丝法中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中所述机聚合物光伏电池的结构是正型太阳能器件、反型太阳能器件、叠层电池器件及三端电池器件中的一种。
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