CN105977388A - 一种聚合物太阳能电池的退火处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，包括常压下溶剂退火真空条件下自组装；电极蒸镀；器件热退火。本发明首先对活性层进行常温常压下溶剂退火，通过密闭容器中充分自主装的同时，抑制受体材料的过度生长和扩散；然后将样品置于镀膜机中，保持真空状态，使活性层在高真空下获得优异的纳米尺度下的互穿网络；完成电极制备后，对器件进行热退火处理，彻底去除活性层中残存的有机溶剂，促使受体材料当生长，平衡载流子传输。该退火处理方法结合溶剂退火与热退火的优势，并且将活性层置于真空下获得优异的互穿网络，能够明显提高电池的短路电流和能量转换效率，这种处理方法简单易行，在空气中即可进行实施，操作方便易控制。

Description

一种聚合物太阳能电池的退火处理方法
技术领域
本发明涉及属于新能源中的太阳能电池技术领域，特别是一种明显提高电池的短路电流和能量转换效率的聚合物太阳能电池的退火处理方法。
背景技术
当今社会，经济的迅猛发展带来了诸如能源危机和全球变暖等严峻问题，可再生清洁能源的发展与利用已经受到全世界的广泛关注。区别于煤、石油、天然气等传统能源，太阳能时一种绿色、清洁、可再生能源，取之不尽用之不竭，有潜力成为供给中的重要组成部分。太阳能电池作为一种光电转换器件，其研究与应用已经受到越来越多的重视。与成本高昂的硅基太阳能电池相比，聚合物太阳能电池采用有机半导体材料作为光活性层，具有成本低廉、光吸收系数高、质地轻，柔韧性好，制造工艺简单等特点。由于有机材料中载流子扩散长度短，活性层较薄，对入射光的吸收并不充分。在有限的吸收层厚度下实现对光谱的充分吸收成为提高有机电池效率需要迫切解决的问题。在有机聚合物电池当中引入陷光结构，通过对入射光的反射、折射、散射以及光场将度分布的有效调制，可实现活性层对光的充分吸收，提升电池的能量转换效率。
有机聚合物体异质结太阳能电池由于材料来源广泛，制备方法简单，可采用旋转涂膜，喷墨打印，丝网印刷等廉价制备方法进行大面积制造；重量轻，成本低等受到人们的重视并得到快速的发展。通过退火处理方法，能够使体异质结电池中的给受体两种材料在整个活性层范围内充分混合，使电池的能量转换效率得到提高。由于光生激子的分离只能在给体与受体材料界面处发生，激子的扩散长度仅有10nm，因此活性层体异质结的优化，形成优异的互穿网络和合适的表面形貌，是光生激子能够得到有效分离、分离后电子空穴能够顺利传输的有力保障。目前研究人员提出的聚合物电池的退火处理方法有溶剂退火，热退火，微波退火等方法，然而，对聚合物电池的最佳退火条件仍然存在争议。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有的不足，而提供一种能够形成优异的互穿网络和表面形貌，使得体异质结得到优化，电池性能显著提高的聚合物太阳能电池的退火处理方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，包括以下工艺步骤：
1)、常压下溶剂退火：将旋涂有活性层的样品基板直接放入容器中，阴凉避光处放置；
2)、真空条件下自组装：将步骤1)的样品基板放入真空镀膜机中，使用机械泵、分子泵联合抽真空，并将镀膜机真空状态保持6-24小时；
3)、电极蒸镀，将步骤2)得到的样品基板完成整个电池器件的制备；
4)、器件热退火：将步骤3)制备完成的电池器件从镀膜机中取出，放置在热板上，放置5-30min。在本技术方案中，首先对活性层进行常温常压下溶剂退火，通过密闭容器中充分自主装的同时，抑制受体材料的过度生长和扩散；然后将样品置于镀膜机中，保持真空状态12小时，使活性层在高真空下获得优异的纳米尺度下的互穿网络；完成电极制备后，对器件进行热退火处理，彻底去除活性层中残存的有机溶剂，促使受体材料当生长，平衡载流子传输。该退火处理方法结合溶剂退火与热退火的优势，并且将活性层置于真空下获得优异的互穿网络，能够明显提高电池的短路电流和能量转换效率。这种处理方法简单易行，在空气中即可进行实施，操作方便易控制。
作为优选，活性层材料为：给体材料为聚对苯撑乙烯(PPV)衍生物、聚噻吩(PT)类衍生物或PTB7；所述受体材料为富勒烯C60或富勒烯C60衍生物。
作为优选，步骤1)中旋涂分三次，第一次旋涂转速为200-500rpm，旋涂时间为3-10s；第二次旋涂转速为500-1000rpm，旋涂时间为10-30s；第三次旋涂转速为800-1200rpm，旋涂时间为20-40s。在本技术方案中，采用连续三次调节旋涂机转速时间的方法：低速短时间制备薄膜一，中速长时间制备薄膜二，高速长时间制备薄膜三，不但能够克服因衬底表面的不均匀造成的活性层薄膜不均匀，提高活性层与衬底的附着力，而且能够保证聚合物电池所需活性层厚度，确保有效的光吸收。避免了单次旋涂活性层薄膜容易出现的散射状分布、与衬底之间附着力差的问题。
作为优选，步骤2)旋涂前，样品基板浸入浸入附着力促进液中，超声处理45-60min，然后取出用氮气吹干。
作为优选，附着力促进液由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素10-15份、正硅酸甲酯20-35份、海藻泥5-10份、乙酸乙酯80-100份与硅烷偶联剂15-25份。
作为优选，所述步骤1)室温常压下退火时间为2-4小时。
作为优选，所述步骤2)中镀膜机抽真空至10-4-104Pa。
作为优选，所述步骤4)中热板温度提前升至100℃-120℃。
本发明的有益效果是本发明首先对活性层进行常温常压下溶剂退火，通过密闭容器中充分自主装的同时，抑制受体材料的过度生长和扩散；然后将样品置于镀膜机中，保持真空状态12小时，使活性层在高真空下获得优异的纳米尺度下的互穿网络；完成电极制备后，对器件进行热退火处理，彻底去除活性层中残存的有机溶剂，促使受体材料当生长，平衡载流子传输。该退火处理方法结合溶剂退火与热退火的优势，并且将活性层置于真空下获得优异的互穿网络，能够明显提高电池的短路电流和能量转换效率，这种处理方法简单易行，在空气中即可进行实施，操作方便易控制。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
活性层材料为：给体材料为聚对苯撑乙烯(PPV)衍生物、聚噻吩(PT)类衍生物或PTB7；所述受体材料为富勒烯C60或富勒烯C60衍生物。
电池结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag，ZnO采用溶胶凝胶方法制备，厚度约为20nm；活性层P3HT:PCBM采用1:0.8质量比。
实施例1
一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，包括以下工艺步骤：
1)、常压下溶剂退火：将旋涂有活性层的样品基板直接放入容器中，阴凉避光处放置2小时；其中，旋涂前，样品基板浸入浸入附着力促进液中，超声处理45min，然后取出用氮气吹干；附着力促进液由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素10份、正硅酸甲酯20份、海藻泥5份、乙酸乙酯80份与硅烷偶联剂15份；
旋涂分三次，第一次旋涂转速为200rpm，旋涂时间为3s；第二次旋涂转速为500rpm，旋涂时间为10s；第三次旋涂转速为800rpm，旋涂时间为20s；
2)、真空条件下自组装：将步骤1)的样品基板放入真空镀膜机中，使用机械泵、分子泵联合抽真空，抽真空至10-4Pa，并将镀膜机真空状态保持6小时；
3)、电极蒸镀，将步骤2)得到的样品基板完成整个电池器件的制备；
4)、器件热退火：将步骤3)制备完成的电池器件从镀膜机中取出，放置在热板上，热板温度提前升至100℃，放置5min。
实施例2
一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，包括以下工艺步骤：
1)、常压下溶剂退火：将旋涂有活性层的样品基板直接放入容器中，阴凉避光处放置3小时；其中，旋涂前，样品基板浸入浸入附着力促进液中，超声处理50min，然后取出用氮气吹干；附着力促进液由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素12份、正硅酸甲酯30份、海藻泥7份、乙酸乙酯90份与硅烷偶联剂22份；
旋涂分三次，第一次旋涂转速为300rpm，旋涂时间为5s；第二次旋涂转速为700rpm，旋涂时间为20s；第三次旋涂转速为1000rpm，旋涂时间为30s；
2)、真空条件下自组装：将步骤1)的样品基板放入真空镀膜机中，使用机械泵、分子泵联合抽真空，抽真空至10-2Pa，并将镀膜机真空状态保持15小时；
3)、电极蒸镀，将步骤2)得到的样品基板完成整个电池器件的制备；
4)、器件热退火：将步骤3)制备完成的电池器件从镀膜机中取出，放置在热板上，热板温度提前升至110℃，放置25min。
实施例3
一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，包括以下工艺步骤：
1)、常压下溶剂退火：将旋涂有活性层的样品基板直接放入容器中，阴凉避光处放置4小时；其中，旋涂前，样品基板浸入浸入附着力促进液中，超声处理60min，然后取出用氮气吹干；附着力促进液由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素15份、正硅酸甲酯35份、海藻泥10份、乙酸乙酯100份与硅烷偶联剂25份；
旋涂分三次，第一次旋涂转速为500rpm，旋涂时间为10s；第二次旋涂转速为1000rpm，旋涂时间为30s；第三次旋涂转速为1200rpm，旋涂时间为40s；
2)、真空条件下自组装：将步骤1)的样品基板放入真空镀膜机中，使用机械泵、分子泵联合抽真空，抽真空至104Pa，并将镀膜机真空状态保持24小时；
3)、电极蒸镀，将步骤2)得到的样品基板完成整个电池器件的制备；
4)、器件热退火：将步骤3)制备完成的电池器件从镀膜机中取出，放置在热板上，热板温度提前升至120℃，放置30min。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
1)、常压下溶剂退火：将旋涂有活性层的样品基板直接放入容器中，阴凉避光处放置；
2)、真空条件下自组装：将步骤1)的样品基板放入真空镀膜机中，使用机械泵、分子泵联合抽真空，并将镀膜机真空状态保持6-24小时；
3)、电极蒸镀，将步骤2)得到的样品基板完成整个电池器件的制备；
4)、器件热退火：将步骤3)制备完成的电池器件从镀膜机中取出，放置在热板上，放置5-30min。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，活性层材料为：给体材料为聚对苯撑乙烯(PPV)衍生物、聚噻吩(PT)类衍生物或PTB7；所述受体材料为富勒烯C60或富勒烯C60衍生物。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，步骤1)中旋涂分三次，第一次旋涂转速为200-500rpm，旋涂时间为3-10s；第二次旋涂转速为500-1000rpm，旋涂时间为10-30s；第三次旋涂转速为800-1200rpm，旋涂时间为20-40s。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，步骤2)旋涂前，样品基板浸入浸入附着力促进液中，超声处理45-60min，然后取出用氮气吹干。
5.根据权利要求4所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，附着力促进液由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素10-15份、正硅酸甲酯20-35份、海藻泥5-10份、乙酸乙酯80-100份与硅烷偶联剂15-25份。
6.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，所述步骤1)室温常压下退火时间为2-4小时。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，所述步骤2)中镀膜机抽真空至10-4-104Pa。
8.根据权利要求1所述的一种聚合物太阳能电池的退火处理方法，其特征在于，所述步骤4)中热板温度提前升至100℃-120℃。
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