專利名稱：一種有機薄膜太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜太陽能電 池的制備領(lǐng)域，確切地說是一種有機薄膜太陽能電池的制備方法。
背景技術(shù)：
開發(fā)潔凈可再生能源是解決世界能源危機的首要途徑，太陽能占地球總能量99%以上，是重要的可再生能源。而基于光生伏打效應(yīng)的太陽能電池是目前開發(fā)和利用太陽能的重要途徑之一。雖然硅基太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，但是從性價比來看，傳統(tǒng)的太陽能模塊電池比石油能源貴大約三到四倍。同時必須加工成板塊狀，限制了它的一些日常應(yīng)用。而有機太陽能電池由于具有制作工藝簡單，器件形狀和面積靈活多樣，活性材料結(jié)構(gòu)和性能可控等特點最有望實現(xiàn)太陽能電池價廉、高效、柔性和大面積制備的目標(biāo)。目前常用的有機太陽能電池的成膜技術(shù)主要是噴涂法和旋涂法，但是噴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勻；而通過旋涂法獲得的產(chǎn)品很難定型，同時對原料的浪費比較嚴重；同時，應(yīng)用目前的方法制備的有機太陽能電池的效率還較低，遠達不到實用要求，因此如何通過最佳的器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，突破聚合物太陽能電池效率瓶頸，是目前有機太陽能電池研究的難點。針對以上問題，我們提出一種簡單經(jīng)濟的制備高效率有機太陽能電池薄膜的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的一種可在任意形狀的基底上制備得能量轉(zhuǎn)換效率高的電池的有機薄膜太陽能電池制備的方法。上述目的通過以下方案實現(xiàn)
一種有機薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于
包括以下步驟
(1)將透明導(dǎo)電基片清洗后，用氮氣吹干，然后將聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液刷涂到透明導(dǎo)電基片上，放于烘箱中加熱烘干，獲得覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片；
(2)在步驟(I)中獲得的覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂給體材料與受體材料的混合溶液，惰性氣氛下烘干，獲得依次覆有空穴傳輸層和發(fā)電層的基片，通過調(diào)控給體材料與受體材料混合溶液的濃度和刷子經(jīng)過基片的速度控制發(fā)電層薄膜的厚度為30-200 nm；
(3)將步驟(2)中獲得的透明導(dǎo)電基片放入真空濺射鍍膜機中，依次蒸鍍LiF層和金屬陰極層，室溫下封裝獲得有機太陽能電池。所述的透明導(dǎo)電基片為任意形狀的ITO玻璃和導(dǎo)電塑料薄膜。聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液的固含量為O. 1-3%，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的重量配比為I :1. 6 18。步驟(2)所述的烘干條件為8(Tl50°C，5飛O分鐘。
所述的給體材料為可溶性聚噻吩衍生物或聚苯乙烯衍生物或兩者的混合物。所述的受體材料為富勒烯衍生物或碳納米管或茈。所述的用于配制受體材料和給體材料混合溶液的溶劑為氯仿、氯代苯、二氯代苯、甲苯、環(huán)己酮中的一種或兩種以上的混合物。給體材料與受體材料的混合溶液濃度為1-50 mg/ml，二者的摩爾比為I :0. 5_2。步驟(2)中刷子經(jīng)過基片的速度為O. 5-2. 5cm/s。步驟(3)中LiF層的厚度為l_3nm，金屬陰極材料為銀或鋁或鎂或鈣或它們的合金，厚度為5-150nm，真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率O. 1-2 A/s。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明制備的有機太陽能電池薄膜中聚合物分子在刷子的 作用力下會發(fā)生分子取向，形成有效的電荷傳輸通道，提高電荷的有效傳輸，因此提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。對比旋涂方法制備的活性層薄膜電池(光電轉(zhuǎn)換效率0.6%)，采用本法制備的發(fā)電層薄膜制備的有機太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率提高了 3倍?？梢钥闯?，利用刷涂法制備有機薄膜太陽能電池可實現(xiàn)太陽能電池生產(chǎn)的簡單化和高效化，器件性能也有很大提聞。
具體實施例方式首先從市場上購得作為電極的透明導(dǎo)電基片(ITO);固含量為O. 1-3%的聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液；作為給體材料的聚噻吩衍生物和聚苯乙烯衍生物；作為受體材料的富勒烯衍生物、碳納米管和茈；作為溶劑的氯仿、氯代苯、二氯代苯、甲苯、環(huán)己酮等。在制備目標(biāo)產(chǎn)物之前，先對作為透明導(dǎo)電襯底的導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰媳∧ひ来问褂们鍧嵰?、去離子水、乙醇、丙酮清洗后，用氮氣吹干。接著，
實施例I:
步驟1，在已經(jīng)處理過的基片上，刷涂濃度為O. 3%的聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的質(zhì)量配比為I :1. 6。涂刷速率O. 5cm/s，80°C度下烘烤I小時，獲得30nm厚的空穴傳輸層。步驟2，將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,配制成濃度為5mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率O. 5cm/s,惰性氣氛下烘干,除去多余氯仿,獲得60nm厚的發(fā)電層薄膜。步驟3，將上述基片放入真空濺射鍍膜機中，在真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率O. 1-2 A/s的條件下,依次蒸鍍2 nm厚的LiF層和50 nm厚的銀電極層。步驟4，將鍍好銀電極的基片轉(zhuǎn)入手套箱中，室溫下封裝，制得有機薄膜太陽能電池。實施例2
步驟1，在已經(jīng)處理過的基片上，刷涂濃度為0.8%的聚(3，4_乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的質(zhì)量配比為I :1. 6。涂刷速率O. 5cm/s，90°C度下烘烤I小時，獲得35nm厚的空穴傳輸層。
步驟2，將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,配制成濃度為8mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率O. 5cm/s,惰性氣氛下加熱至60°C,除去多余氯仿,獲得80nm厚的發(fā)電層薄膜。步驟3，將上述基片放入真空濺射鍍膜機中，在真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率O. 1-2 A/s的條件下,依次蒸鍍2 nm厚的LiF層和50 nm厚的銀電極層。步驟4，將鍍好銀電極的基片轉(zhuǎn)入手套箱中，室溫下封裝，制得有機薄膜太陽能電池。實施例3
步驟1，在已經(jīng)處理過的基片上，刷涂濃度為1.0%的聚(3，4_乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的質(zhì)量配比為I :1. 6。涂刷速率lcm/s 100°C度下烘烤半小時，獲得50nm厚的空穴傳輸層。步驟2，將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,配制成濃度為10mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率lcm/s,惰性氣氛下加熱至60°C,除去多余氯仿,獲得IOOnm厚的發(fā)電層薄膜。步驟3，將上述基片放入真空濺射鍍膜機中，在真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率O. 1-2 A/s的條件下,依次蒸鍍2 nm厚的LiF層和100 nm厚的銀電極層。步驟4，將鍍好銀電極的基片轉(zhuǎn)入手套箱中，室溫下封裝，制得有機薄膜太陽能電池。實施例4
步驟1，在已經(jīng)處理過的基片上，刷涂濃度為I. 5%的聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的質(zhì)量配比為I :1. 6。涂刷速率O. 5cm/s，之后放入烘箱中于120°C下烘烤20分鐘，獲得30nm厚的空穴傳輸層。步驟2，將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I: I的比例混合,配制成濃度為20mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率I. 5cm/s,惰性氣氛下加熱至60°C,除去多余氯仿,獲得120nm厚的發(fā)電層薄膜。步驟3，將上述基片放入真空濺射鍍膜機中，在真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率
O.1-2 A/s的條件下,依次蒸鍍2 nm厚的LiF層和130 nm厚的銀電極層。步驟4，將鍍好銀電極的基片轉(zhuǎn)入手套箱中，室溫下封裝，制得有機薄膜太陽能電池。實施例5
步驟1，在已經(jīng)處理過的基片上，刷涂濃度為O. 5%的聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的質(zhì)量配比為I :1. 6。涂刷速率0.8cm/s，80°C度下烘烤I小時，獲得30nm厚的空穴傳輸層。步驟2，將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I: I. 2的比例混合,配制成濃度為30mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，涂刷速率O. 5cm/s,惰性氣氛下加熱至60°C,除去多余氯仿,獲得200nm厚的發(fā)電層薄膜。步驟3，將上述基片放入真空濺射鍍膜機中，在真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率
O.1-2 A/s的條件下,依次蒸鍍2 nm厚的LiF層和100 nm厚的銀電極層。步驟4，將鍍好銀電極的基片轉(zhuǎn)入手套箱中，室溫下封裝，制得有機薄膜太陽能電池。對比例
步驟1，在已經(jīng)處理過的基片上，旋涂濃度為1.5%的聚(3，4_乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液，其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸鹽)的質(zhì)量配比為I :1. 6。之后放入烘箱中于100°C下烘烤30分鐘，獲得30nm厚的空穴傳輸層。步驟2，將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,配制成濃度為10mg/ml的氯仿溶液。在其上覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂以上配制的P3HT和PCBM的混合溶液，惰性氣氛下加熱至60°C，除去多余氯仿，獲得IOOnm厚的發(fā)電層薄膜。步驟3，將上述基片放入真空濺射鍍膜機中，在真空度為-l*10_4Pa，蒸發(fā)速率
O.1-2 A/s的條件下,依次蒸鍍2 nm厚的LiF層和100 nm厚的銀電極層。步驟4，將鍍好銀電極的基片轉(zhuǎn)入手套箱中，室溫下封裝，制得有機薄膜太陽能電池。對比例和實施例中電池性能的具體參數(shù)可以更詳細的說明我們的發(fā)明效果，所有器件性能都是在lOOmW/cm2氙燈照射下測試的。表I電池性能參數(shù)對比
權(quán)利要求
1.一種有機薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將透明導(dǎo)電基片清洗后，用氮氣吹干，然后將聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液刷涂到透明導(dǎo)電基片上，放于烘箱中加熱烘干，獲得覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片；(2)在步驟(I)中獲得的覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂給體材料與受體材料的混合溶液，惰性氣氛下烘干，獲得依次覆有空穴傳輸層和發(fā)電層的基片，通過調(diào)控給體材料與受體材料混合溶液的濃度和刷子經(jīng)過基片的速度控制發(fā)電層薄膜的厚度為30-200 nm ；(3)將步驟(2)中獲得的透明導(dǎo)電基片放入真空濺射鍍膜機中，依次蒸鍍LiF層和金屬陰極層，室溫下封裝獲得有機太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于所述的透明導(dǎo)電基片為任意形狀的ITO玻璃和導(dǎo)電塑料薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于 聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液的濃度為O. 1-3%，步驟(2)所述的烘干條件為8(Tl50°C，5飛O分鐘；其中聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的重量配比為I :1.6 18。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的給體材料為可溶性聚噻吩衍生物或聚苯乙烯衍生物或兩者的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的受體材料為富勒烯衍生物或碳納米管或茈。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的用于配制受體材料和給體材料混合溶液的溶劑為氯仿、氯代苯、二氯代苯、甲苯、環(huán)己酮中的一種或兩種以上的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于給體材料與受體材料的混合溶液濃度為1-50 mg/ml，二者的摩爾比為 I 0. 5-2。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(2)中刷子經(jīng)過基片的速度為O.5-2. 5cm/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)中LiF層的厚度為l_3nm，金屬陰極材料為銀或鋁或鎂或鈣或它們的合金，厚度為5-150nm，真空度為_l*10_4Pa，蒸發(fā)速率O.I-2 A/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機薄膜太陽能電池的制備方法，將透明導(dǎo)電基片清洗后，用氮氣吹干，然后將聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)與聚(苯乙烯磺酸鹽)的混合水溶液刷涂到透明導(dǎo)電基片上，放于烘箱中加熱烘干，獲得覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片；在獲得的覆有空穴傳輸層的導(dǎo)電基片上刷涂給體材料與受體材料的混合溶液，惰性氣氛下烘干，獲得依次覆有空穴傳輸層和發(fā)電層的基片，通過調(diào)控給體材料與受體材料混合溶液的濃度和刷子經(jīng)過基片的速度控制發(fā)電層薄膜的厚度為30-200nm；將獲得的透明導(dǎo)電基片放入真空濺射鍍膜機中，依次蒸鍍LiF層和金屬陰極層，室溫下封裝獲得有機太陽能電池。本發(fā)明可實現(xiàn)太陽能電池生產(chǎn)的簡單化和高效化。
文檔編號H01L51/48GK102637828SQ20121011255
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者劉香蘭, 史同飛, 曾雪松, 田興友, 馬磊 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院