一種提高有機(jī)聚合物光伏電池效率的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高有機(jī)共軛聚合物光伏電池效率的方法，屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域。即先用一種溶劑溶解光活性層材料，待其充分溶解后，將此溶劑揮發(fā)。之后，再用另一種溶劑溶解光活性層薄膜，充分溶解后，使之成為制備光活性層的前驅(qū)液（光活性層材料可多次溶解，詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖）。采用本發(fā)明所述的方法可以使聚合物在溶液中的構(gòu)型得到最大程度的優(yōu)化，并將其形態(tài)最大限度地保留于聚合物光伏器件的光活性層中，同時(shí)能夠使給、受體相結(jié)構(gòu)在光活性層中的分布更加均勻，可顯著提高有機(jī)聚合物光伏電池的效率。
【專利說(shuō)明】
一種提高有機(jī)聚合物光伏電池效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于有機(jī)光伏電池器件的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高有機(jī)光伏電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭與環(huán)境的日趨嚴(yán)重，太陽(yáng)能受到人們的重視。聚合物太陽(yáng)能電池具有質(zhì)輕、價(jià)廉、柔性等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。聚合物太陽(yáng)能電池不僅可應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域、電子產(chǎn)品領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，易于光伏建筑一體化的實(shí)現(xiàn)，具有很好的環(huán)境兼容性。盡管聚合物太陽(yáng)能電池具有這些優(yōu)勢(shì)，但這類電池存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，那就是光電轉(zhuǎn)換效率低，離實(shí)際應(yīng)用所要求的效率(>15%)仍有一定距離。
[0003]共軛聚合物的溶解過(guò)程對(duì)光活性層的形貌具有重要的影響，而光活性層的形貌的優(yōu)劣直接影響太陽(yáng)能電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率?；诒緦＠纳暾?qǐng)范圍，這里只闡述溶液溶解處理方式提高電池器件性能的技術(shù)背景。
[0004]目前，基于通過(guò)溶液處理提高器件性能的手段主要有下面幾種方式。一是選擇適合共軛聚合物與溶解良好的溶劑，如P3HT: PCBM體系，選擇鄰二氯苯作為溶劑，制備的器件效率就要高于氯仿作為溶劑所制備的器件效率。二是以混合溶劑(按一定比例復(fù)配)溶解光活性層材料，如侯劍輝等(Adv.Mat., 2012，24，6335-6341)采用三元混合溶劑溶解roPP3T/PC71BM光伏材料，制成器件后效率可達(dá)6.71%，較一元、二元溶劑所制器件分別高出1.4和1.2倍。三是在溶劑中添加少量的添加劑，如J.Nelson等人(J.Polym.Sc1., PartB: Polym.Phys.2011，49: 717-724)在溶液中添加I，8-辛二硫醇后，可實(shí)現(xiàn)PCroTBT/PC70BM光活性層給體相結(jié)晶度的提高，并促進(jìn)給、受體連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，使得器件效率有所提高。四是在制備光活性層之前，迅速向溶液中加入適量的不良溶劑使聚合物快速地結(jié)晶析出，從而提高結(jié)晶聚合物在光活性層中的含量，進(jìn)而提高器件的效率。五是溶劑加溫溶解光活性材料，加溫可使聚合物在溶液中的形態(tài)更加伸展，成膜過(guò)程中利于其發(fā)生自組織，可有效提高器件效率。此外，還有溶液凍干法(揮發(fā))制備出多孔網(wǎng)絡(luò)狀形貌，一定程度上可以改善器件性能。
[0005]上述幾種溶液處理手段的核心思想均是通過(guò)提高聚合物在光活性層中的聚集有序度，改善給/受體的相分離程度，進(jìn)而提高電池器件的性能。每一種處理手段都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。這里，本申請(qǐng)也將延續(xù)這種思想，嘗試采用另外的新途徑改善聚合物在溶液中的構(gòu)型狀態(tài)，進(jìn)而影響聚合物在光活性層中的聚集狀態(tài)，改善有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了改善有機(jī)聚合物在溶液中伸展形態(tài)，為聚合物太陽(yáng)能電池效率的提高提供新的思路，即發(fā)明了多次溶解光活性層材料(含共軛聚合物材料與電子受體材料)。該方法不僅制作流程簡(jiǎn)單，且在同等制備條件下，多次溶解處理后的器件效率較單次溶解的器件效率要高。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)路線如下:(1)基體襯底的清洗:先將導(dǎo)電玻璃置于含有洗滌劑的自來(lái)水中超聲清洗15分鐘，再輕輕搓揉襯底的兩面，讓其表面充分的脫脂和去除灰塵等雜質(zhì)；之后再將導(dǎo)電玻璃置于去離子水中超聲清洗15分鐘(兩次)；然后分別將導(dǎo)電玻璃先后置于丙酮、無(wú)水乙醇、異丙醇溶液中超聲清洗15分鐘(各兩次)。將清洗干凈的片子置于干燥箱中備用。
[0008](2)溶液的配置:根據(jù)光活性層材料的性質(zhì)，確定溶劑與溶解次數(shù)，如P3HT: PCBM體系即可選用二次溶解，先采用氯仿等低沸點(diǎn)溶解P3HT:PCBM，待其充分溶解后，將溶液置于潔凈箱中靜置揮發(fā)處理。當(dāng)氯仿?lián)]發(fā)干凈后，可采用鄰二氯苯等高沸點(diǎn)溶劑再次溶解P3HT:PCBM，經(jīng)充分的溶解后可作為光活性薄膜的前驅(qū)液。
[0009](3)光活性層的制備:在上述(2)的基礎(chǔ)上制備光活性層，制備的工藝可以為旋凃法，刮涂法、噴墨打印法、噴霧法、紡絲法等。此外，為進(jìn)一步改善光活性膜的形貌，可以對(duì)薄膜進(jìn)行后處理，如溶劑蒸汽退火處理等。
[0010](4)功能層與電極的制備:在光活性層與電極間需插入一些功能性材料，以保證器件的性能，如Zn0、Mo03、PED0T:PSS、Ni0等，這些功能層可以采用旋涂法、真空蒸鍍法制備。器件的電極可采用真空蒸鍍法制備，如蒸鍍Ag電極。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ]圖1為本發(fā)明的過(guò)程示意圖。
[0012]圖2為實(shí)施例1二次溶解與傳統(tǒng)單次溶解所得的器件性能對(duì)比圖。
[0013]圖3為實(shí)施例2三次溶解與傳統(tǒng)單次溶解所得的器件性能對(duì)比圖。
[0014]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例一:
根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
，選取P3HT: PCBM光伏體系為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先用氯仿溶劑溶解P3HT:PCBMC質(zhì)量比1:1，濃度均為20 mg/ml)，在磁力攪拌8 h，然后敞開(kāi)溶解瓶，讓氯仿自然揮發(fā)干凈。之后再用鄰二氯苯溶解瓶中的光活性薄膜，在磁力攪拌12 h以上，以備制作正式光活性層薄膜的前驅(qū)液。
[0015]將ITO導(dǎo)電玻璃襯底清洗干凈后，在其表面旋凃ZnO功能層，然后采用噴涂法將前述所配制的溶液涂于ZnO的表面(用量20 ul，旋凃分兩步進(jìn)行:600 r/min，6 s和1200 r/min，20 S)。之后將所得光活性層薄膜自然晾干。晾干后在光活性薄膜的表面先后蒸鍍MoO3(3 nm)和Ag電極(30 nm)。最后，將這種處理方法(先氯仿溶，后鄰二氯苯溶解)與一步溶解法(鄰二氯苯溶解)所制的器件效率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者(短路電流為6.12 mA/cm2,開(kāi)路電壓為633 mV，填充因子為0.58，效率為2.26%)較后者短路電流為5.17 mA/cm2，開(kāi)路電壓為648 mV，填充因子為0.54，效率為1.83%)的效率提升了 23%的性能，測(cè)試結(jié)果如圖2所不O
實(shí)施例二:
根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
，選取PTB7: PC71BM光伏體系為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先用氯仿溶劑溶解PTB7:PC7iBM(質(zhì)量比1:1.5，ΡΤΒ7濃度均為10 11^/1111，？07出1濃度均為15 mg/ml)，在磁力攪拌8 h，然后敞開(kāi)溶解瓶，讓氯仿自然揮發(fā)干凈。再用二氯乙烷溶解瓶中的光活性薄膜，在磁力攪拌8 h以上。最后采用氯苯與1,8-二碘辛烷的混合溶劑(97%:3%)溶解PTB7:PC7iBM，以備制作正式光活性層薄膜的前驅(qū)液。
[0016]將ITO導(dǎo)電玻璃襯底清洗干凈后，在其表面旋凃ZnO功能層，然后采用旋涂法將前述所配制的溶液涂于ZnO的表面(用量20 ul，旋凃工藝:850 r/min，50 S)。之后將所得光活性層薄膜自然瞭干。瞭干后在光活性薄膜的表面先后蒸鍍Mo03(3 nm)和Ag電極(30 nm)。最后，將這種處理方法(先氯仿溶，再二氯乙烷溶解，后鄰氯苯混合溶劑)與一步溶解法(鄰氯苯混合溶劑)所制的器件效率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者(短路電流為16.85 mA/cm2，開(kāi)路電壓為725 mV，填充因子為0.58，效率為7.03%)較后者(短路電流為15.49 mA/cm2，開(kāi)路電壓為707 mV，填充因子為0.6，效率為6.55%)的效率提升了7%的性能，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
[0017]綜上所述，僅是本發(fā)明實(shí)施可行的制備方法而已，不能因此局限本發(fā)明的權(quán)利范圍，對(duì)熟悉本領(lǐng)域的研究人員或技術(shù)人員而言，凡運(yùn)用本發(fā)明的技術(shù)方案、技術(shù)構(gòu)思、制備條件做出其它各種相應(yīng)的改動(dòng)或變形，而所有這些改動(dòng)或變形都應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高有機(jī)聚合物光伏電池效率的方法，其特征在于，其步驟如下: 先后運(yùn)用不同溶劑對(duì)光活性層材料進(jìn)行溶解； 前驅(qū)液可用于不同的光活性層與電池器件制備。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，步驟(I)中的光活性層包括共軛聚合物材料和電子受體材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(I)中，不同溶劑對(duì)光活性層材料的溶解在兩次或兩次以上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中的光活性層制膜的方法是旋凃法、滴凃法、刮涂法、噴墨打印法、噴霧法、紡絲法中的一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中所述機(jī)聚合物光伏電池的結(jié)構(gòu)是正型太陽(yáng)能器件、反型太陽(yáng)能器件、疊層電池器件及三端電池器件中的一種。
【文檔編號(hào)】H01L51/48GK105870343SQ201610359335
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】胡榮, 程江, 閆興武, 柳紅東, 楊鑫, 李璐
【申請(qǐng)人】重慶文理學(xué)院