[发明专利]一种聚噻吩－碳纳米管复合光敏性薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属有机/无机纳米复合材料技术领域，具体涉及一种聚噻吩-碳纳米管复合光敏性薄膜材料及其制备方法。

背景技术

随着现代工业的发展和化石能源的日趋耗尽，能源需求成为世界各国关注的焦点。开发各种新能源，研制质轻、价廉、物美的电源，成为科学家孜孜以求的目标。众所周知，太阳能是取之不尽的。但作为工业能源来说，太阳能有能量密度低的缺点，为了充分利用这一廉价、环保、可再生的新能源，生产廉价、高效、能大面积制备的太阳能光电池一直是人们所追求的目标。

目前，硅基及其他无机金属化合物太阳能光电池是太阳能电池的主流。然而尽管近年来生产成本已经大幅下降，但成本问题仍然是其大幅取代传统能源的主要障碍。由于无机太阳能电池生产工艺过程复杂，进一步大幅降低成本很困难，成本高以及能量转换效率的极限等问题，使其大规模推广受到限制。

利用光伏效应的太阳能电池作为能量转换器件正在进行以提高效率和降低成本为目标的研究，而共轭导电高分子材料的快速发展使得研究开发低成本太阳能电池成为可能。聚合物太阳能电池因为其成本低、重量轻、制备方便和具有分子可裁性，已经成为该领域的研究热点之一。

早期的聚合物薄膜太阳能电池材料主要集中在酞菁、苝等有机染料上，电池结构以单层Schottky-barrier式为主。Schottky-barrier电池的光电转换效率一直都不高，原因是入射光被位于电池夹层的金属电极大部分反射掉了。

1986年，Tang(C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.，1986，48(2)：183)首次采用具有双层结构的聚合物薄膜太阳能电池(ITO/CuPc/PV/Ag)，光电转换效率首次达到1％，填充因子也达到0.65。在这种双层结构聚合物薄膜太阳能电池中，电池的光伏性能是由两种聚合物的界面而非电极/聚合物材料的界面决定的。

相比Schottky-barrier电池来说，聚合物p-n异质结双层结构电池具有许多优点，对聚合物材料的合理选择可以制备出宽光谱响应范围的器件，各种各样的聚合物给体、受体材料使光生带电载流子的高产率成为可能。

1992年，Sariciftci等(Sariciftci N S，Heeger A J，Science，1992，258：1474)发现共轭聚合物与C₆₀之间的光诱导电子转移现象，当入射光的能量大于π-π*时，共轭聚合物产生光生激子，从激发态到电荷转移到C₆₀上发生为皮妙级。C₆₀使共轭聚合物的光致发光被淬灭，这使C₆₀应用于光传感器和太阳能电池成为可能。自此，共轭聚合物光电转换器件得到了学术界的重视。

俞钢(Yu G，Heeger A J，Appl Phys Lett，1994，64(25)：3422-3423)将C₆₀与MEH-PPV混合，制成MEH-PPV/C₆₀共混膜结构太阳能电池，能量转换效率比双层器件大幅提高。由于电子给体与电子受体相各自形成网络状连续相，光诱导所产生的电子与空穴可分别在各自的相中输送并形成网络状连续相，光诱导所产生的电子与空穴可分别在各自的相中输送并在相应的电极上被收集，光生载流子在到达相应的电极前被重新复合的概率大为降低，所以，光量子效率达到纯MEH-PPV的1000到10000倍。然而由于C₆₀有限的可溶性及较易结晶性，MEH-PPV/C₆₀共混薄膜的性能不易优化。以可溶性较高的C₆₀衍生物PCBM取代共混结构中的C₆₀，光电能量转换效率可明显提高。对MEH-PPV/PCBM体系，可获得3％的能量转换效率。

1998年，Granstrom等(M.Granstrom，K.Petritsch，A.C.Arias，at al.，Nature，1998，395：257)用规整的正辛基苯基取代聚噻吩衍生物(POPT)作为电子给体材料，用蓝色氰基取代聚苯基亚乙烯基(MEH-CN-PPV)代替C₆₀作为电子受体制备了光电池。发现共混单层器件外量子效率仅0.05％，仅相当于MEH-CN-PPV单层器件效率。估计是由于POPT的热处理或溶剂处理使单层共混MEH-CN-PPV/POPT器件相分离状况变差了。