[发明专利]一种新型互渗式聚合物太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种通过溶剂渗透方式制备基于共轭聚合物/富勒烯衍生物太阳能电池的方法。

背景技术

近年来，有机聚合物太阳能电池以其价格低廉、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等优点，成为可再生能源领域研究的热点。1986年C.W.Tang首次设计并制备了以酞青铜为给体层，以苝衍生物为受体层的双层有机太阳能电池，其能量转换效率达到1％。在双层有机太阳能电池中，虽然载流子可以在各自的主体中有效传输，但激子分离只发生在有限的给受体界面，因此太阳能转换效率相对较低。1995年俞钢等人把作为电子给体的共轭聚合物MEH-PPV和作为电子受体的C60共溶于同一个溶剂中，通过旋涂方法，制备了给体和受体相互混合并形成互穿网络结构的共混膜，即所谓体异质结的有机太阳能电池。这种体异质结大幅度增加了给受体的界面，有效地实现了激子分离并产生自由载流子。但在实际成膜过程中，给受体并不能形成完全的互穿网络结构，而是形成非连续的网络状的体相，而且给受体两相容易在薄膜表面同时出现，因而导致活性层中给体相直接与阴极接触，增加了自由载流子复合几率，降低了载流子的收集效率，进而降低电池的效率。因此，为了增加给受体界面，提高激子分离效率，同时又利于自由载流子的传输和收集，我们结合双层异质结太阳能电池载流子传输和收集以及体异质结太阳能电池的激子分离效率高等优点，利用溶剂溶蚀法设计了具有相互渗透的双层异质结结构的有机太阳能电池，即互渗式异质结太阳能电池，为制备高性能聚合物富勒烯太阳能电池提供一个简便方法。目前，采用溶液法制备互渗式结构的共轭聚合物富勒烯衍生物太阳能电池的方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型聚合物太阳能电池的制备方法，其是利用溶剂溶蚀的方法，制备具有相互渗透的双层异质结结构的太阳能电池。其中给体层为共轭聚合物，如聚3己烷噻吩(P3HT)、聚(2-甲氧基-5-(2′-乙基己氧基)-1，4-对苯乙炔)(MEH-PPV)、聚[2-甲氧基-5(3’，7’-二甲基辛氧基)-1，4-对苯乙炔](MDMO-PPV)等，受体层为富勒烯衍生物[6.6]-C61-苯基丁酸甲酯(PCBM)。

为了有效地增加给受体之间的接触界面，保证激子分离效率的同时又能提高载流子的传输和收集效率，我们结合双层异质结太阳能电池利于载流子传输以及体异质结太阳能电池利于激子分离的优点，通过溶剂相互渗透作用，设计了互渗式有机聚合物太阳能电池。通过给受体层互相渗透，保证给受体具有足够多的接触界面，同时在互渗层与电极之间存在各自的主体层，这样既能保证光生激子有效地分离，又能使分离的自由载流子在各自的主体中传输，因而可以提高载流子的传输效率以及收集效率，进而提高太阳能电池的能量转换效率。

本方法制备的太阳能电池以共轭聚合物和富勒烯衍生物PCBM作为给体和受体材料，并利用溶剂渗透方法即可在给受体界面实现互渗网络结构，无需任何后续处理。在白光照射下其光电转换效率较双层太阳能电池有较大提高，且较体异质结太阳能电池的效率有所提高。因而采用该方法较容易制备高性能太阳能电池，简化了聚合物太阳能电池的制备过程，更避免利用热退火处理或溶剂退火处理等方式给太阳能电池带来的影响，消除了器件在后处理中易氧化、降解的风险。

本发明所述的聚合物太阳能电池的制备方法如下：

A：室温条件下，将共轭聚合物溶于其良溶剂中，如邻二氯苯(ODCB)、氯苯(CB)、氯仿(CF)或四氢呋喃(THF)在200～1200RPM的搅拌速度下搅拌6～10小时，以保证共轭聚合物充分溶解，配制成5～20毫克/毫升的溶液；

B：将PCBM溶于其良溶剂，同时该溶剂也是共轭聚合物的良溶剂中，如氯仿(CF)、氯苯(CB)、四氢呋喃(THF)或它们的混合溶剂(如氯仿和氯苯的混合溶剂、氯苯和四氢呋喃的混合溶剂等)，配制成5～20毫克/毫升溶液；

C：将共轭聚合物溶液以700～2000rpm的转速旋涂到已清洁处理的ITO导电玻璃上，得到100～200nm厚的聚合物薄膜，待溶剂完全挥发后，再将PCBM溶液以2000～4000rpm的转速旋涂在共轭聚合物薄膜上，通过溶剂作用使PCBM分子渗透到共轭聚合物给体层当中，最终形成具有共轭聚合物与PCBM互渗结构的、厚度为80～150nm的活性层；

D：待溶剂完全挥发后，在PCBM上蒸镀一层电极，即得到互渗式聚合物太阳能电池。

除ITO导电玻璃，还可以采用FTO导电玻璃；在PCBM上蒸镀的电极可以采用Mg/Ag、Ca/Al或LiF/Al电极等。