[发明专利]一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机聚合物太阳能电池领域，涉及以聚合物和富勒烯衍生物混合体系为基础的有机太阳能电池器件的制备，具体涉及一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池；溶剂添加剂的使用对提高电池性能是一种低成本，简洁有效的方法。

背景技术

在过去40年中有机太阳能电池的研究已经得到一些成果。尤其是在近十年中，关于有机太阳能电池转换效率的快速增加引起了科学领域和光伏产业的注意。虽然有机薄膜电池的效率与无机太阳能电池的水平差距还有点大，但是该器件廉价的生产(例如，使用卷对卷工艺)吸引我们一直对其进行研究。基于能源需求一直在不断的增加，太阳能作为一种清洁能源受到很大的重视。按所用半导体材料的形态，太阳能电池主要有两大类：晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池；就目前产业来看是以硅太阳能电池为主，晶体硅太阳能电池又分为：单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池；但是它们制作工艺复杂，而且成本偏高，不适合大面积应用。薄膜太阳能电池包括多晶硅薄膜太阳能能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，化合物薄膜太阳能电池(砷化镓，砷化镓硒，碲化镉，铜锌锡硫等)，染料敏化太阳能电池，聚合物太阳能电池等。太阳能电池的大面积应用是必要的趋势，在众多太阳能电池中聚合物太阳能电池是非常具有潜力的一种；聚合物太阳能电池是通过聚合物有机分子吸收光子实现光电转换的器件，有机太阳能电池的实验原理和无机太阳能电池的实验原理类似，都是基于光生伏特效应；主要过程是，在光照情况下，有机半导体分子吸收光子，然后形成电子-空穴对，然后电子-空穴对在活性层接触面分解为自由电子和空穴，自由电子和空穴被电极收集，形成电流；其实验原理图如图1所示。

虽然说在过去十年有机太阳能电池的效率在不断提高，但是依然有一些限制因素使其器件效率受到束缚，比如光的吸收效率低，以及较低的载流子迁移率等。在致力于提高有机太阳能电池的研究方向中，提升有机太阳能电池的途径有很多，比如改善电池结构，合成新型窄带隙聚合物给体材料，增加或者改良修饰层，以及改良制备工艺等。而向有源层添加微量的添加剂是一种方便简洁的方法，因为在制作器件过程中无需增添步骤，所以也吸引着很多科学家对此进行研究。目前，现有文献中公开有提到添加1,8-二碘辛烷(DIO)，尤其是在PTB7：PC₇₁BM体系中，使用(DIO)可以改善PTB7与PC₇₁BM两个材料的溶解与混合，优化有源层界面，从而提高电池效率。决定有机太阳能电池器件效率的三个主要参数是短路电流(Jsc)，开路电压(Voc)，填充因子(FF)；转换效率PCE＝V_OC×J_SC×FF/Pin，加入适当添加剂会提高FF和Jsc，从而使效率提升。但是现有的添加剂种类较少，对器件改良也不够；本发明就是通过引进新型溶剂添加剂，使聚合物太阳能电池的短路电流密度，开路电压，填充因子都有所提高，从而使电池效率得到了提升。添加助剂操作简便，无需增加其他能耗，对于光电转换效率的提升极具潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，通过在聚合物太阳能电池活性层混合溶液中添加溶剂添加剂，有效提高聚合物太阳能电池的性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池，由阳极电极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极从下往上依次重叠构成，其中，所述活性层混合材料溶液中添加有溶剂添加剂，所述溶剂添加剂为1-氯-4-戊基苯(分子式为C₁₁H₁₅Cl)或者1-溴-4-戊基苯(分子式为C₁₁H₁₅Br)；溶剂添加剂的添加量为：1-氯-4-戊基苯与溶剂比例为5:95，1-溴-4-戊基苯与溶剂比例为1:99。

本发明中，所述活性层由混合材料溶液涂覆于空穴传输层上制备得到，所述混合材料溶液中给体材料为聚(3-己基)噻吩(P3HT)、受体材料为富勒烯衍生物(PCBM)，采用的溶剂为邻二氯苯。

所述溶剂添加剂1-氯-4-戊基苯或1-溴-4-戊基苯，其特征在于结构通式如下(R＝Cl,Br)：

所述活性层的厚度为180-200nm。

本发明提供基于溶剂掺杂的聚合物太阳能电池的制备方法：包括以下步骤：

步骤1.配置活性层混合材料溶液：

a.配制混合溶剂：

混合溶剂为邻二氯苯中添加1-氯-4-戊基苯，邻二氯苯与1-氯-4-戊基苯的比例(体积比)为95:5；