[发明专利]一种聚合物太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物太阳能电池的制备方法，具体涉及一种通过免退火方式制备基于聚噻吩/富勒烯及其衍生物共混薄膜的聚合物太阳能电池的方法。

背景技术

聚合物太阳能电池由于其廉价、柔性、大面积等优点成为近年来清洁、可再生能源研究领域的一个热点。在基于可溶性聚噻吩(P3HT)/富勒烯及其衍生物共混薄膜的聚合物太阳能电池中，构建高结晶性的聚噻吩往往能使电池的效率有大幅度的提高(Advanced FunctionalMaterials 2003，13，85；Nature Materials 2005，4，864)。传统上，往往采用后退火处理的方法来提高器件中聚噻吩的结晶度。但这种方法容易导致薄膜中共混组分之间产生大尺度(微米级以上)的相分离，不利于器件性能的提高。另外，较高温度下(＞100℃)热退火时，存在聚噻吩氧化、降解的风险，可能使得电池失效。在基于非晶共轭聚合物/富勒烯的聚合物太阳能电池中，利用混合溶剂的方法调控共混薄膜的形貌可以大幅提高电池的效率(Nature Materials 2007，6，497)。由于P3HT的可结晶性，通过混合溶剂调控其在共混薄膜中的结晶性能比较复杂和困难，故利用混合溶剂的方法来提高P3HT/富勒烯及其衍生物聚合物太阳能电池器件效率的例子尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物太阳能电池的制备方法。通过在溶液中构建有序聚集体来提高聚(3-己基)噻吩(P3HT)在与C₆₀及其衍生物[6，6]-C₆₁-苯基丁酸甲酯(PCBM)共混薄膜中的结晶度。

本方法所制备的聚合物太阳能电池用P3HT/PCBM和P3HT/C₆₀共混薄膜无需通过后热退火处理或者溶剂退火处理即实现了高P3HT结晶度，所形成的P3HT晶须均匀分散在薄膜中并与PCBM或者C₆₀形成互穿网络结构，复合材料相分离尺度在纳米级，在白光照射下其光电转换效率与热退火条件下所得器件的转换效率相当。因而该方法“一步”实现了高性能“免退火”的太阳能电池器件，大大简化了聚合物太阳能电池的加工工序，并且消除了器件中其它组分氧化、降解的风险。

一种聚合物太阳能电池的制备方法的步骤与条件如下：

室温下，将P3HT在搅拌条件下溶于良溶剂邻二氯苯(ODCB)、三氯甲烷(CF)或氯苯(CB)中，优选邻二氯苯(ODCB)溶剂，配成5～10毫克/毫升的溶液；然后往上述所得的溶液中分5-15次缓慢滴加不良溶剂，每次不良溶剂的加入量与良溶剂的体积比为0.02∶1-0.1∶1，不良溶剂为正己烷、环己烷、酒精或者丙酮，不良溶剂的添加总量为0.2～1毫升不良溶剂/毫升良溶剂，每次滴加完不良溶剂以后让溶液在100～500rpm搅拌速度下，搅拌10-60分钟，以便使溶液中的P3HT达到溶解平衡，当加完最后一次不良溶剂以后，让溶液在100～500rpm的搅拌速度下于黑暗处进行6-24小时，再往溶液中加入相当于质量为0.5～2倍溶液中所溶P3HT量的C₆₀或其衍生物PCBM，并在200～1000rpm的搅拌速度下搅拌2-16小时，配成P3HT∶PCBM或P3HT∶C₆₀质量比为1∶2～2∶1的混合溶液，最后将所得溶液用旋转甩膜机进行旋涂制膜，蒸镀电极后得到一种聚合物太阳能电池。

如图1b所示，本发明所制备得到的P3HT/PCBM共混薄膜中长达几微米的P3HT晶须均匀分布在整个薄膜中，与图1a从ODCB溶液中得到的P3HT的短棒状晶体形成鲜明的对照。其次，通过对比插入在图片中的归属于P3HT(020)晶面的外环电子衍射强度，可以得出结论：通过本发明所介绍的方法制备的P3HT/PCBM共混薄膜中P3HT的结晶度要比以单纯ODCB作为溶剂所制得的共混薄膜中的要高得多。再次，图1b中的相分离尺度在纳米数量级，P3HT所形成的微米级长度的晶须与PCBM基质构筑成互穿网络，这为激子的分离提供了巨大的界面，并为载流子的传输提供了连续路径，减少了传输过程中载流子的损失，有利于提高太阳能电池的效率。