[發明專利]納米結構的全聚合物太陽電池及其制備方法

在審

• 申請號: 201310204719.2
• 申請日: 2013-05-28
• 公開（公告）號: CN104183703A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 張堅;李燦;于為
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種采用納米結構聚合物作為光敏層材料，形成兩相分離在納米量級的體相異質結全聚合物太陽電池器件，具體涉及全聚合物太陽電池光敏層的納米形貌控制。

背景技術

有機太陽電池以其制作工藝簡單、柔性、低廉和可以通過卷對卷、噴墨打印等方法實現大面積生產等優勢而備受關注。在基于聚合物的有機太陽電池中，以p型聚合物作為給體，小分子富勒烯衍生物作為受體材料的體相異質結器件是目前有機太陽電池中器件效率發展比較快的。另一方面，以n型聚合物作為受體材料與p型聚合物共混形成的全聚合物體相異質結太陽電池也越來越受到人們的關注。

以n型聚合物作為受體材料的全聚合物電池相比以富勒烯衍生物作為受體材料的器件有很多的優勢。富勒烯衍生物的光吸收在可見光區非常有限，優異的器件性能要求富勒烯衍生物具有很高的化學純度。而n型的半導體聚合物可以通過多種方式化學合成，并可精確控制半導體聚合物的光學和電學特性。因此n型聚合物的光吸收更有效，并可以通過對n型聚合物的能帶進行微調實現與給體p型聚合物的能級匹配的同時使得在整個太陽光譜中的光子捕獲最多。對聚合物能級的調變可以使全聚合物太陽電池器件的開壓最大化，使得器件開壓相對較高。但是目前全聚合物電池的功率轉換效率并不高，極少數可以達到2%以上，主要的限制因素是有限的受體聚合物的發現和全聚合物體相光敏層形貌的影響。

控制納米層次上的形貌結構是提高有機太陽電池效率的有效辦法。有機太陽電池中混合體相結構中的激子的分離和電荷的傳輸兩個競爭的過程與體相結構的形貌相關聯。給體/受體界面面積越大越有利于光致激子的分離，但是過大的界面面積會產生不連續的相分離區域不利于分離后產生的電子和空穴向電極的傳輸，因為激子的擴散長度只有十幾個納米。因此理想的光敏層形貌要求兩相分離區域在幾十納米左右，既可以提供較大的界面面積又有利于電荷的傳輸。傳統的熱退火和溶劑退火等后處理可以改善混合物薄膜中聚合物的結晶度，提高電池的光電轉換性能。但是這種方法容易使薄膜中共混組分之間產生大尺度的相分離（微米級以上），較高的退火溫度下，一些聚合物有氧化、降解的風險，可能使電池失效，對于一些柔性基底和產業化也是不利的。

研究發現溶液中預先合成聚合物納米線可以提高聚合物的結晶度（Nature?Materials2007,6,497），使共混形成的薄膜有互穿網絡的納米結構形貌，可以改善電池的光電轉換性能。共軛聚合物可以通過混合溶劑法、在邊際溶劑中冷卻、單粒子納米制備技術等方法制備納米線、納米顆粒等納米結構。聚合物形成納米結構可以提高薄膜的結晶度，增加薄膜的光吸收，改善混合物薄膜的形貌，提高器件性能。聚合物納米結構應用于聚合物/小分子器件中改善光敏層形貌已經有很多研究了，如用混合溶劑法形成的P3AT納米線再與富勒烯衍生物共混的P3AT/PCBM聚合物/小分子體相異質結太陽電池的性能與無納米線的P3AT/PCBM器件通過退火工藝的性能相當（J.Mater.Chem.,2008,18,1984）。聚合物納米結構應用于全聚合物太陽電池的報道很少，僅有用邊際溶劑法（對二甲苯單溶劑）制備的P3HT納米線應用于P3HT/F8BT器件（J.Phys.Chem.C2010,114,9459）的報道，但報道的P3HT/F8BT全聚合物電池的光電轉換效率僅0.055%。

綜上所述，在現有的文獻或專利中，應用混合溶劑的辦法把共軛聚合物制成納米結構后應用于全聚合物太陽電池中構筑納米結構太陽電池的研究仍是空白。本發明利用在混合溶劑中合成聚合物納米線后再與另一種聚合物共混形成網絡互穿的具有納米結構特征形貌的全聚合物太陽電池，改善了全聚合物太陽電池的形貌結構，從而提高了全聚合物太陽電池的光電流和填充因子，進而提高全聚合物太陽電池的光電轉換效率。應用本發明得到的器件效率是同類材料中領先的，方法簡單，成本低，易于產業化。

發明內容

本發明是在混合溶劑中合成聚合物納米線（納米顆粒、納米棒或納米柱）后與另一種聚合物共混形成納米結構的全聚合物太陽電池。

納米結構的全聚合物太陽電池，包括層狀相互疊合的陽極與陰極，以及在陽極與陰極之間的一光敏層，在該陽極和光敏層之間設置中間層，在所述的陰極和所述光敏層之間設置陰極中間層，所述光敏層為納米結構的全聚合物薄膜。

所述光敏層由給體聚合物材料和受體聚合物材料組成，給體聚合物與受體聚合物的質量比為1:10-10:1。

所述全聚合物光敏層薄膜的給體聚合物材料和受體聚合物材料中至少有一種形成了納米結構，納米結構的含量為10%-100%。