[發明專利]一種聚合物太陽能電池的光活性層處理方法及其電池的制備方法

在審

• 申請號: 201410121477.5
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN103887434A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 孫景陽;胡子陽;諸躍進;黃利克;張科;章艇;賀洪云
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: H01L51/48
• 分類號: H01L51/48
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛

技術領域

本發明涉及聚合物太陽能電池領域，特別是一種聚合物太陽能電池的光活性層處理方法及其電池的制備方法。

背景技術

聚合物太陽能電池由于成本低、工藝簡單、與柔性襯底相兼容等獨特優勢而倍受青睞。隨著新型高效聚合物給、受體材料的不斷合成、器件結構的不斷優化以及對聚合物太陽電池機理研究的日益深入，聚合物太陽電池的器件性能有了大幅的提高，也最有望率先實現商業化。為了便于激子的擴散與分離，以及載流子的傳輸，目前高效聚合物太陽電池多采用體相異質結結構，即活性層由給體和受體物理共混而成。太陽電池的性能很大程度上依賴于活性層形態、形貌的優化。影響活性層形貌的因素主要包括給受體材料本身的性質、結晶性、分子結構等。研究表明電池的性能與活性層的形貌和電池的界面接觸密切相關，活性層的好壞決定著載流子的產生和傳輸，而界面接觸則影響載流子的收集。優化活性層的形貌使給體與受體之間的界面接觸面積增加，形成良好的兩相連續的給、受體載流子通道，提高電子給體的結晶度和有序度從而提高空穴載流子的遷移率都能使電池的整體性能大幅提高。

目前基于可溶性聚噻吩（P₃HT）和富勒烯衍生物共混的活性層體系通過加熱退火和溶劑退火兩種處理手段提高電池的性能。對于采用玻璃態轉變溫度較高的半晶性材料為活性層的聚合物太陽電池，通常需要進行熱退火處理使活性層由無序態轉變為具有一定的晶相結構，提高聚合物排列的有序性和結晶度，提高載流子的遷移率，最終提高器件的性能。所以加熱退火處理成為提高體相異質結器件性能的常用手段。雖然熱退火能改善電池的性能，但加熱退火有如下不足。第一：如果有機半導體的玻璃轉化溫度較高，退火溫度過高不易于與柔性襯底兼容。第二：由于有機半導體材料對溫度很敏感，使得有機電池的最佳熱退火工藝條件的窗口很小，熱退火的溫度和時間難以控制。第三：為了防止空氣中的水和氧與有機活性層發生反應，熱退火必須在有保護氣體環境中進行。溶劑退火是將共混的薄膜置于溶劑自然揮發形成的氣氛中一段時間進行退火，需要在保護氣體氛圍下進行，并且制備的時間很長。然而在實際的實驗環境中，維持無水氧的保護氣體是很困難的，特別是需要在整個器件的全過程制備流程中維持無水氧的環境。在保護氣體中制備有機電池必然會使制造成本增加，這與有機電池低成本制備的初衷是相違背的。

而溶劑退火是將共混的薄膜置于良溶劑和不良溶劑氣氛中進行退火。良溶劑退火即采用P₃HT的良溶劑，比如氯苯、二氯苯、二硫化碳等進行退火，但處理過程中溶劑的蒸汽濃度的變化對電池的性能影響很大，整個過程不易控制，操作難度大。不良溶劑退火即采用P₃HT的不良溶劑，比如苯甲醚、甲苯、正庚烷等進行氣氛退火，這種方法處理的時間很長，耗時半個小時到幾個小時不等。因此現有的光活性層處理無論是熱退火還是溶劑退火都存在各種各樣的問題和不足。需要研發出一種簡單易操作、低成本、安全穩定的光活性層處理方法，最終獲得高效聚合物太陽能電池的制備。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種聚合物太陽能電池的光活性層處理方法，具有處理過程簡單易操作、低成本、安全穩定的特點。

本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種基于光活性層處理后聚合物太陽能電池的制備方法，以可溶性聚噻吩（P₃HT）和受體材料共混體系作為活性層，制備工藝簡便安全，在室溫下空氣中即可實現，通過室溫、旋涂成膜的轉速和時間三者的調節，獲得了比常規加熱退火工藝更高性能的聚合物太陽電池。

本發明解決上述第一個技術問題所采用的技術方案為：一種聚合物太陽能電池的光活性層處理方法，其特征在于在空氣中室溫條件下進行，步驟為：

a、溶液配制：按質量配比1:4～2:1稱取聚噻吩給體材料和受體材料溶于有機溶劑中配制成質量濃度為5～30mg/ml的溶液，然后超聲攪拌均勻形成混合溶劑；

b、光活性層制備：用吸管吸取配制好的混合溶劑涂滿在沉積好修飾層的導電透明基片上，采用旋涂法進行制備，調節室溫，以及旋涂的轉速和時間，控制溶劑的揮發速度，形成未固化的薄膜，其中室溫為10～40℃，轉速為100～10000rpm，旋涂時間為5～60s，

c、未固化的薄膜中有機溶劑繼續揮發，自然干燥形成固態的厚度為50～300nm的光活性層薄膜。