一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，所述制備方法為給體材料與受體材料溶解在有機溶劑中制備成活性層溶液，然后將活性層溶液通過旋涂在襯底材料上制備活性層薄膜，旋涂分三次，最后將帶有活性層薄膜的襯底材料退火，放置在密封容器中避光儲存。本發明采用連續三次調節旋涂機轉速時間的方法：低速短時間制備薄膜一，中速長時間制備薄膜二，高速長時間制備薄膜三，不但能夠克服因襯底表面的不均勻造成的活性層薄膜不均勻，提高活性層與襯底的附著力，而且能夠保證聚合物電池所需活性層厚度，確保有效的光吸收。避免了單次旋涂活性層薄膜容易出現的散射狀分布、與襯底之間附著力差的問題。
【專利說明】
一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及屬于新能源中的太陽能電池技術領域，特別是一種提高活性層與襯底附著力，活性層薄膜均勻的適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法。
【背景技術】
[0002]當今社會，經濟的迅猛發展帶來了諸如能源危機和全球變暖等嚴峻問題，可再生清潔能源的發展與利用已經受到全世界的廣泛關注。區別于煤、石油、天然氣等傳統能源，太陽能時一種綠色、清潔、可再生能源，取之不盡用之不竭，有潛力成為供給中的重要組成部分。太陽能電池作為一種光電轉換器件，其研究與應用已經受到越來越多的重視。與成本高昂的硅基太陽能電池相比，聚合物太陽能電池采用有機半導體材料作為光活性層，具有成本低廉、光吸收系數高、質地輕，柔韌性好，制造工藝簡單等特點。由于有機材料中載流子擴散長度短，活性層較薄，對入射光的吸收并不充分。在有限的吸收層厚度下實現對光譜的充分吸收成為提高有機電池效率需要迫切解決的問題。在有機聚合物電池當中引入陷光結構，通過對入射光的反射、折射、散射以及光場強度分布的有效調制，可實現活性層對光的充分吸收，提升電池的能量轉換效率。
[0003]具有陷光結構的襯底，表面具備一定的粗糙度。在此基礎上沉積活性層薄膜，實際制備過程中存在難以涂勻，與襯底之間附著力差，易出現散射狀紋樣，易出現孔洞氣泡等一系列問題。活性層與襯底接觸質量差，不僅造成載流子復合，而且會形成漏電通道，使得有機太陽能電池效率難以提升。太陽能電池中活性層是光吸收最關鍵最重要的部分，活性層的制備技術直接影響到電池性能。因此，制備過程中首先保證活性層具備一定的厚度，其次需要活性層與襯底完美附著，緊密接觸，不留空隙。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于是為了解決現有有機聚合物電池中活性層在粗糙襯底表面制備時，易出現的涂膜分布不均，與襯底之間接觸質量差的缺陷而提供一種提高活性層與襯底附著力，活性層薄膜均勻的適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，所述制備方法為給體材料與受體材料溶解在有機溶劑中制備成活性層溶液，然后將活性層溶液通過旋涂在襯底材料上制備活性層薄膜，旋涂分三次，最后將帶有活性層薄膜的襯底材料退火，放置在密封容器中避光儲存。在本技術方案中，采用連續三次調節旋涂機轉速時間的方法:低速短時間制備薄膜一，中速長時間制備薄膜二，高速長時間制備薄膜三，不但能夠克服因襯底表面的不均勻造成的活性層薄膜不均勻，提高活性層與襯底的附著力，而且能夠保證聚合物電池所需活性層厚度，確保有效的光吸收。避免了單次旋涂活性層薄膜容易出現的散射狀分布、與襯底之間附著力差的問題。
[0006]作為優選，所述給體材料為聚對苯撐乙烯(PPV)衍生物、聚噻吩(PT)類衍生物或PTB7;所述受體材料為富勒烯C60或富勒烯C60衍生物。在本技術方案中，聚對苯撐乙烯(PPV)衍生物，如MDMO-PPV和MEH-PPV ；聚噻吩(PT)類衍生物，如己基取代聚噻吩(Po I y (3-hexylthiphene)，P3HT ；噻吩并噻吩基苯并二噻吩類聚合物，如PTB7等；
受體材料:富勒烯 C60 及其衍生物，如 C60，PCBM([6，6]-phenyl C61butyric acidmethyl ester)，PC61BM，PC71BM等。
[0007]作為優選，給體材料與受體材料的質量比為1:0.7-0.9。
[0008]作為優選，給體材料與受體材料與有機溶劑的固液比為20-22.6mg:lmL。
[0009]作為優選，制備活性層溶液的溫度為45_55°C，反應時間8_14h。
[0010]作為優選，退火為室溫常壓下退火時間2-4h。
[0011]作為優選，在活性層溶液通過旋涂在襯底材料上之前先在襯底材料上旋涂助劑溶液形成助劑膜，所述助劑溶液是將200mg的乙酰丙酮銥與50mg的石墨稀粉末懸浮于20mL濃度30的％的氨水中，經過1min的超聲振動后-10°C冷凍12h得到的；旋涂轉速為4500rpm，時間50s，厚度為15nm。
[0012]作為優選，第一次旋涂轉速為200-500rpm，旋涂時間為3-10s;第二次旋涂轉速為500-1 OOOrpm，旋涂時間為10_30s ；第三次旋涂轉速為800-1200rpm，旋涂時間為20_40s。
[0013]—種采用以上所述的活性層制得的聚合物太陽能電池。
[0014]本發明的有益效果是本發明采用連續三次調節旋涂機轉速時間的方法:低速短時間制備薄膜一，中速長時間制備薄膜二，高速長時間制備薄膜三，不但能夠克服因襯底表面的不均勻造成的活性層薄膜不均勻，提高活性層與襯底的附著力，而且能夠保證聚合物電池所需活性層厚度，確保有效的光吸收。避免了單次旋涂活性層薄膜容易出現的散射狀分布、與襯底之間附著力差的問題。
【附圖說明】
[0015]圖1為實施例1制備的聚合物太陽電池結構示意圖。
[0016]圖中，1.Ag電極;2.MoO3薄膜；3.活性層P3HT: PCBM； 4.ZnO薄膜；5.FTO陷光電極;6.玻璃載體。
[0017]圖2為聚合物太陽電池在AM1.5G(lmW/cm2)太陽光模擬器照射下的電流-電壓特性曲線。
【具體實施方式】
[0018]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0019]圖1為實施例1制備的聚合物太陽電池結構示意圖。
[0020]圖中，1.Ag電極;2.MoO3薄膜;3.活性層P3HT: PCBM ； 4.ZnO薄膜;5.FTO陷光電極;6.玻璃載體。
[0021]實施例1
稱取？3抓與？081，將？3!11'和？081，質量比為1:0.8 —同溶解在111^氯苯溶液中，包含P3HT: 12mg/mL; PCBM: 9.6mg/mL，密封后放置在磁力加熱攪拌器上，攪拌器溫度設定50 °C，攪拌時間12h，攪拌后置于干燥陰涼避光處。
[0022]將活性層溶液滴涂在絨面襯底上，調節勻膠機轉速為300rpm旋涂時間為6s;旋涂完畢后，第二次滴涂活性層溶液，調節勻膠機轉速為800rpm旋涂時間為30s ;第三次滴涂活性層溶液，調節勻膠機轉速為100rpm旋涂時間為20s;活性層制備完畢。將活性層薄膜樣品放置帶蓋密封器皿中，避光陰涼處放置，進行4小時溶劑退火。
[0023]將樣品移入電阻蒸發鍍膜儀，在4*10—4Pa條件下蒸鍍MoO3空穴傳輸層10nm，InmAg電極，聚合物電池制備完成。該電池器件的能量轉換效率達3.92%(Jsc = ll.24mA/cm2，V。。=
0.55V,FF = 63.5%)o
[0024]實施例2
稱取?了87與？06181，將?了87與？06181，質量比為1:0.7—同溶解在111^氯苯溶液中，包含PTB7:12mg/mL;PC61BM: 8mg/mL，密封后放置在磁力加熱攪拌器上，攪拌器溫度設定45°C，攪拌時間8h，攪拌后置于干燥陰涼避光處。
[0025]將活性層溶液滴涂在絨面襯底上，調節勻膠機轉速為200rpm旋涂時間為3s;旋涂完畢后，第二次滴涂活性層溶液，調節勻膠機轉速為500rpm旋涂時間為1s ;第三次滴涂活性層溶液，調節勻膠機轉速為SOOrpm旋涂時間為30s;活性層制備完畢。將活性層薄膜樣品放置帶蓋密封器皿中，避光陰涼處放置，進行4小時溶劑退火。
[0026]將樣品移入電阻蒸發鍍膜儀，在4*10—4Pa條件下蒸鍍MoO3空穴傳輸層10nm，InmAg電極，聚合物電池制備完成。該電池器件的能量轉換效率達3.92%(Jsc = ll.24mA/cm2，V。。=
0.55V,FF = 63.5%)o
[0027]實施例3
稱取P3HT與PC7IBM，將P3HT與PC7IBM，質量比為1:0.9—同溶解在ImL氯苯溶液中，包含PTB7:12.6mg/mL;PC61BM: 10mg/mL，密封后放置在磁力加熱攪拌器上，攪拌器溫度設定600C，攪拌時間14h，攪拌后置于干燥陰涼避光處。
[0028]在活性層溶液通過旋涂在襯底材料上之前先在襯底材料上旋涂助劑溶液形成助劑膜，所述助劑溶液是將200mg的乙酰丙酮銥與50mg的石墨稀粉末懸浮于20mL濃度30wt%的氨水中，經過1min的超聲振動后-10°C冷凍12h得到的;旋涂轉速為4500rpm，時間50s，厚度為15nm;然后旋涂活性層溶液，第一次旋涂調節勻膠機轉速為500rpm旋涂時間為1s;旋涂完畢后，第二次滴涂活性層溶液，調節勻膠機轉速為100rpm旋涂時間為20s;第三次滴涂活性層溶液，調節勻膠機轉速為1200rpm旋涂時間為40s;活性層制備完畢。將活性層薄膜樣品放置帶蓋密封器皿中，避光陰涼處放置，進行4小時溶劑退火。
[0029]將樣品移入電阻蒸發鍍膜儀，在4*10—4Pa條件下蒸鍍MoO3空穴傳輸層10nm，InmAg電極，聚合物電池制備完成。該電池器件的能量轉換效率達3.92%(Jsc = ll.24mA/cm2，V。。=
0.55V,FF = 63.5%)o
[0030]參照圖2，電池器件一:采用一次旋涂方法制備活性層的原始器件；電池器件二:使用本發明制備活性層的電池器件。可見，由本發明制備的聚合物太陽電池的短路電流密度、填充因子、開路電壓均明顯高于原始器件。
[0031 ]本發明的有益結果是:針對粗糙不平的絨面陷光襯底，采用連續三次調節旋涂機轉速時間的方法:低速短時間制備薄膜一，中速長時間制備薄膜二，高速長時間制備薄膜三，不但能夠克服因襯底表面的不均勻造成的活性層薄膜不均勻，提高活性層與襯底的附著力，避免了單次旋涂活性層薄膜容易出現的散射狀分布、與襯底之間附著力差的問題，而且能夠保證聚合物電池所需活性層厚度，確保有效的光吸收。通過本發明方法制備活性層，極大的減低載流子復合機率，優化了器件中載流子的輸運效率。能夠明顯提高短路電流密度、填充因子以及電池的能量轉換效率。
[0032]以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，并非對本發明作任何形式上的限制，在不超出權利要求所記載的技術方案的前提下還有其它的變體及改型。
【主權項】
1.一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，所述制備方法為給體材料與受體材料溶解在有機溶劑中制備成活性層溶液，然后將活性層溶液通過旋涂在襯底材料上制備活性層薄膜，旋涂分三次，最后將帶有活性層薄膜的襯底材料退火，放置在密封容器中避光儲存。2.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，所述給體材料為聚對苯撐乙烯(PPV)衍生物、聚噻吩(PT)類衍生物或PTB7;所述受體材料為富勒烯C60或富勒烯C60衍生物。3.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，給體材料與受體材料的質量比為1: 0.7-0.9。4.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，給體材料與受體材料與有機溶劑的固液比為20-22.6mg: ImL05.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，制備活性層溶液的溫度為45-55°C，反應時間8-14h。6.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，退火為室溫常壓下退火時間2-4h。7.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，在活性層溶液通過旋涂在襯底材料上之前先在襯底材料上旋涂助劑溶液形成助劑膜，所述助劑溶液是將200mg的乙酰丙酮銥與50mg的石墨稀粉末懸浮于20mL濃度3(^1:%的氨水中，經過1min的超聲振動后-10°C冷凍12h得到的；旋涂轉速為4500rpm，時間50s，厚度為15nm。8.根據權利要求1所述的一種適用于聚合物太陽能電池的活性層制備方法，其特征在于，第一次旋涂轉速為200-500rpm，旋涂時間為3-10s;第二次旋涂轉速為500-1000rpm，旋涂時間為10-30s ；第三次旋涂轉速為800-1200rpm，旋涂時間為20_40s。9.一種采用權利要求1-8所述的活性層制得的聚合物太陽能電池。
【文檔編號】H01L51/44GK105895805SQ201610303653
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】余璇, 于曉明, 陳立橋, 潘洪軍
【申請人】浙江海洋大學