一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池的制备方法

专利名称：一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池的制备方法
技术领域：
本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，具体为一种基于窄带隙共 轭聚合物的薄膜太阳能电池的制备方法。
背景技术：
聚合物薄膜太阳能电池具有轻质、柔性、成本低廉、工艺简单、 易于大面积加工、安装方便等诸多优点，因而具有非常广泛的应用前 景。然而，目前共轭聚合物薄膜太阳能电池的能量转换效率比较低， 不能满足商业化的要求。限制聚合物太阳能电池效率的一个重要因素 就是吸光材料的带隙宽，吸收光谱与太阳光谱不匹配，从而造成了能 量的损失。
新型窄带隙共轭聚合物聚[2， 6-(4， 4-二-(2-乙基己基)-环戊二 烯并二噻吩-4，7-苯并噻二唑]的电化学带隙为1.75电子伏特 (^Jra/7ce^ J/az^r/aA, ，0《7《iW份-iW砂)，光学带隙为1. 46电 子伏特C4oV朋ceJ /^/ c"o/7a7 i/ater^h, iW 7, 《J^-M《)，能 够充分吸收太阳光，提高太阳光的利用效率。PCPDTBT已经成为共轭 聚合物薄膜太阳能电池领域中极具潜力的光吸收和电子给体材料。在 共轭聚合物薄膜太阳能电池结构中，电子给体材料需要和电子受体材 料形成具有一定相分离尺度的互穿网络结构，以实现激子分离和电荷 收集。但是，对于由窄带隙共轭聚合物聚[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4，7-苯并噻二唑]和[6 ，6 ]-2-苯基-Q-2-丁酸甲脂所组成的体异质结薄膜太阳能电池，由于两相的相分离尺度 较小，不利于光生电荷的传输和收集，限制了电池能量转换效率的提
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发明内容
本发明的目的是为了解决已有薄膜太阳能电池中存在的光敏层 中的聚[2， 6- (4， 4-二- (2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并噻 二唑]和[6 ，6 ]-2-苯基-(:61-2-丁酸甲脂两种组分的相分离尺度较小，
致使电池的能量转换效率不能得到进一步的提高的问题。本发明通过 在含有聚[2， 6-(4， 4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并 噻二唑](简称PCPDTBT)和[6 ，6 ]-2-苯基-C61-2-丁酸甲脂(简称 PCBM)的氯苯溶液中添加高沸点的溶剂1， 3-二甲基咪唑啉酮(简称 DMI)， DMI在旋涂成膜后的溶剂挥发过程中发挥作用，控制PCPDTBT 与PCBM的两相分离尺度，进而提高电池的短路电流和能量转换效率。 一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池的制备方法，其步
骤及条件如下
所述的太阳能电池的结构构成包括顺次连接的玻璃基板1，铟锡
氧化物阳极层2，由聚(3， 4-环二氧乙基噻吩)和聚苯乙烯磺酸盐 构成的阳极修饰层3，由窄带隙共轭聚合物和富勒烯衍生物的共混物 构成的光敏层4和铝阴极层5;其中的窄带隙共轭聚合物为聚 [2， 6-(4， 4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并噻二唑]， 富勒烯吸衍生物为[6 ，6 ]-2-苯基-C6「2-丁酸甲脂。在惰性气氛手套箱中，将聚[2， 6-(4， 4-二-(2-乙基己基)-环戊二 烯并二噻吩-4， 7-苯并噻二唑]与[6 ，6 ]-2-苯基-Cf 2-丁酸甲脂以 1: 3的质量比溶解于氯苯溶剂中，得到混合溶液I，其中，聚 [2， 6-(4， 4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并噻二唑] 的浓度为7毫克/毫升，[6 ， 6 ]-2-苯基-C61-2-丁酸甲脂的浓度为21 毫克/毫升，5(TC加热搅拌2个小时后，停止加热，继续搅拌12个小 时，然后，按比例为每毫升混和溶液I中加入20-70毫升的1， 3-二 甲基咪唑啉酮，继续搅拌12个小时，得到混合溶液II;
将在玻璃基板1上的铟锡氧化物阳极层2刻蚀成细条状，将刻蚀 好细条状的铟锡氧化物的加工件清洗干净，放入烘箱，12(TC烘干， 再将该加工件放置在涂膜机的托架上，通过0.45微米的过滤头，将 聚(3， 4-环二氧乙基噻吩)和聚苯乙烯磺酸盐(简称PEDOT: PSS) 的溶液均匀涂满整个片子，旋涂成膜，转速为每分钟3000转，在该 该加工件表面形成一层40纳米厚的薄膜为阳极修饰层3，再放入烘 箱，120。C加热30分钟;
将烘好的制备有阳极修饰层3的加工件转移到手套箱中，冷却后 将其放置在涂膜机的托架上，把搅拌好的混合溶液II通过0. 45微米 的过滤头均匀涂在阳极修饰层3的上面，旋转涂膜，转速为每分钟 900转，得到厚度为100纳米的光敏层4;
将涂有光敏层4的加工件用转移瓶从手套箱中取出，放入真空镀 膜机中，抽真空，当真空度达4X10—4帕斯卡时，蒸发80纳米厚的铝 阴极层5;得到一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池。通过以上步骤制成结构为IT0/PED0T: PSS/PCPDTBT: PCBM/ Al 的聚合物薄膜太阳能电池，电池的有效面积为12平方毫米。
在强度为100毫瓦/平方厘米的AM 1.5G模拟太阳光下测试本发 明方法制备的窄带隙共轭聚合物薄膜太阳能电池的性能，包括开路电 压、短路电流、能量转换效率和填充因子。
表1列出了 DMI:混合溶液I的体积配比分别为0， 2:100， 4:
100， 7: 100时制备的聚合物薄膜太阳能电池的性能参数。从表l中 可以看出随着DMI的含量的增加，电池的短路电流随之增大，当
DMI:混合溶液I的体积配比达到4:100时，短路电流达到最大，为
10.42毫安/平方厘米，此时，能量转换效率也达到最大2.64%。当 DMI含量继续增加时，短路电流和能量转换效率均有所下降。而开路 电压和填充因子随DMI含量变化不大。
有益效果本发明涉及一种基于窄带隙共轭聚合物的高效率薄膜
太阳能电池的制备方法。具体为在聚[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并噻二唑]与[6 ， 6 ]-2-苯基-(:61-2-丁酸甲 脂共混物溶液中加入沸点为224"C的1， 3-二甲基咪唑啉酮，用以提 高光敏层中聚[2， 6-(4， 4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并噻二唑]和[6 ，6 ]-2-苯基-Q-2-丁酸甲脂的两相分离尺度，改 善光生电子和空穴的传输路径，从而降低了电池的串联电阻，提高了 光生电荷的收集效率，提高电池的短路电流和能量转换效率。将未加 入1， 3-二甲基咪唑啉酮的电池与加入了 DMI (DMI:混合溶液I的体 积配比为4: 100)的电池相比较电池的串联电阻由24.9欧姆下降说明书第5/8页
到12. 55欧姆，减小了 50%;短路电流由7. 68毫安/平方厘米增大到 10.42毫安/平方厘米，提高了 36%;能量转换效率由1.88%增加到 2. 64%，提高了 40%。


图1是本发明采用的电池结构示意图。
图2是本发明中所用材料的分子式。其中a是聚[2，6-(4,4-二 -(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4， 7-苯并噻二唑];b是[6 ， 6 ]-2-苯基-C61-2-丁酸甲脂；c是l， 3-二甲基咪唑啉酮。
图3是对比例1在强度为100毫瓦/平方厘米的AM 1.5G模拟太 阳光下测试的电流-电压特性曲线图。
图4是实施例1在强度为100毫瓦/平方厘米的AM 1.5G模拟太 阳光下测试的电流-电压特性曲线图。
图5是实施例2在强度为100毫瓦/平方厘米的AM 1.5G模拟太 阳光下测试的电流-电压特性曲线图。
图6是实施例3在强度为100毫瓦/平方厘米的AM 1.5G模拟太 阳光下测试的电流-电压特性曲线图。
具体实施方式
对比例1
在惰性气氛手套箱中，将PCPDTBT与PCBM以1: 3的质量比溶解 于氯苯溶剂中，得到混合溶液I ，其中，PCPDTBT的浓度为7毫克/ 毫升，PCBM的浓度为21毫克/毫升。50。C加热搅拌2个小时后，关 闭加热，继续搅拌24个小时。将在玻璃基板1上的铟锡氧化物阳极层2刻蚀成细条状，将刻蚀
好细条状的铟锡氧化物的加工件清洗干净，放入烘箱，12(TC烘干， 再将该加工件放置在涂膜机的托架上，通过0.45微米的过滤头，将 PEDOT: PSS的溶液均匀涂满整个片子，旋涂成膜，转速为每分钟3000 转，在该该加工件表面形成一层40纳米厚的薄膜为阳极修饰层3， 再放入烘箱，120。C加热30分钟；
将烘好的制备有阳极修饰层3的加工件转移到手套箱中，冷却 后，将其放置在涂膜机的托架上，将搅拌好的混合溶液I通过0.45 微米的过滤头均匀涂在阳极修饰层3的上面，旋转涂膜，转速为每分 钟900转，得到厚度为100纳米的光敏层4;
将涂有光敏层4的加工件用转移瓶从手套箱中取出，放入真空镀 膜机中，抽真空，当真空度达4X10—4帕斯卡时，蒸发80纳米厚的铝 阴极层5;得到一种薄膜太阳能电池。 实施例1
在惰性气氛手套箱中，将PCPDTBT与PCBM以1: 3的质量比溶解 于氯苯溶剂中，得到混合溶液I ，其中，PCPDTBT的浓度为7毫克/ 毫升，PC丽的浓度为21毫克/毫升。50。C加热搅拌2个小时后，关 闭加热，继续搅拌12个小时。然后，加入DMI，比例为每毫升溶液 加入20微升DMI， DMI与混合溶液I的体积配比为2: 100。继续搅 拌12个小时，得到混合溶液II;
将在玻璃基板1上的铟锡氧化物阳极层2刻蚀成细条状，将刻蚀 好细条状的铟锡氧化物的加工件清洗干净，放入烘箱，12(TC烘干，再将该加工件放置在涂膜机的托架上，通过0.45微米的过滤头，将 PEDOT: PSS的溶液均匀涂满整个片子，旋涂成膜，转速为每分钟3000 转，在该该加工件表面形成一层40纳米厚的薄膜，作为阳极修饰层 3，再放入烘箱，12(TC，加热30分钟；
将烘好的制备有阳极修饰层3的加工件转移到手套箱中，冷却 后，将其放置在涂膜机的托架上，将搅拌好的混合溶液II通过0.45 微米的过滤头均匀地涂在阳极修饰层3的上面，旋转涂膜，转速为每 分钟900转，得到厚度为100纳米的光敏层4;
将涂有光敏层4的加工件用转移瓶从手套箱中取出，放入真空镀 膜机中，抽真空，当真空度达4X10—4帕斯卡时，蒸发80纳米厚的铝 阴极层5;得到一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池。 实施例2
器件的制备方法及条件同实施例1，不同的是在配置溶液时，每 毫升混合溶液I中加入40微升DMI，DMI与混合溶液I体积配比为4: 100;
实施例3
器件的制备方法及条件同实施例1，不同的是在配置溶液时，每 毫升混合溶液I中加入70微升DMI， DMI与混合溶液I的体积配比为 7: 100。
对比例1的一种薄膜太阳能电池与实施例1-3得到的一种基于窄 带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池的技术参数见表1。表1<table>table see original document page 11</column></row><table>
权利要求
1.一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤及条件如下所述的太阳能电池的结构构成包括顺次连接的玻璃基板(1)，铟锡氧化物阳极层(2)，由聚(3，4-环二氧乙基噻吩)和聚苯乙烯磺酸盐构成的阳极修饰层(3)，由窄带隙共轭聚合物和富勒烯衍生物的共混物构成的光敏层(4)和铝阴极层(5)；所述的窄带隙共轭聚合物为聚[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4，7-苯并噻二唑]，富勒烯吸衍生物为[6，6]-2-苯基-C61-2-丁酸甲脂。在惰性气氛手套箱中，将聚[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4，7-苯并噻二唑]与[6，6]-2-苯基-C61-2-丁酸甲脂以1∶3的质量比溶解于氯苯溶剂中，得到混合溶液I，其中，聚[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4，7-苯并噻二唑]的浓度为7毫克/毫升，[6，6]-2-苯基-C61-2-丁酸甲脂的浓度为21毫克/毫升，50℃加热搅拌2个小时后，停止加热，继续搅拌12个小时，然后，按比例为每毫升混和溶液I中加入20-70毫升的1，3-二甲基咪唑啉酮，继续搅拌12个小时，得到混合溶液II；将在玻璃基板(1)上的铟锡氧化物阳极层(2)刻蚀成细条状，将刻蚀好细条状的铟锡氧化物的加工件清洗干净，放入烘箱，120℃烘干，再将该加工件放置在涂膜机的托架上，通过0.45微米的过滤头，将聚(3，4-环二氧乙基噻吩)和聚苯乙烯磺酸盐的溶液均匀涂满整个片子，旋涂成膜，转速为每分钟3000转，在该该加工件表面形成一层40纳米厚的薄膜为阳极修饰层(3)，再放入烘箱，120℃加热30分钟；将烘好的制备有阳极修饰层(3)的加工件转移到手套箱中，冷却后将其放置在涂膜机的托架上，把搅拌好的混合溶液II通过0.45微米的过滤头均匀涂在阳极修饰层(3)的上面，旋转涂膜，转速为每分钟900转，得到厚度为100纳米的光敏层4；将涂有光敏层(4)的加工件用转移瓶从手套箱中取出，放入真空镀膜机中，抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时，蒸发80纳米厚的铝阴极层(5)；得到一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池。
全文摘要
本发明提供了一种基于窄带隙共轭聚合物的薄膜太阳能电池的制备方法。具体为在聚[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-环戊二烯并二噻吩-4，7-苯并噻二唑]和[6，6]-2-苯基-C₆₁-2-丁酸甲脂的混合溶液中添加1，3-二甲基咪唑啉酮，旋涂成膜，作为光敏层，进而制备成薄膜太阳能电池的方法。加入的1，3-二甲基咪唑啉酮是一种沸点为224℃的溶剂，用以提高光敏层中电子给体和电子受体的两相分离尺度，改善光生电子和空穴的传输路径，从而降低了电池的串联电阻，提高了光生电荷的传输效率和收集效率，最终达到改善电池性能的目的。同未加入1，3-二甲基咪唑啉酮的电池相比，短路电流提高了36％，能量转换效率提高了40％。
文档编号H01L31/18GK101494255SQ200910066599
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者付莹莹, 谢志元 申请人:中国科学院长春应用化学研究所