专利名称：一种在空气中制备聚合物太阳能电池的方法
技术领域：
本发明属于聚合物太阳能电池领域，特别涉及一种在空气中制备性能稳定、高效率的聚3-己基噻吩(P3HT)与W，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混的体异质结 (Bulk-hetero junction, BHJ)聚合物太阳能电池(简称P3HT:PCBM聚合物太阳能电池)的方法。
背景技术：
P3HT PCBM聚合物太阳能电池由于具有较高的光电转换效率，而倍受关注。要制备高效率的P3HT PCBM聚合物电池，必须调控P3HT PCBM活性层的微结构，改善活性层与电极间的界面。一定程度上，活性层的微结构及活性层与电极间的界面直接决定着P3HT:PCBM 电池的光电性能。研究表明，可以通过控制热处理工艺来调控P3HT:PCBM活性层的微结构， 改善活性层与电极间的界面，使活性层与电极间形成良好的欧姆接触。但P3HT:PCBM活性层在空气中不稳定，很容易被氧化而产生缺陷，损坏电池的效率，影响电池的寿命(参见 V. Chellappan, G. M. Ng, M. J. Tan, W. -P. Goh, F. Zhu, Appl. Phys. Lett.，2009，95，263305)。 故高效率的P3HT: PCBM聚合物电池，均在惰性气氛中制备。但是维持P3HT:PCBM聚合物电池整个制备过程的惰性气氛，需成套手套箱组，这些成套手套箱组价格昂贵。对于绝大多数实验室来说，要拥有符合制备条件的手套箱组比较困难。空气中制备聚合物电池可以降低电池的成本，且制备过程中操作方便。可见探索空气中制备P3HT:PCBM聚合物电池的方法之重要性。而探索工艺简单的空气中制备性能稳定、高效率P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的方法未见报道。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种采用直接热处理聚合物电池的方法，在空气中制备性能稳定、高效率的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池。本发明的另一目的在于提供上述方法制备的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池。本发明的目的通过下述技术方案实现一种在空气中制备P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的方法，包括以下操作步骤(1)在清洁的氧化铟锡(ITO)导电玻璃上，旋涂PED0T:PSS(聚3，4_亚乙基二氧噻吩聚对苯乙烯磺酸)溶液，在80 200°C下热处理制备的PED0T:PSS膜30 120分钟， 得到厚度为60 IOOnm的PEDOT PSS层。(2)将P3HT与PCBM按质量比1 0. 8 1 1溶于氯苯中配成溶质浓度为 36 40mg/ml的混合溶液。在空气中，采用旋涂法在有PED0T:PSS层的ITO玻璃上旋涂 P3HT:PCBM混合溶液，制备100 200nm厚的P3HT:PCBM活性层。(3)采用热蒸发法在P3HT:PCBM活性层上蒸镀厚度为80 150nm的铝电极，取出蒸好电极的电池，放入手套箱中在100 140°C下热处理5 30分钟。封装热处理后的电池，即得到可在空气中测试的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池。步骤⑶所述蒸镀过程是在热蒸发仪中进行，在6X10_6 IX 10_8毫托的气压下， 以1 lOnm/min的速度蒸镀铝电极；封装采用的材料为环氧树脂。本发明的原理是P3HT:PCBM活性层在潮湿空气中容易被氧化，而降低电池各性能参数，损伤电池的光电转换效率。本发明的特点在于禾_被氧化的P3HT:PCBM活性层， 在惰性气体环境中，与P3HT、PCBM结合的氧能跑出而恢复各项性能的特性。通过控制合适的热处理工艺，采用一步热处理的方法，在热处理活性层的同时使与P3HT:PCBM活性层结合的氧尽快跑出，且改善P3HT:PCBM活性层与铝电极间的界面，降低电池的接触电阻，从而在空气中制备性能稳定、高效率的P3HT:PCBM聚合物电池。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果(1)本发明提出空气中制备P3HT:PCBM聚合物电池的方法，解决了 P3HT:PCBM电池制备的全过程必须在手套箱中的惰性气氛下进行的难题。(2)该方法制备的P3HT:PCBM电池，由于活性层与电极间的接触良好，电池不容易受大气环境的影响，稳定性更好。(3)众所周知，P3HT:PCBM聚合物电池对制备工艺敏感，与分步热处理制备 P3HT:PCBM电池的方法不同，本发明的方法只需直接热处理制备好电极的电池，工艺简单， 容易控制，重复性好。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。本发明的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池为典型的三明治结构，具体结构为ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1。如未加说明，以下实施例中所有的制备工艺均在空气中进行。 分步热处理法空气中制备P3HT:PCBM电池的工艺，详见申请人已发表的论文(S. J.·， Q. D. Tai，F. Yan, J. Phys. Chem. C，2010，114,21873)。实施例1 分步热处理法空气中制备的P3HT:PCBM聚合物电池与本发明的器件热处理法在空气中制备电池的性能及稳定性比较之一。具体制备工艺如下1、在洁净的氧化铟锡(ITO)导电玻璃上旋涂PEDOT:PSS(聚3，4_亚乙基二氧噻吩聚对苯乙烯磺酸，从Baytron P，Bayer AG.购买，型号4083)溶液，在80°C下热处理制备的PEDOT PSS膜120分钟，得到厚度为60nm的PEDOT PSS层。2、将P3HT与PCBM按照质量比1 0. 8在氯苯中配置成均勻混合的溶液，其中 P3HT的浓度为20mg/ml。在有PEDOTPSS层的ITO导电玻璃上，采用旋涂法制备IOOnm的 P3HT:PCBM 活性层。3、将制备好活性层的样品分成两组，一组采用本发明的方法，将样品直接放入热蒸发仪中，待蒸镀铝电极；另一组采用分步热处理法制备，将步骤( 所得的活性层先在手套箱中110°C热处理20分钟后再放入热蒸发仪，将两组样品在蒸发仪中同时蒸电极。取出蒸好电极的样品，放入手套箱中。将蒸电极前未进行热处理的样品在100°C热处理30分钟。 蒸电极前热处理过的样品，在100°C热处理20分钟，采用环氧树脂简单封装热处理后样品，即得到可在空气测试的电池。在室温环境，使用Newport公司的91159太阳光模拟器，光强为lOOmW/cm2条件下，分析测试电池，电池的有效面积为0. 25cm2。分析发现，采用本发明直接热处理法制备的电池，短路电流为10. 03mAcm_2，开路电压为566mV，填充因子为0. 503，电池的光电转换效率达到2. 86%。该电池在空气中放置30天后，电池的短路电流为9. 77mAcm_2，开路电压为 566mV，填充因子为0. 378，光电转换效率2. 09%，效率为原来的73%。分步热处理法制备的电池，短路电流为8. 65mAcm_2，开路电压为580mV，填充因子为0. 414，电池的光电转换效率 2. 02%。该电池在空气中放置10天后，电池的短路电流为7. 65mAcnT2，开路电压为560mV， 填充因子为0.四2，光电转换效率1. 25%，效率为原来的62%。可见，采用本发明的方法制备的电池更稳定，效率更高。实施例2 分步热处理法空气中制备的P3HT:PCBM聚合物电池与本发明的器件热处理法空气中制备的P3HT PCBM聚合物电池的性能及稳定性比较之二。具体制备工艺如下1、在洁净的氧化铟锡(ITO)导电玻璃上旋涂PED0T:PSS(聚3，4_亚乙基二氧噻吩聚对苯乙烯磺酸，从Baytron P,Bayer AG.购买，型号4083)溶液，在160°C下热处理制备的PEDOT PSS膜60分钟，得到厚度为80nm的PEDOT PSS层。2、将P3HT与PCBM按照质量比1 0. 8在氯苯中配置成均勻混合的溶液，其中 P3HT的浓度为20mg/ml。在有PEDOTPSS层的ITO导电玻璃上，采用旋涂法制备150nm的 P3HT:PCBM 活性层。3、将制备好活性层的样品分成两组，一组采用本发明的方法，直接放入热蒸发仪器待蒸发铝电极；另一组采用分步热处理法制备，将步骤( 所得的活性层先在手套箱中 130°C预热处理10分钟后再放入热蒸发仪，将两组样品在蒸发仪中一起制备铝电极。取出蒸发好电极的样品，放入手套箱中。将蒸电极前未进行热处理的样品在120°C热处理10分钟。采用分步热处理法制备的蒸电极前热处理过的样品，在120°C热处理20分钟，采用环氧树脂简单封装热处理后的样品，即得到空气测试的电池。在室温环境，使用Newport公司的91159太阳光模拟器，光强为lOOmW/cm2条件下， 分析测试电池，电池的有效面积为0. 25cm2。分析发现，采用本发明方法制备的电池，短路电流为10. 87mAcm_2，开路电压为601mV，填充因子为0. 537，电池的光电转换效率达到3. 51 %。 该电池在空气中放置25天后，电池的短路电流为10. 37mAcm_2，开路电压为M3mV，填充因子为0. 375，光电转换效率为2. 35%，效率为原来的72%。采用分步热处理法制备的电池，短路电流为10. 08mAcm_2，开路电压为595mV，填充因子为0. 532，光电转换效率3. 19%。该电池在空气中放置10天后，电池的短路电流8. 68mAcm_2，开路电压为578mV，填充因子为0. 312， 光电转换效率1.57%，效率仅为原来的49%。再次证明，采用本发明的方法制备的电池更稳定，效率略高。实施例3 采用分步热处理法空气中制备P3HT:PCBM聚合物电池与本发明采用器件热处理法空气中制备P3HT:PCBM聚合物电池的性能及稳定性比较之三。具体制备工艺如下
1、在洁净的氧化铟锡(ITO)导电玻璃上旋涂PED0T:PSS(聚3，4_亚乙基二氧噻吩聚对苯乙烯磺酸，从Baytron P,Bayer AG.购买，型号4083)溶液，在200°C下热处理制备的PEDOT PSS膜30分钟，得到厚度为IOOnm的PEDOT PSS层。2、将P3HT与PCBM按照质量比1 1在氯苯中配置成均勻混合的溶液，其中 P3HT的浓度为20mg/ml。在有PEDOTPSS层的ITO导电玻璃上，采用旋涂法制备200nm的 P3HT:PCBM 活性层。3、有活性层的ITO玻璃样品分成两组，一组采用本发明的方法制备，直接放入热蒸发仪器待制备铝电极，另一组采用分步热处理法制备，将步骤( 所得的活性层先在手套箱中140°C预热处理5分钟后再放入热蒸发仪，将两组样品同时蒸电极。取出蒸发好电极的样品，放入手套箱中。将蒸电极前未进行热处理的样品在140°C热处理5分钟。蒸电极前热处理过的样品，在120°C热处理20分钟，采用环氧树脂简单封装热处理后样品，即得到空气测试的电池。在室温环境，使用Newport公司的91159太阳光模拟器，光强为lOOmW/cm2条件下，分析测试电池，电池的有效面积为0. 25cm2。分析发现，采用本发明的方法制备的电池， 短路电流为8. 64mAcnT2，开路电压为574mV，填充因子为0. 513，光电转换效率为2. 55%。该电池在空气中放置37天后，电池的短路电流为9. 72mAcm_2，开路电压为566mV，填充因子为 0. 428，电池的光电转换效率2. 36%，效率为原来的92. 5%。分步热处理发制备蒸发电极前经热处理的电池，短路电流为9. 42mAcm_2，开路电压为581mV，填充因子为0. 430，电池的光电转换效率2. 36%。该电池在空气中放置22天后，电池的短路电流7. ^mAcnT2,开路电压为557mV，填充因子为0. 220，电池的光电转换效率0. 893%，效率仅为原来的37. 8%。可见采用本发明制备的电池更稳定。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种在空气中制备P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的方法，其特征在于包括以下操作步骤(1)在清洁的氧化铟锡导电玻璃上，旋涂PEDOTPSS溶液，在80 200°C下热处理制备的PEDOT PSS膜30 120分钟，得到厚度为60 IOOnm的PEDOT PSS层；(2)将P3HT和PCBM按质量比1 0. 8 1 1溶于氯苯中配成溶质浓度为36 40mg/ ml的混合溶液；在空气中，采用旋涂法在有PEDOTPSS层的ITO玻璃上旋涂P3HT:PCBM混合溶液，制备100 200nm厚的P3HT:PCBM活性层；(3)采用热蒸发法在P3HT:PCBM活性层上蒸镀厚度为80 150nm的铝电极，取出蒸好电极的电池，放入手套箱中在100 140°C下热处理5 30分钟；封装热处理后的电池，即得到P3HT PCBM聚合物太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种在空气中制备P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的方法，其特征在于步骤( 所述蒸镀过程是在热蒸发仪中进行，在6 X 10-6 1 X 10-8毫托的气压下，以1 lOnm/min的速度蒸镀铝电极。
3.根据权利要求1所述的一种在空气中制备P3HT:PCBM聚合物太阳能电池的方法，其特征在于步骤C3)封装采用的材料为环氧树脂。
4.一种根据权利要求1 3任一项所述方法制备得到的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池。
全文摘要
本发明公开了一种在空气中制备P3HT:PCBM聚合物电池的方法。该方法包括步骤在洁净的氧化铟锡导电玻璃上旋涂PEDOT:PSS溶液，热处理制备PEDOT:PSS层；将P3HT与PCBM在氯苯中配成溶液，在空气中将P3HT:PCBM的混合溶液旋涂到有PEDOT:PSS层的导电玻璃上，制备P3HT:PCBM活性层；在P3HT:PCBM活性层上蒸发铝电极，取出蒸好电极的P3HT:PCBM电池，放入手套箱中进行热处理后封装，即可得到能在空气中测试的、性能稳定的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池。该方法只需一步热处理，工艺简单，容易控制，成本低廉，制备的电池性能稳定，重复性好。
文档编号H01L51/48GK102270745SQ201110225470
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月8日 优先权日2011年8月8日
发明者刘俊明, 吴素娟, 温明菊, 钟健 申请人:华南师范大学