CN101483221B - 聚合物本体异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚合物本体异质结太阳电池及其制备方法，所述聚合物本体异质结太阳电池由玻璃衬底、阳极、阳极缓冲层、光活性层、阴极界面层和阴极依次层叠构成，所述阴极界面层采用含有极性基团或离子性基团的极性单元的共轭聚合物，或者其对应的聚电介质构成。所述方法将作为阴极界面层的聚合物溶于极性有机溶剂中制备成溶液，溶液浓度为0.0001-0.05克/立方厘米；并将该溶液采用旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式在光活性层(4)上形成阴极界面层(5)。本发明可大幅提高聚合物本体异质结太阳电池器件的性能，尤其是开路电压这一重要指标；采用溶液加工技术，制备工艺简单，制作成本低。

Description

聚合物本体异质结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电器件领域，特别是聚合物本体异质结太阳电池的技术领域，具体涉及一种提高聚合物本体异质结太阳电池器件性能，尤其是其开路电压的方法。

背景技术

基于光伏效应将太阳能转化为电能的太阳电池一直是国内外研究的热点。随着全球能源需求的逐年增加，石油、煤炭等一次性能源的日渐枯竭，以及出于保护地球环境等需要，人们把越来越夺的目光投向了太阳能、氢能等可再生能源。

目前，市场上成熟的太阳电池主要为基于单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟以及多晶膜化合物半导体等无机太阳能电池，其中，多晶硅和非晶硅太阳能电池在民用太阳能电池市场上占主导地位。经过五十余年的发展，无机单晶硅太阳电池的光电转换效率已经由发明之初的6％，提高到目前的最高效率可达30％以上。在基于硅的太阳电池当中，第一代的单晶硅太阳电池的能量转换效率可达20％，接近Shockley等人所预言33％的上限[W.S.hocley and H.J.Queisser.Detail balance limit of efficiency of PN junction solar cells.J.Appl.Phys.1961，32：510]，第二代5-10％，第三代超过50％，接近热力学上的上限值93％[Progress in photovoltaic：research and application，vol.9-123(2001)]。尽管如此，但是由于无机半导体太阳电池对材料纯度的要求非常高，且价格昂贵，因此其应用受到很大限制。

利用有机半导体制备光伏器件首先在1986年取得突破。当时美国柯达公司研究人员C.W.Tang首次在同一器件中引入给体和受体材料，效率达到1％[C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.48，183(1986).]。这一异质结的概念成为目前所有三种有机光伏器件，染料敏化器件，平面型有机太阳电池，以及本体异质结结构的关键思想。异质结这一概念的精髓在于：使用两种电子亲合能和电离势不同的材料混合。在界面处，电势差足以使到激子离解，只要这一能量差比激子的束缚能大：电子被具有较高电子亲合能的材料接收，而空穴被具有较低电离势的材料接收。在平面异质结(双层)结构中，有机D/A界面分离激子的效率比单层器件中电极/有机物界面的分离效率高得多。在这种类型的器件中，激子应在位于扩散距离之内的范围形成，否则激子发生衰退，对形成光电流毫无贡献。由于激子在有机材料中的扩散距离远远比薄膜的吸收厚度小，从而限制了有效吸收太阳光的薄膜厚度。

1992年Sariciftci等在对MEH-PPV/C₆₀复合体系的研究中发现二者在基态没有相互作用，但是C₆₀对MEH-PPV的荧光却有很强的猝灭作用，并提出体系中存在光诱导电子转移过程[Sariciftci N S，Smilowitz L，Heeger A J，et al.Photoinduced electron transfer from aconducting polymer to Buckminsterfullerene，Science，1992，258：1474.]。共轭聚合C₆₀体系的光诱导电子转移理论提出以后，引起了科学工作者的极大兴趣，他们采用多种实验方法，对不同的复合体系进行深入研究，证明了光诱导电子转移的存在。这一过程在几个皮秒内完成，比激子的辐射衰减和非辐射衰减要快3-4个数量级[Sariciftci N S，Smilowitz L，Heeger A J，et al.Photoinduced electron transfer from a conducting polymer to Buckminsterfullerene，Science，1992，258：1474；Sariciftci N.S.；Braun D.；Zhang C.，et al.Semiconductingpolymer-buckminsterfullerene heterojunctions：Diodes，photodiodes，and photovoltaic cells[J].Applied Physics Letters，1993，62(6)：585-587；Sariciftci N.S.；Smilowitz L.；Heeger A.J.，et al.Semiconducting polymers(as donors)and buckminsterfullerene(as acceptor)：photoinducedelectron transfer and heterojunction devices[J].Synthetic Metals，1993，59(3)：333-352.]，这样可以有效地阻止光激发产生的电子和空穴再发生复合，从而使得电荷分离的效率接近100％。光诱导电荷快速能量转移现象的发现是聚合物太阳电池理论方面的重大突破，为聚合物太阳电池效率的提高提供了理论支持。而与之形成对比的是，对于MIM结构，激子离解的份额仅在10％左右，表明激子易于复合，或者被陷阱态俘获，造成效率很低，无实用价值。

1995年俞钢等人通过将电子给体材料与受体材料共混，制得共轭聚合物MEH-PPV和碳60互穿网络结构的太阳电池，其能量转换效率达到2.9％[Yu G.；Gao J.；Hummelen J.C.，etal.Polymer photovoltaic cells：Enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptorheterojunctions.Science，1995，270：1789-1791]。在这种体系中，电子给体材料(D)与受体材料(A)形成双连续的互穿网络状结构(bi-continuous network)，这种结构大大增大了D/A界面面积，使异质结更加分散，在激子的扩散距离非常有限的情况下，由于在所产生的激子附近具有与受体材料形成的界面，从而可以确保快速的激子离解的发生，产生电荷分离。产生的电荷在各自的相中输运并在相应的电极上被收集，光生载流子在到达相应的电极前被重新复合的几率大为降低，结果其光电转换效率，或者说光敏是纯MEH-PPV器件的100多倍。这种将D/A异质结结构分散到整个活性层的创新，实际上将整个活性层变为一个大的所谓“本体异质结”(Bulk Heterojunction，BHJ)，换言之，在活性层中的任何位置均可产生电荷。只要各相材料形成从D/A界面到各自电极的连续通道，那么，由光子到电子的转换效率可以得到很大的提高。这就是聚合物本体异质结太阳电池的发明和出现[美国专利5331183(1994)和美国专利5454880(1995)]。

体异质结概念产生克服了单层、双层/多层器件的结构缺陷。由于电子给体与电子受体各自形成网络状连续相，光诱导所产生的电子与空穴分别在各自的相中输运并在相应的电极上被收集，光生载流子在到达相应的电极前被重新复合的几率大大降低，从而提高了光电流。这样，体异质结结构就能大幅度的提高光电能量转换效率。如今，体异质结概念已广泛用于基于聚合物的太阳电池，能量转换效率已能达到5％以上。可以看出，聚合物本体异质结太阳电池的出现，指引着有机太阳电池的发展方向。

从此，结合共轭聚合物所兼备的优良半导体特性，机械加工特性，可在室温下以配制溶液，然后通过旋转涂膜、喷涂等成膜，或者用喷墨打印的方式，可以制备成本低廉的大面积太阳电池。除此之外，相对传统硅基太阳电池，有机太阳电池还有无需高温高真空处理工序，无需依赖高纯度的材料等显著优点，代表着诱人的发展前景。

然而，目前有机太阳电池的最高能量转换效率仅为5-6％左右，距离商业化还有一段较大的距离。因此，有机太阳电池的研究也面临很大的挑战，只有获得高效率更高，性能稳定的器件，才能其商业化的生产，应用于目前无机太阳电池所应用的所有领域。

为了提高其能量转换效率，众多的化学家、物理学家和材料学家从材料合成、器件结构、器件制备等角度入手，对聚合物太阳电池进行了深入的研究。目前，聚合物本体异质结太阳电池还存在一些问题，使其性能受到制约，这些挑战主要包括：1)作为p型半导体和光活性层的聚合物材料多为无定形结构，结晶度较低，分子间作用力较弱，光生载流子主要在分子内的共轭键上运动，而在分子间的迁移则比较困难，从而导致材料的载流子迁移率较低(10^-4 cm² V^-1 s^-1)，光生载流子在被收集形成外电流之前容易发生复合而损耗。因此，造成器件的短路电流和填充因子偏低；2)大部分共轭聚合物的吸收波段都集中在可见光范围，活性层的光谱响应范围比较窄，对红外区域的太阳辐射利用率较低，导致电池的响应光谱与太阳能地面辐射不匹配。因此，对太阳光的利用率比较低，影响能量转换效率；3)聚合物本体异质结太阳电池还存在一个技术上的瓶颈，高的开路电压和对太阳光宽范围的吸收很难以同时兼得。这是因为，器件的开路电压V_oc，内建电势V_bi由给体材料的最高占有轨道(HOMO)能级和受体材料的最低未占有轨道(LUMO)能级的差值确定。要提高器件的开路电压，往往要降低给体材料的最高占有轨道(HOMO)能级(因为受体材料的LUMO能级相对能够改动的空间不大)，这就意味着给体材料的带隙变宽，与太阳光谱的匹配程度下降。4)在器件稳定性及寿命方面，与实用化的要求相比，还有很大的差距。

一般来说，聚合物本体异质结太阳电池由玻璃衬底(1)、阳极(2)、阳极缓冲层(3)、光活性层(4)和阴极(6)依次层叠构成(如图1所示)。在本申请中，我们提出一种聚合物本体异质结太阳电池器件的制备方法，所述聚合物本体异质结太阳电池由玻璃衬底(1)、阳极(2)、阳极缓冲层(3)、光活性层(4)，阴极界面层(5)和阴极(6)依次层叠构成(如图2所示)，其特征在于，在光活性层(4)与阴极(6)之间设阴极界面层(5)，所述阴极界面层采用含有极性基团或离子性基团的极性单元的共轭聚合物，或者其对应的聚电介质构成。本发明可有效提高聚合物本体异质结太阳电池器件性能，尤其是器件的开路电压这一重要性能参数。

发明内容

本发明提出一种聚合物本体异质结太阳电池器件的制备方法，所述聚合物本体异质结太阳电池由玻璃衬底(1)、阳极(2)、阳极缓冲层(3)、光活性层(4)，阴极界面层(5)和阴极(6)依次层叠构成，其特征在于，在光活性层(4)与阴极(6)之间设阴极界面层(5)(见图2)，所述阴极界面层采用含有极性基团或离子性基团的极性单元的共轭聚合物，或者其对应的聚电介质构成。

本发明中所使用的阴极界面层材料，其代表结构在中国专利申请CN200310117518.5中已描述，为具有如下结构的含有极性基团或离子性基团的极性单元的共轭聚合物：

其中(0.5≤x≤1；0≤y+z≤0.5；x+y+z＝1)；聚合度(n)为1-300之间的任意整数；

A为含有极性基团或离子性基团的极性共轭单元，具有如下其中一种或多种结构的组合：

芴：

其中R₁，R₂为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基其中一个或多个的侧链；

对苯：

其中R₁，R₂为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基其中一个或多个侧链；

SPIRO-对苯：其中R₁，R₂为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基其中一个或多个的侧链；

咔唑：

其中R₁为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基其中一个或多个的侧链；

其中B为不含有极性或离子性基团的组分，具有如下的一种或几种结构：

芴：

其中R₃，R₄为H，C₁-C₂₀的烷基；

对苯：

其中R₃，R₄为H，C₁-C₂₀的烷基，烷氧基；

SPIRO-对苯：

其中R₃，R₄为H，C₁-C₂₀的烷基；

咔唑：

其中R₃为H，C₁-C₂₀的烷基；

C为含有硫，硅，氮，硒的芳杂环单元，具有如下的一种或几种结构：苯并噻(硒)二唑及其衍生物：

其中，X为硫(S)或硒(Se)，R₅，R₆，R₇，R₈-为H，或C₁～C₁₀的烷基。

喹啉及其衍生物：

噻吩及其衍生物：

硒吩及其衍生物：

喹喔啉衍生物：

其中，X为硫(S)或硒(Se)，R₉，R₁₀-为H，或C₁～C₁₀的烷基。

噻咯(Silole)衍生物：

其中，X为硫(S)或硒(Se)，R₁₁，R₁₂-为H，或C₁～C₁₀的烷基，或对苯基。

上述的聚合物本体异质结太阳电池，所述光活性层由共轭聚合物作为电子给体材料，碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物或者无机半导体纳米颗粒作为电子受体材料，电子给体材料和电子受体材料在有机溶剂中组成混合溶液，经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式形成光活性层。

上述的聚合物本体异质结太阳电池，所述光活性层以共轭聚合物作为电子给体材料，和碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物或者无机半导体纳米颗粒作为电子受体材料叠层构成。

上述的聚合物本体异质结太阳电池，所述光活性层以有机小分子半导体材料作为电子给体材料，和碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物或者无机半导体纳米颗粒作为电子受体材料叠层构成。

上述的聚合物本体异质结太阳电池的制备方法，其特点在于将作为阴极界面层的聚合物溶于极性有机溶剂中制备成溶液，溶液浓度为0.0001-0.05克/立方厘米；并将所述溶液采用旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式在光活性层上形成阴极界面层，其厚度为0.5～100纳米。所述极性有机溶剂为醇或醇与水的混合溶剂。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明涉及的器件结构、方法可大幅提高聚合物本体异质结太阳电池器件的性能，尤其是开路电压这一重要指标。

(2)本发明涉及的器件结构采用溶液加工技术，制备工艺简单，制作成本低。

(3)这类带有极性基团的材料可溶解于水或甲醇等极性溶剂中。而光活性层材料和电子受体材料一般不溶于这类溶剂，因此在构筑多层器件时，阴极界面层和光活性层之间不会发生混合现象。

附图说明

图1为常规聚合物本体异质结太阳电池的器件结构，其中，1-玻璃衬底；2-阳极；3-阳极缓冲层；4-光活性层；6-阴极。

图2为本发明提供的器件结构示意图，其中，1-玻璃衬底；2-阳极；3-阳极缓冲层；4-光活性层；5-阴极界面层，6-阴极。

图3为有无阴极界面层(PFNBr-DBT15，PFPNBr)对PFO-DBT35:PCBM聚合物本体异质结太阳电池的伏安特性曲线，以及开路电压的影响。

具体实施方式

以下实例将对本发明所提出的具体工艺过程进行说明，但本发明不限于所列之例。

同批号ITO导电玻璃衬底若干，规格为15毫米×15毫米，ITO的厚度约为130纳米，其方块电阻约为20欧姆/□。依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声处理10分钟清洁ITO衬底表面，随后放入恒温烘箱中80℃下静置4小时烘干。烘干后的ITO衬底用氧等离子体处理4分钟，除去ITO表面附着的有机附着薄膜和有机污染物，后置于匀胶机(KW-4A型)上，以2000转/分钟的转速旋转60秒，旋涂一层约40纳米厚的阳极缓冲层(空穴传输层)PEDOT:PSS悬浮液(BAYTRON P 4083，购自Bayer AG公司(现在的H.C.STARCK公司))。旋涂之前，PEDOT:PSS悬浮液旋涂先经过0.45微米聚偏氟乙烯(PVDF)滤膜过滤，滤去较大的不溶颗粒。制备过程中，所得薄膜的厚度由表面轮廓仪(Teriek公司Alpha-Tencor500型)实测记录。成膜后将涂覆有PEDOT:PSS作为阳极缓冲层的ITO导电玻璃衬底转入恒温真空烘箱中80℃下烘干，或者在温度为100-200℃加热台上，在大气环境下烘干，以除去残余溶剂，稳固所得到的薄膜。

随后将由上述方法制得的衬底转入无水无氧、充满高纯氮气的专用手套箱(美国VAC公司制造)。在此手套箱惰性气氛下，将聚合物给体材料和电子受体材料，碳60衍生物-[6，6]-苯基-C 61-丁酸甲酯(PCBM)分别置于洁净试样瓶中，用常用有机溶剂(如氯苯，甲苯等)溶解配制成溶液，放置在加热搅拌台上搅拌均匀，用0.45微米聚四氟乙烯(PTFE)滤膜过滤得澄清滤液。然后按一定的比例将聚合物给体材料和电子受体材料混合，放置在加热搅拌台上搅拌均匀。所述阴极界面层材料采用侧链带有季铵盐基官能团的聚合物PFN及其对应的聚电解质，这些材料已经被证实是一种优良的电子传输材料，可对高功函数金属提供欧姆接触，提供其制备方法在中国专利申请CN200310117518.5中已描述，将其置于洁净小瓶中，转入氮气保护成膜专用手套箱中，在加有少量乙酸的甲醇中溶解配成0.01-1.5％的溶液，置于搅拌台上搅拌均匀，用0.45微米滤膜过滤得澄清溶液。光活性层的制备通过在衬底上涂覆聚合物给体材料和电子受体材料混合的溶液制得。为此，首先将将ITO衬底通过机械泵产生的负压吸附在匀胶机上，滴注聚合物给体材料和电子受体材料混合溶后，经高速旋涂(600-6000转/分钟)制得，一般而言，要求制得的光活性层厚度在20-500纳米，优选薄膜厚度为70-200纳米。厚度通过调节匀胶机的转速以及控制聚合物给体材料和电子受体材料混合溶液的浓度来控制。聚合物给体材料和电子受体材料混合溶液在ITO/PEDOT:PSS衬底成膜后，经干燥后，再在其上面滴注侧链带有季铵盐基官能团的聚合物PFN或其对应的聚电解质的溶液，经高速旋涂(600-6000转/分钟)，获得的阴极界面层的厚度在0.5-50纳米。随后，将器件转入真空镀腔中，开启机械泵和分子泵，当镀腔内达到3×10^-4Pa的高真空以后，开始蒸镀铝膜(100纳米)作为引出电极。通过掩膜架，将各个电极以及活性层做成设计好的图案。器件的发光区域由掩模与ITO交互覆盖的区域确定为0.15平方厘米。除了PEDOT:PSS薄膜的制备，所有制备过程均在提供氮气惰性氛围的手套箱内或者真空中进行。为了使到上述真空热蒸发金属薄膜过程，薄膜的生长沉降速率和总的沉积厚度由施加的热功率控制，并通过石英晶振膜厚监测仪(STM-100型，Sycon公司制造)实时监控。光活性层或者聚合物电子给体材料的紫外-可见光吸收光谱由HP8453A型二极管阵列式紫外-可见分光光度计测得，测试的波长范围190纳米～1100纳米。聚合物电子给体材料的光致发光光谱的测量过程如下：根据其吸收光谱的测试结果，选取适当的激发源。将上述薄膜基片置于Jobin Yvon Spex Fluorolog-3 double-grating荧光光谱仪的光路中即可测试光致发光光谱。此外，还可用分立光源激发，光谱采集用INSTASPEC IV型光栅分光CCD(电荷耦合器件)光谱仪来完成。可供选用的激发光源有：He-Cd气体激光器，可输出325纳米、442纳米激发谱线；半导体二极管激光器可输出405纳米激发谱线；氩离子激光器，可输出488纳米、515纳米等激发谱线。

太阳电池是能量转换器件，要将太阳能转换为电能，所以任何太阳电池器件性能参数的测定，最终都要以太阳光为测试标准。实验室中常用的AM1.5G测量标准的辐射照度是100毫瓦/平方厘米。当用太阳模拟光进行聚合物太阳电池性能测试时，首先要用标准电池确定光源是否复合AM1.5G的辐照度。标准硅太阳电池经过校准：在AM1.5G标准光谱下，即100毫瓦/平方厘米辐射照度的光照射时，得到的短路电流为125毫安。确定辐照度后，即可对器件进行测试。用太阳模拟光进行太阳电池性能测试，可以方便地得出太阳模拟光的能量转换效率，其计算方法可直接由定义得到：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\mathrm{MAX}}}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{{\left(\mathrm{IV}\right)}_{\mathrm{MAX}}/S}{P_{\mathrm{in}}}\×100(\%)---(2-15)$

其中P_MAX为最大输出功率(单位：mW)，P_in为辐射照度(单位：毫瓦/平方厘米)，S为器件的有效面积(单位：平方厘米)。测量聚合物本体异质结太阳电池性能的设备装置如表1所示。

表1

为显示本发明所采用的本发明涉及器件结构和方法在增强聚合物本体异质结太阳电池性能上的效果，另外采用常规器件作为参比。

实施例1

选用图2所示的聚合物本体异质结太阳电池器件结构，选用聚[2，7-(9，9-二辛基)芴-9，9-(双(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基)芴二溴-4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑](PFNBr-DBT15)作为阴极界面层，芴与4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑的共聚物聚[2，7-(9，9-二辛基)芴-共聚-4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑](PFO-DBT35)作为聚合物电子给体材料，PCBM为电子受体材料，有无阴极界面层对聚合物本体异质结太阳电池器件性能的影响见表2。

由此可以看出，以PFNBr-DBT15作为界面层的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.60-0.75伏特，大幅度提高到0.90-1.00伏特(如图3所示)。

表2

实施例2

重复实施例1，选用聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴-4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑](PFN-DBT15)作为阴极界面层，其它条件不变。

实验结果总结于表3。

表3

由表3可以看出，聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴-4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑(PFN-DBT15)作为阴极界面层的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.60-0.75伏特，大幅度提高到0.85伏特。

实施例3

重复实施例1，选用聚[2，5-二辛氧基-1，4-亚苯基-2，5-(双(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基-1，4-亚苯基]二溴(PPPNBr)作为阴极界面层，其它条件不变。实验结果总结于表4。

表4

由表4可以看出，聚[2，5-二辛氧基-1，4-亚苯基-2，5-(双(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基-1，4-亚苯基]二溴(PPPNBr)作为阴极界面层的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.60-0.75伏特，大幅度提高到0.90-1.00伏特(如图3所示)。

实施例4

重复实施例1，选用聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴-2，2′-(2，5-噻吩)-6，6′-双(4-苯基喹啉)-2，1，3-苯并噻二唑](PFN-TPQ5-BTDZ0.5)作为阴极界面层，其它条件不变。实验结果总结于表5。

表5

由表5可以看出，以聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴-2，2′-(2，5-噻吩)-6，6′-双(4-苯基喹啉)-2，1，3-苯并噻二唑](PFN-TPQ5-BTDZ0.5)作为阴极界面层的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.60-0.75伏特，提高到0.80伏特。

实施例5

重复实施例1，用聚[2，7-(N-(2-乙基己基)咔唑)-共聚-2，7-N-(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基咔唑]二溴(PCzNBr)作为阴极界面层，芴与2，5-双(2-噻吩基)silole共聚物PFO-TST50作为聚合物电子给体材料，PCBM为电子受体材料，有无阴极界面层对聚合物本体异质结太阳电池器件性能的影响见表。实验结果总结于表6。

表6

由表6可以看出，用聚[2，7-(N-(2-乙基己基)咔唑)-共聚-2，7-N-(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基咔唑]二溴(PCzNBr)作为阴极界面层，芴与2，5-双(2-噻吩基)silole共聚物PFO-TST50作为聚合物电子给体材料的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.65-0.70伏特，提高到0.80伏特。

实施例6

重复实施例2，用芴与2，5-双(2-噻吩基)silole共聚物PFO-TST50作为聚合物电子给体材料，其它条件不变。实验结果总结于表7。

表7

由表7可以看出，聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴-4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑]二溴(PFNBr-DBT15)作为阴极界面层，芴与2，5-双(2-噻吩基)silole共聚物PFO-TST50作为聚合物电子给体材料的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.65-0.70伏特，提高到0.80伏特。

实施例7

重复实施例3，用芴与2，5-双(2-噻吩基)silole共聚物PFO-TST50作为聚合物电子给体材料，其它条件不变。实验结果总结于表8。

表8

由表8可以看出，以聚[1，4-亚苯基-9，9-(双(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基芴]二溴(PFPNBr)作为阴极界面层，芴与2，5-双(2-噻吩基)silole共聚物PFO-TST50作为聚合物电子给体材料的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.65-0.70伏特，提高到0.80伏特。

实施例8

重复实施例1，用本实验室合成的[6，6]-苯基-C 61-丁酸甲酯(PCBM)作为电子受体材料，其它条件不变。实验结果总结于表9。

表9

由表9可以看出，聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴-4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑]二溴(PFNBr-DBT15)作为阴极界面层，以芴与4，7-二噻吩-2-基-2，1，3-苯并噻二唑的共聚物PFO-DBT35作为聚合物电子给体材料本实验室合成的PCBM作为电子受体材料的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.70-0.80伏特，大幅提高到1.05伏特。

实施例9

重复实施例3，用本实验室合成的[6，6]-苯基-C 61-丁酸甲酯(PCBM)作为电子受体材料，其它条件不变。实验结果总结于表10。

表10

由表9可以看出，以聚[1，4-亚苯基-9，9-(双(3’-(N，N-二甲基)-N-乙基铵)丙基芴]二溴(PFPNBr)为阴极界面层，以PFO-DBT35作为聚合物电子给体材料，本实验室合成的PCBM作为电子受体材料的聚合物本体异质结太阳电池，与常规器件相比，其开路电压由0.70-0.80伏特，大幅提高到1.05伏特。

Claims (6)

1.一种聚合物本体异质结太阳电池，其特征在于包括依次层叠的玻璃衬底(1)、阳极(2)、阳极缓冲层(3)、光活性层(4)，阴极界面层(5)和阴极(6)；所述阴极界面层(5)的材料采用含有极性基团的极性单元共轭聚合物，或者该共轭聚合物对应的聚电介质；所述含有极性基团的极性单元共轭聚合物具有如下结构：

式中：x，y，z为分子摩尔分数，且0.5≤x≤1；0≤y+z≤0.5；x+y+z＝1；聚合度n为1～300；

A为含有极性基团的极性共轭单元，具有如下其中一种或多种结构的组合：

芴：

其中R₁，R₂为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基中一个或多个的侧链；

对苯：

其中R₁，R₂为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基中一个或多个的侧链；

SPIRO-对苯：

其中R₁，R₂为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基中一个或多个的侧链；

咔唑：

其中R₁为带有胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基、磷酸基中一个或多个的侧链；

B为非极性共轭单元，具有如下的一种或几种结构：

芴：

其中R₃，R₄为H或C₁-C₂₀的烷基；

对苯：

其中R₃，R₄为H或C₁-C₂₀的烷基、烷氧基；

SPIRO-对苯：其中R₃，R₄为H或C₁-C₂₀的烷基；

咔唑：

其中R₃为H或C₁-C₂₀的烷基；

C为含有硫，硅，氮，硒的芳杂环单元，具有如下的一种或几种结构：

苯并噻(硒)二唑及其衍生物：

其中，X为硫(S)或硒(Se)，R₅，R₆，R₇，R₈-为H，或C₁～C₁₀的烷基；

喹啉及其衍生物：

噻吩及其衍生物：

硒吩及其衍生物：

喹喔啉衍生物：

其中，X为硫或硒，R₉，R₁₀为H，或C₁～C₁₀的烷基；

噻咯衍生物：

其中，X为硫或硒，R₁₁，R₁₂-为H，或C₁～C₁₀的烷基，或对苯基。

2.根据权利要求1所述的聚合物本体异质结太阳电池，其特征在于所述光活性层(4)由共轭聚合物作为电子给体材料，碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物或者无机半导体纳米颗粒作为电子受体材料，电子给体材料和电子受体材料在有机溶剂中组成混合溶液，经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、印刷或喷墨打印方式形成光活性层(4)。

3.根据权利要求1所述的聚合物本体异质结太阳电池，其特征在于所述光活性层(4)以共轭聚合物作为电子给体材料，和碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物或者无机半导体纳米颗粒作为电子受体材料叠层构成。

4.根据权利要求1所述的聚合物本体异质结太阳电池，其特征在于所述光活性层(4)以有机小分子半导体材料作为电子给体材料，和碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物或者无机半导体纳米颗粒作为电子受体材料叠层构成。

5.制备权利要求1～4任一项所述的聚合物本体异质结太阳电池的方法，其特征在于将作为阴极界面层的聚合物溶于极性有机溶剂中制备成溶液，溶液浓度为0.0001-0.05克/立方厘米；并将所述溶液采用旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、印刷或喷墨打印方式在光活性层(4)上形成阴极界面层(5)，其厚度为0.5～100纳米。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述极性有机溶剂为醇或醇与水的混合溶剂。

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