CN101494255B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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％。

Description

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(Advanced Materials，2006，18，2884-2889)，光学带隙为1.46电子伏特(Advanced Functional Materials，2007，17，632-636)，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-C61-2-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高。
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-C61-2-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-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(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℃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。
通过以上步骤制成结构为ITO/PEDOT: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1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-C61-2-丁酸甲脂共混物溶液中加入沸点为224℃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-C61-2-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％。
附图说明
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1，3-二甲基咪唑啉酮。
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℃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，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℃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4×10-4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，PCBM的浓度为21毫克/毫升。50℃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，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，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，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。
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
  DMI∶混合溶液I(体积配比)   开路电压(V)   短路电流(mA/cm<sup>2</sup>)   填充因子   能量转换效率(％)   串联电阻(Ω)
  对比例1   0   0.68   7.68   0.36   1.88   24.90
  实施例1   2∶100   0.67   8.91   0.34   2.00   19.64
  实施例2   4∶100   0.66   10.42   0.38   2.64   12.55
  实施例3   7∶100   0.66   9.36   0.35   2.17   12.51

Claims (1)

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。
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