CN110391341B - 聚合物太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：将一碳纳米管层的一部分设置于一聚合物溶液中，该碳纳米管层包括多个碳纳米管；使所述聚合物溶液固化形成一聚合物层，该聚合物层具有相对的一第一聚合物层表面和一第二聚合物层表面，所述碳纳米管层的一部分嵌入所述聚合物层中，所述碳纳米管层的另一部分暴露在所述聚合物层的第一聚合物层表面；以及将一阴极电极设置在所述碳纳米管层远离所述聚合物层的表面，将一阳极电极设置在所述第一聚合物层表面上，并且该阳极电极与所述碳纳米管层间隔设置。

Description

聚合物太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚合物太阳能电池的制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池具有原料广、成本低、光活性材料可以自行设计合成以及可制备成柔性器件等诸多优点，成为近年来国际上前沿科学的研究热点之一。聚合物太阳能电池的工作原理是：当光照射到聚合物太阳能电池中的光活性材料时，光活性材料吸收光子后产生激子，激子扩散到给体和受体的界面处分离成自由移动的电子和空穴，然后电子通过受体传递至阴极，空穴则通过给体传递至阳极，从而在阴极和阳极之间产生电势差。其中，聚合物太阳能电池对太阳光的利用是影响光电转换效率的一个重要因素，目前常用的方法是通过改变活性层材料来增强其对太阳光的吸收率。
Al-Haik et al.(US20070110977A1)公开了将多个碳纳米管分散在聚合物层中，然后利用磁场使这些碳纳米管定向，并且该定向的碳纳米管和聚合物层所形成的复合物可以作为光活性材料应用于聚合物太阳能电池中。然而，由于碳纳米管被聚合物层包覆，碳纳米管并没有与电极直接接触，从而降低了碳纳米管与电极之间的电传导性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以提高碳纳米管与阴极电极之间的电传导性的聚合物太阳能电池的制备方法。
一种聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
将一碳纳米管层的一部分设置于一聚合物溶液中，该碳纳米管层包括多个碳纳米管；
使所述聚合物溶液固化形成一聚合物层，该聚合物层具有相对的一第一聚合物层表面和一第二聚合物层表面，所述碳纳米管层的一部分嵌入所述聚合物层中，所述碳纳米管层的另一部分暴露在所述聚合物层的第一聚合物层表面；以及
将一阴极电极设置在所述碳纳米管层远离所述聚合物层的表面，将一阳极电极设置在所述第一聚合物层表面上，并且该阳极电极与所述碳纳米管层间隔设置。
与现有技术相比，本发明提供的聚合物太阳能电池的制备方法中，碳纳米管从聚合物层中暴露出来并与阴极电极直接接触，提高了碳纳米管与阴极电极之间的电传导性。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的阳极电极和碳纳米管层的结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的聚合物太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
图4为本发明第一实施例使用的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。
图5为本发明第一实施例使用的碳纳米管絮化膜的扫描电镜照片。
图6为本发明第一实施例使用的包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管的碳纳米管碾压膜的扫描电镜照片。
图7为本发明第一实施例使用的包括多个沿不同方向择优取向排列的碳纳米管的碳纳米管碾压膜的扫描电镜照片。
图8为本发明第二实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图9为本发明第三实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图10为本发明第四实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图11为本发明第四实施例提供的聚合物层和阳极电极组成的整体结构的结构示意图。
图12为本发明第五实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图13为本发明第五实施例提供的聚合物太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
图14为本发明第五实施例提供的将碳纳米管阵列设置于聚合物溶液中的工艺流程图。
图15为本发明第五实施例提供的将碳纳米管阵列设置于聚合物溶液中的另一工艺流程图。
图16为本发明第五实施例提供的预处理碳纳米管阵列的结构示意图。
图17为本发明第六实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图18为本发明第七实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图19为本发明第八实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图20为本发明第九实施例提供的聚合物太阳能电池的结构示意图。
图21为本发明第九实施例提供的阳极电极和阴极电极组成的整体的俯视结构示意图。
图22为图20沿XXII-XXII线的剖面结构示意图。
图23为本发明第九实施例提供的聚合物太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
主要元件符号说明
聚合物太阳能电池 100，200，300，400，500，600，700，800，900
阳极电极 12
子阳极电极 122
光活性层 14
聚合物层 142
第一聚合物层表面 1422
第二聚合物层表面 1424
第三聚合物层表面 1426
第四聚合物层表面 1428
碳纳米管层 143
子碳纳米管层 1432
碳纳米管 144
第一端 1442
第二端 1444
绝缘层 16
阴极电极 18
子阴极电极 182
碳纳米管阵列 20
第一表面 202
第二表面 204
聚合物溶液 22
反射层 24
激子阻挡层 26
容器 28
生长基底 30
弹性支撑体 40
连接部 502
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的聚合物太阳能电池及其制备方法作进一步的详细说明。
请参见图1，本发明第一实施例提供一种聚合物太阳能电池100，包括一阳极电极12、一光活性层14和一阴极电极18。所述光活性层14包括一聚合物层142和一碳纳米管层143，所述聚合物层142具有相对的第一聚合物层表面1422和第二聚合物层表面1424，所述碳纳米管层143包括多个碳纳米管144。所述阴极电极18设置在所述碳纳米管层143远离聚合物层142的表面。所述阳极电极12设置在第一聚合物层表面1422上且与碳纳米管层143间隔设置。
所述聚合物层142在光活性层14中作为电子给体。所述聚合物层142为聚噻吩及其衍生物、聚芴及其衍生物、聚对苯撑乙烯及其衍生物、聚吡咯及其衍生物中的一种或几种。所述聚噻吩衍生物可以为聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene),P3HT)等，所述聚芴衍生物可以为聚双辛基芴(poly(dioctylfluorene))等，所述聚对苯撑乙烯衍生物可以为聚2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1，4-聚苯撑亚乙烯(poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene])等。本实施例中，所述聚合物层142为聚噻吩。
所述多个碳纳米管144在光活性层14中作为电子受体。所述多个碳纳米管144相互平行且间隔设置，并且该多个碳纳米管144的长度基本沿同一方向延伸。该多个碳纳米管144的长度方向平行于第一聚合物层表面1422。所述碳纳米管层143中的一部分碳纳米管144分散在聚合物层142中，另一部分碳纳米管144暴露在所述聚合物层142的外面且位于第一聚合物层表面1422上。位于第一聚合物层表面1422的每一根碳纳米管144也可以部分嵌入聚合物层142中，部分暴露在聚合物层142的外面。所述碳纳米管144可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述多个碳纳米管144具有大致相等的长度。本实施例中，所述多个碳纳米管144形成的碳纳米管层143为多层层叠设置的碳纳米管拉膜。
由于阴极电极18和第一聚合物层表面1422之间存在碳纳米管144，因此阴极电极18和第一聚合物层表面1422没有直接接触，避免了激子分离所产生的空穴从聚合物层142中迁移到阴极电极18，确保空穴从聚合物层142中迁移到阳极电极12中。阳极电极12与碳纳米管144没有接触的原因是：避免激子分离所产生的电子从碳纳米管144中迁移到阳极电极12，以确保电子从碳纳米管144中迁移到阴极电极18中。所述阳极电极12和阴极电极18可以为透明导电层或多孔网状结构，如ITO(铟锡氧化物)层、FTO(氟掺杂氧化锡)层等；也可以为不透明的金属，比如铝、银等。
由于阳极电极12和阴极电极18均位于聚合物层142的同侧(即位于聚合物层142的第一聚合物层表面1422这一侧)，光可以从第二聚合物层表面1424入射进入光活性层14中，因此，阳极电极12和阴极电极18的材料无需必须为透明材料。本实施例中，光从第二聚合物层表面1424入射进入光活性层14中，所述阳极电极12和阴极电极18的材料均为铝。所述阳极电极12和阴极电极18的形状不限。阴极电极18和碳纳米管层143的接触面积越大，迁移到阴极电极18的电子的速度越快。阳极电极12和第一聚合物层表面1422的接触面积越大，迁移到阳极电极12的空穴的速度越快，因此，优选地，阳极电极12的形状为环形，例如，如图2所示的圆环形。
进一步，当所述阳极电极12和阴极电极18中的任何一个是金属膜时，该金属膜同时具有电极和反射光的作用。也即，所述金属膜可以将到达金属膜的光反射到光活性层14中，提高光的利用率。
请参见图3，本发明第一实施例提供所述聚合物太阳能电池100的制备方法，包括以下步骤：
S11，将所述碳纳米管层143设置于一聚合物溶液22中，所述碳纳米管层143包括多个碳纳米管144，每一碳纳米管144的长度方向平行于所述聚合物溶液22的表面，部分碳纳米管144浸入聚合物溶液22中，部分碳纳米管144暴露在聚合物溶液22外面；
S12，使所述聚合物溶液22固化形成聚合物层142，所述聚合物层142具有相对的第一聚合物层表面1422和第二聚合物层表面1424，该第一聚合物层表面1422的面积大于碳纳米管层143远离聚合物层142的表面的面积，部分碳纳米管144嵌入聚合物层142中，部分碳纳米管144暴露在聚合物层142外面；以及
S13，将所述阴极电极18设置在碳纳米管层143远离聚合物层142的表面，将所述阳极电极12设置在第一聚合物层表面1422上，并且该阳极电极12与所述碳纳米管层143间隔设置。
步骤S11中，所述碳纳米管层143包括多层层叠设置的碳纳米管膜。所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或者碳纳米管碾压膜。
请参见图4，所述碳纳米管拉膜包括多个首尾相连且沿同一方向延伸的碳纳米管144。所述碳纳米管144均匀分布，且平行于碳纳米管拉膜表面。所述碳纳米管拉膜中的碳纳米管144之间通过范德华力连接。一方面，首尾相连的碳纳米管144之间通过范德华力连接，另一方面，平行的碳纳米管144之间部分亦通过范德华力结合，故，该碳纳米管拉膜具有一定的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，且具有良好的自支撑性能。所述碳纳米管拉膜可通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。
当所述碳纳米管层143包括至少两层重叠设置的碳纳米管拉膜时，相邻的碳纳米管拉膜之间通过范德华力紧密结合。进一步，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管144的延伸方向之间形成一夹角α，0≤α≤90度，具体可依据实际需求而进行调整。所述碳纳米管层143的层数为几十层至几百层，比如碳纳米管层143的层数为2层至200层。本实施例中，所述碳纳米管层143为三层重叠交叉设置的碳纳米管拉膜，并且相邻两层碳纳米管拉膜中碳纳米管144的延伸方向形成的夹角为90度。
请参见图5，所述碳纳米管絮化膜为各向同性，其包括多个无序排列且均匀分布的碳纳米管144。碳纳米管144之间通过范德华力相互吸引、相互缠绕。因此，碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，且具有良好的自支撑性能。
请参见图6和图7，所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管144，碳纳米管144沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管144与碳纳米管碾压膜的表面成一夹角α，其中，α大于等于零度且小于等于15度(0≤α≤15°)。优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管144平行于碳纳米管碾压膜的表面。依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管144具有不同的排列形式。请参见图6，碳纳米管144在碳纳米管碾压膜中可沿一固定方向择优取向排列；请参见图7，碳纳米管碾压膜中的碳纳米管144可沿不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管144部分交叠。所述碳纳米管碾压膜中碳纳米管144之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管144之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜具有良好的自支撑性能。所述碳纳米管碾压膜可通过沿一定方向或不同方向碾压一碳纳米管阵列获得。
所述自支撑是指所述碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜均不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身层状状态，即将所述碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜置于(或固定于)间隔一固定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜能够保持自身层状状态。
所述聚合物溶液22是将一聚合物材料分散在一有机溶剂中形成。所述有机溶剂不限，只要可以将该聚合物材料溶解即可。
步骤S12中，使聚合物溶液22固化的方法不限，例如加热等。优选地，每一碳纳米管144的长度方向平行于所述第一聚合物层表面1422。
步骤S13中，设置所述阴极电极18和阳极电极12的方法不限，比如溅射、蒸镀、涂覆，或者铺设预先制备好的电极，例如金属片等。由于相邻碳纳米管144之间具有间隙，在设置阴极电极18时，将预先制备的电极直接铺设在碳纳米管层143远离聚合物层142的表面，以避免电极材料穿过相邻碳纳米管144之间的间隙与第一聚合物层表面1422直接接触。
请参见图8，本发明第二实施例提供一种聚合物太阳能电池200。第二实施例的聚合物太阳能电池200与第一实施例的聚合物太阳能电池100基本相同，其区别是：第二实施例的聚合物太阳能电池200进一步包括一反射层24，该反射层24设置在阴极电极18远离聚合物层142的表面，此时，第二聚合物层表面1424为光的入射面。可以理解，当阴极电极18远离聚合物层142的一面为光的入射面时，该反射层24也可以设置在第二聚合物层表面1424。
该反射层24的作用是：当光从第二聚合物层表面1424进入光活性层14时，部分光可能到达阴极电极18，设置在阴极电极18远离聚合物层142的表面的反射层24可以使到达阴极电极18的光再反射到光活性层14中，提高光的利用率。当光从透明的阴极电极18进入光活性层14时，部分光可能从第二聚合物层表面1424射出去，设置在第二聚合物层表面1424的反射层24可以使本来射出去的光再反射到光活性层14中，提高光的利用率。所述反射层24采用高反射率材料，可以是但不限于金属或金属合金材料。例如，金、银、铝、钙和铝的合金，或者镁和银的合金等。
本发明第二实施例进一步提供所述聚合物太阳能电池200的制备方法。第二实施例的聚合物太阳能电池200的制备方法与第一实施例的聚合物太阳能电池100的制备方法基本相同，其区别是：第二实施例的聚合物太阳能电池200的制备方法进一步包括一设置反射层24的步骤，可以采用溅射、涂覆、蒸镀等方式设置反射层24。
请参见图9，本发明第三实施例提供一种聚合物太阳能电池300。第三实施例的聚合物太阳能电池300与第一实施例的聚合物太阳能电池100基本相同，其区别是：第三实施例的聚合物太阳能电池300进一步包括一激子阻挡层26，该激子阻挡层26可以设置在聚合物层142和阳极电极12之间，也可以设置在碳纳米管层143和阴极电极18之间。所述激子阻挡层26的作用是：光进入光活性层14后产生激子，激子阻挡层26阻止激子向阴极电极18或者阳极电极12扩散，促使激子全部扩散到给体和受体的界面处进而分离成电子和空穴，提高了激子的利用率，从而提高了聚合物太阳能电池100光电转换的效率。所述激子阻挡层26的材料为有机材料，比如Zn4O(AID)6、BAlQ3、BCP、Bphen、Alq3、TAZ、TPBI中等。
本发明第三实施例进一步提供所述聚合物太阳能电池300的制备方法。第三实施例的聚合物太阳能电池300的制备方法与第一实施例的聚合物太阳能电池100的制备方法基本相同，其区别是：第三实施例的聚合物太阳能电池300的制备方法进一步包括一设置激子阻挡层26的步骤。具体的，在聚合物溶液22固化形成聚合物层142之后，并且在设置阴极电极18和阳极电极12之前，采用溅射、涂覆、蒸镀等方式在聚合物层142的第一聚合物层表面1422设置激子阻挡层26。
请参见图10，本发明第四实施例提供一种聚合物太阳能电池400。第四实施例的聚合物太阳能电池400与第一实施例的聚合物太阳能电池100基本相同，其区别是二者阳极电极12所处的位置不同：第一实施例的聚合物太阳能电池100中，阳极电极12和阴极电极18均位于聚合物层142的同侧(即位于聚合物层142的第一聚合物层表面1422这一侧)；第四实施例的聚合物太阳能电池400中，阳极电极12位于聚合物层142的侧面，也即聚合物层142具有相对的第三聚合物层表面1426和第四聚合物层表面1428，并且所述第三聚合物层表面1426和第四聚合物层表面1428均连接所述第一聚合物层表面1422和第二聚合物层表面1424，所述阳极电极12位于第三聚合物层表面1426或第四聚合物层表面1428。另外，如图11所示，所述阳极电极12也可以环绕聚合物层142的整个侧面，也即阳极电极12的形状为环形。
本发明第四实施例进一步提供所述聚合物太阳能电池400的制备方法。第四实施例的聚合物太阳能电池400的制备方法与第一实施例的聚合物太阳能电池100的制备方法基本相同，其区别是：第四实施例的聚合物太阳能电池400的制备方法将阳极电极12设置于第三聚合物层表面1426或第四聚合物层表面1428。
请参见图12，本发明第五实施例提供一种聚合物太阳能电池500。第五实施例的聚合物太阳能电池500与第一实施例的聚合物太阳能电池100基本相同，其区别是：(1)第五实施例的聚合物太阳能电池500进一步包括一绝缘层16，该绝缘层16位于阴极电极18和聚合物层142之间，并且绝缘层16与阴极电极18和第一聚合物层表面1422均直接接触；(2)第五实施例的聚合物太阳能电池500中，所述碳纳米管144的长度延伸方向垂直于第一聚合物层表面1422，并且碳纳米管144从聚合物层142延伸出来并穿过绝缘层16与阴极电极18直接接触。第五实施例的聚合物太阳能电池500中，每一碳纳米管144具有相对的第一端1442和第二端1444，第一端1442被包埋在阴极电极18中，第二端1444被包埋在聚合物层142中。也即，每一碳纳米管144由第一部分、第二部分和第三部分组成，第一部分嵌在聚合物层142中，第二部分嵌在绝缘层16中，第三部分嵌在阴极电极18中。
所述绝缘层16的作用是：使阴极电极18与作为电子给体的聚合物层142之间电绝缘，以避免激子分离所产生的空穴从聚合物层142中迁移到阴极电极18，以确保空穴从聚合物层142中迁移到阳极电极12中。所述绝缘层16可以是透明的，也可以是不透明的。当光穿过阴极电极18和绝缘层16到达光活性层14时，所述绝缘层16需要是透明的；当光从第二聚合物层表面1424入射时，所述绝缘层16可以是透明也可以是不透明。用于制备透明绝缘层16的材料不限，可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚氟乙烯(PVF)等高分子材料。用于制备不透明绝缘层16的材料不限，可以为硅胶等，硅胶的主要成分是二氧化硅。本实施例中，所述绝缘层16的材料是PMMA。
进一步，所述聚合物太阳能电池500可以包括所述反射层24，该反射层24设置在阴极电极18远离绝缘层16的表面，或者设置在第二聚合物层表面1424。
进一步，所述聚合物太阳能电池500可以包括所述激子阻挡层26，该激子阻挡层26可以设置在阳极电极12和第一聚合物层表面1422，或者设置在光活性层14和绝缘层16之间。当激子阻挡层26设置在光活性层14和绝缘层16之间时，多个碳纳米管144穿过激子阻挡层26和绝缘层16后进入阴极电极18。
由于阳极电极12和阴极电极18均位于聚合物层142的同侧(即位于聚合物层142的第一聚合物层表面1422这一侧)，光可以从第二聚合物层表面1424入射进入光活性层14中，因此阳极电极12、阴极电极18和绝缘层16的材料均无需必须为透明材料。另外，由于碳纳米管144轴向方向的导电性好，而垂直于碳纳米管144轴向方向的导电性差，因此碳纳米管144的第一端1442从聚合物层142中暴露出来，并且与阴极电极18直接接触，提高了碳纳米管144与阴极电极18之间的电传导性。
请参见图13，本发明第五实施例提供所述聚合物太阳能电池500的制备方法，包括以下步骤：
S51，将一碳纳米管阵列20设置于一聚合物溶液22中，所述碳纳米管阵列20包括多个碳纳米管144，每一碳纳米管144具有相对的第一端1442和第二端1444，每一碳纳米管144的第一端1442暴露在聚合物溶液22外面，每一碳纳米管144的第二端1444浸入聚合物溶液22中并且被聚合物溶液22包覆；
S52，使所述聚合物溶液22固化形成聚合物层142，所述聚合物层142具有相对的第一聚合物层表面1422和第二聚合物层表面1424，所述碳纳米管144的第一端1442暴露在第一聚合物层表面1422的外面，所述碳纳米管144的第二端1444被聚合物层142包覆；
S53，将所述绝缘层16设置在所述聚合物层142的第一聚合物层表面1422，碳纳米管144的第一端1442穿过绝缘层16并且暴露在绝缘层16的外面；
S54，将所述阴极电极18设置在绝缘层16远离聚合物层142的表面，并且碳纳米管144的第一端1442嵌入阴极电极18中并被阴极电极18包覆；以及
S55，将所述阳极电极12设置在第一聚合物层表面1422上，并且该阳极电极12与所述碳纳米管144间隔设置。
步骤S51中，所述碳纳米管阵列20具有相对的第一表面202和第二表面204，该多个碳纳米管144的从第一表面202延伸至第二表面204。所述多个碳纳米管144彼此平行且间隔设置。所有碳纳米管144的第一端1442共同形成碳纳米管阵列20的第一表面202，所有碳纳米管144的第二端1444共同形成碳纳米管阵列20的第二表面204，该多个碳纳米管144的长度延伸方向垂直于所述碳纳米管阵列20的第一表面202。所述碳纳米管144的长度大于等于100纳米，优选为100纳米～10毫米，例如100微米、500微米、1000微米、5毫米。可以理解，本实施例中，所述碳纳米管层143就是所述碳纳米管阵列20。
将所述碳纳米管阵列20设置于所述聚合物溶液22中，每一碳纳米管144的第一端1442暴露在聚合物溶液22的外面，第二端1444浸入聚合物溶液22中并且被聚合物溶液22包覆的方法不限。本发明提供两种方法，但该方法并不对本发明造成限制。
请参见图14，第一种方法包括以下步骤：
步骤S511，在一生长基底30上生长所述碳纳米管阵列20，每一碳纳米管144的第一端1442与生长基底30直接接触，每一碳纳米管144的第二端1444远离生长基底30；
步骤S512，将所述聚合物溶液22放置于一容器28内；以及
步骤S513，将生长基底30倒置，使碳纳米管阵列20部分浸入聚合物溶液22中，也即每一碳纳米管144的一部分浸入聚合物溶液22中，并且每一碳纳米管144的第二端1444被聚合物溶液22包覆。
步骤S511中，所述碳纳米管阵列20优选为超顺排碳纳米管阵列20，该碳纳米管阵列20的制备方法包括以下步骤：(a)提供一平整生长基底30，该生长基底30可选用P型或N型硅生长基底30，或选用形成有氧化层的硅生长基底30，本实施例优选为采用4英寸的硅生长基底30；(b)在生长基底30表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的生长基底30在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的生长基底30置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到碳纳米管阵列20。
步骤S513中，将生长基底30倒置并使碳纳米管阵列20部分浸入聚合物溶液22中的方法不限，例如，可以采用镊子等工具夹持生长基底30，使生长基底30倒置。
可以理解，采用第一种方法使碳纳米管阵列20设置于聚合物溶液22中时，步骤S53之前需要进一步包括一去除所述生长基底30的步骤。去除生长基底30的方法不限，例如，采用刀片等工具将生长基底30剥离，或者采用激光等工具将生长基底30刻蚀。
请参见图15，第二种方法包括以下步骤：
S511’，在所述生长基底30上生长所述碳纳米管阵列20，每一碳纳米管144的第一端1442与生长基底30直接接触，每一碳纳米管144的第二端1444远离生长基底30；
S512’，去除所述生长基底30；
S513’，将所述聚合物溶液22放置于一容器28内；以及
S514’，将所述碳纳米管阵列20部分浸入聚合物溶液22中。
步骤S512’中，去除生长基底30的方法为采用刀片、胶带或其他工具将碳纳米管阵列20从生长基底30整体剥离。由于所述碳纳米管阵列20中相邻碳纳米管144之间通过范德华力连接，采用刀片、胶带或其他工具沿着垂直于碳纳米管144的轴向的方向慢慢将碳纳米管阵列20从生长基底30上整体剥离后，可以得到一具有自支撑结构的碳纳米管阵列20。所述自支撑为碳纳米管阵列20不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身层状状态，即，该碳纳米管阵列20被间隔一距离设置的两个支撑物固定时，位于两个支撑物之间的碳纳米管阵列20能够保持自身层状状态。因此，该自支撑的碳纳米管阵列20可以被间隔一定距离的两个支撑物固定。所述支撑物可以为镊子、胶带等。本实施例中，两个镊子间隔设置，分别夹持碳纳米管阵列20的两边。
可以理解，无论采用第一种方法还是第二种方法使碳纳米管阵列20设置于聚合物溶液22中，在步骤S52中聚合物溶液22固化为聚合物层142之后进一步包括一去除所述容器28的步骤，例如将容器28中的整体结构直接从容器28中取出。
步骤S53中，设置绝缘层16的方法不限，比如先将绝缘层16制成溶液，再将该溶液通过喷涂或旋涂等方式设置在聚合物层142的第一聚合物层表面1422。本实施例中，将PMMA溶解在有机溶剂中制备成PMMA溶液，并将该PMMA溶液涂覆在聚合物层142的第一聚合物层表面1422，PMMA溶液渗透至碳纳米管144的间隙中，并且PMMA溶液的高度小于从聚合物层142中暴露出来的碳纳米管144的长度。固化后，该PMMA溶液形成PMMA绝缘层16，该PMMA绝缘层16的厚度小于从聚合物层142中暴露出来的碳纳米管144的长度。也即，碳纳米管144的第一端1442穿过PMMA绝缘层16并且暴露在PMMA绝缘层16的外面。
步骤S54中设置阴极电极18的方法、步骤S55中设置阳极电极12的方法和第一实施例的步骤S13中设置阴极电极18和阳极电极12的方法相同，这里不再赘述。可以理解，设置阳极电极12的步骤S55也可以在设置阴极电极18的步骤S54之前进行。
进一步，在固化聚合物溶液22之前，可以包括一预处理所述碳纳米管阵列20的步骤，请参见图16，该具体过程为：(1)将碳纳米管阵列20粘在一弹性支撑体40的表面，每一根碳纳米管144的长度延伸方向垂直于弹性支撑体40的该表面，优选地，采用胶粘剂将碳纳米管阵列20粘在弹性支撑体40上。(2)将弹性支撑体40的两端分别向相反的方向拉伸，在拉力的作用下，随着弹性支撑体40被拉伸，碳纳米管阵列20也被拉伸，相邻碳纳米管144之间的距离增大。拉伸速度可以根据碳纳米管阵列20进行选择，拉伸速度太大的话，碳纳米管阵列20容易破裂导致碳纳米管144散落。优选地，弹性支撑体40的拉伸速度小于2厘米每秒。预处理碳纳米管阵列20的优点是：拉伸碳纳米管阵列20后，相邻碳纳米管144之间的距离增大，有利于绝缘层16的材料进入相邻碳纳米管144之间。所述弹性支撑体40具有较好的弹性，弹性支撑体40的形状和结构不限，其可为一平面结构或一曲面结构。所述弹性支撑体40可以为弹性橡胶或者橡皮筋等。所述弹性支撑体40用于支撑并拉伸所述碳纳米管阵列20。可以理解，预处理碳纳米管阵列20后，进一步包括一去除所述弹性支撑体40的步骤。
请参见图17，本发明第六实施例提供一种聚合物太阳能电池600。第六实施例的聚合物太阳能电池600与第五实施例的聚合物太阳能电池500基本相同，其区别是二者阳极电极12所处的位置不同：第五实施例的聚合物太阳能电池500中，阳极电极12和阴极电极18均位于聚合物层142的同侧(即位于聚合物层142的第一聚合物层表面1422这一侧)；第六实施例的聚合物太阳能电池600中，阳极电极12位于聚合物层142的侧面，也即聚合物层142具有相对的第三聚合物层表面1426和第四聚合物层表面1428，所述阳极电极12位于第三聚合物层表面1426或第四聚合物层表面1428。
本发明第六实施例进一步提供所述聚合物太阳能电池600的制备方法。第六实施例的聚合物太阳能电池600的制备方法与第五实施例的聚合物太阳能电池500的制备方法基本相同，其区别是：第六实施例的聚合物太阳能电池600的制备方法将阳极电极12设置于第三聚合物层表面1426或第四聚合物层表面1428。
请参见图18，本发明第七实施例提供一种聚合物太阳能电池700。第七实施例的聚合物太阳能电池700与第五实施例的聚合物太阳能电池500基本相同，其区别是：第七实施例的聚合物太阳能电池700中，碳纳米管144的第一端1442与绝缘层16远离聚合物层142的表面齐平；碳纳米管144的第一端1442与阴极电极18的表面直接接触，并未嵌入到阴极电极18的内部。
第七实施例的聚合物太阳能电池700的制备方法与第五实施例的聚合物太阳能电池500的制备方法基本相同，其区别是：第七实施例的聚合物太阳能电池700的制备方法中，采用溅射、涂覆、蒸镀等方式设置绝缘层16时，使得绝缘层16覆盖碳纳米管144，但是将碳纳米管144的第一端1442暴露出来，并且使碳纳米管144的第一端1442与绝缘层16远离聚合物层142的表面齐平。由于碳纳米管144的第一端1442与绝缘层16远离聚合物层142的表面齐平，当在绝缘层16远离聚合物层142的表面设置阴极电极18时，碳纳米管144的第一端1442与阴极电极18直接接触，但并未嵌入阴极电极18的内部。
请参见图19，本发明第八实施例提供一种聚合物太阳能电池800，该聚合物太阳能电池800与第五实施例提供的聚合物太阳能电池500基本相似，其区别是：第五实施例提供的聚合物太阳能电池500中，碳纳米管144的长度延伸方向垂直于聚合物层142的第一聚合物层表面1422；第八实施例提供的聚合物太阳能电池800中，碳纳米管144的长度延伸方向与聚合物层142的第一聚合物层表面1422形成一夹角，该夹角大于0并且小于90度。优选地，该夹角大于30并且小于60度。所述聚合物太阳能电池800的优点是：由于碳纳米管144在聚合物层142中倾斜，增大了碳纳米管144与聚合物层142接触的表面，也即碳纳米管144受体与聚合物层142给体的接触表面或界面增大，有利于更多的激子形成电子和空穴，从而提高聚合物太阳能电池800的光电转换效率。
本发明第八实施例进一步提供聚合物太阳能电池800的制备方法，该制备方法与第五实施例的聚合物太阳能电池500的制备方法基本相同，其区别是：第八实施例提供的聚合物太阳能电池800的制备方法中，在聚合物溶液22固化成聚合物层142之前，进一步包括一挤压碳纳米管阵列20的步骤。具体的，可以采用一施压装置挤压碳纳米管阵列20，使碳纳米管144倾斜。通过压力大小的控制，可以控制碳纳米管144的倾斜程度，从而使碳纳米管144的长度延伸方向与聚合物层142的第一聚合物层表面1422或者聚合物溶液22的表面形成大于0且小于90度的夹角。优选地，该夹角大于30并且小于60度。
请参见图20和图21，本发明第九实施例提供一种聚合物太阳能电池900，该聚合物太阳能电池900与第一实施例的聚合物太阳能电池100基本相同，其区别是：聚合物太阳能电池900中阳极电极12、阴极电极18的形状和聚合物太阳能电池100中阳极电极12、阴极电极18的形状不同。
所述聚合物太阳能电池900中，阳极电极12包括多个子阳极电极122，阴极电极18包括多个子阴极电极182。多个子阳极电极122和多个子阴极电极182间隔并且交替设置在第一聚合物层表面1422上，多个子阳极电极122相互电连接，多个子阴极电极182相互电连接。具体的，多个子阳极电极122通过连接部502电连接，多个子阴极电极182通过连接部502电连接，如图21所示。所述连接部502起到电连接的作用，由导电材料制成，比如金属等。可以理解，所述连接部502可以与多个子阳极电极122一体成型制作在一起，所述连接部502也可以与多个子阴极电极182一体成型制作在一起，形成叉齿电极。
请参见图22，图22为图20沿XXII-XXII线的剖面结构示意图，为了清楚地显示子碳纳米管层1432、子阴极电极182和子阳极电极122之间的位置关系，图22省略了所述连接部502。由图22可知，暴露在聚合物层142外面的碳纳米管层143包括多个子碳纳米管层1432，该多个子碳纳米管层1432间隔设置，每一个子阴极电极182设置在一个子碳纳米管层1432远离聚合物层142的表面。所述多个子碳纳米管层1432和多个子阳极电极122间隔并且交替设置在所述第一聚合物层表面1422上。
请参见图23，本发明第九实施例进一步提供聚合物太阳能电池900的制备方法，该制备方法与第一实施例的聚合物太阳能电池100的制备方法基本相同，其区别是：聚合物太阳能电池900的制备方法中，在聚合物溶液22固化形成聚合物层142之后，将暴露在聚合物层142外面的碳纳米管层143图案化，例如，采用刻蚀等方法，形成多个间隔设置的子碳纳米管层1432。然后在每一个子碳纳米管层1432远离聚合物层142的表面设置子阴极电极182，在相邻子碳纳米管层1432之间的间隙设置子阳极电极122，并且确保子阳极电极122与相邻的子碳纳米管层1432间隔设置。也即，碳纳米管层143与阴极电极18具有相同的形状。
相对于现有技术，本发明提供的聚合物太阳能电池的制备方法具有以下优点：1、碳纳米管从聚合物层中暴露出来并与阴极电极直接接触，提高了碳纳米管与电极之间的电传导性；2、本发明利用碳纳米管拉膜、碳纳米管沿一固定方向延伸的碳纳米管碾压膜，或者碳纳米管阵列与聚合物层的复合来制备聚合物太阳能电池，由于碳纳米管拉膜、碳纳米管沿一固定方向延伸的碳纳米管碾压膜，或者碳纳米管阵列中多个碳纳米管本身就是定向排列，无需再借助磁场等外界力量使碳纳米管定向。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种聚合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
将一碳纳米管层的一部分设置于一聚合物溶液中，该碳纳米管层包括多个碳纳米管；
使所述聚合物溶液固化形成一聚合物层，该聚合物层具有相对的一第一聚合物层表面和一第二聚合物层表面，所述碳纳米管层的一部分嵌入所述聚合物层中，所述碳纳米管层的另一部分暴露在所述聚合物层的第一聚合物层表面，所述聚合物层和所述碳纳米管层形成一光活性层，所述多个碳纳米管的长度延伸方向平行于所述第一聚合物层表面；以及
将一阴极电极设置在所述碳纳米管层远离所述聚合物层的表面，将一阳极电极设置在所述第一聚合物层表面上，所述阳极电极与所述第一聚合物层表面直接接触，并且该阳极电极与所述碳纳米管层间隔设置；所述光活性层吸收光子后产生激子，所述激子扩散到所述聚合物层和所述碳纳米管的界面处并分离成电子和空穴，所述电子从所述碳纳米管迁移到所述阴极电极。
2.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述多个碳纳米管首尾相连且沿同一方向延伸。
3.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述聚合物层为聚噻吩及其衍生物、聚芴及其衍生物、聚对苯撑乙烯及其衍生物、聚吡咯及其衍生物中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述阳极电极的形状为环形。
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