[发明专利]一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物太阳能电池领域，特别是一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法及其电池的制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池由于成本低、工艺简单、与柔性衬底相兼容等独特优势而倍受青睐。随着新型高效聚合物给、受体材料的不断合成、器件结构的不断优化以及对聚合物太阳电池机理研究的日益深入，聚合物太阳电池的器件性能有了大幅的提高，也最有望率先实现商业化。为了便于激子的扩散与分离，以及载流子的传输，目前高效聚合物太阳电池多采用体相异质结结构，即活性层由给体和受体物理共混而成。太阳电池的性能很大程度上依赖于活性层形态、形貌的优化。影响活性层形貌的因素主要包括给受体材料本身的性质、结晶性、分子结构等。研究表明电池的性能与活性层的形貌和电池的界面接触密切相关，活性层的好坏决定着载流子的产生和传输，而界面接触则影响载流子的收集。优化活性层的形貌使给体与受体之间的界面接触面积增加，形成良好的两相连续的给、受体载流子通道，提高电子给体的结晶度和有序度从而提高空穴载流子的迁移率都能使电池的整体性能大幅提高。

目前基于可溶性聚噻吩（P₃HT）和富勒烯衍生物共混的活性层体系通过加热退火和溶剂退火两种处理手段提高电池的性能。对于采用玻璃态转变温度较高的半晶性材料为活性层的聚合物太阳电池，通常需要进行热退火处理使活性层由无序态转变为具有一定的晶相结构，提高聚合物排列的有序性和结晶度，提高载流子的迁移率，最终提高器件的性能。所以加热退火处理成为提高体相异质结器件性能的常用手段。虽然热退火能改善电池的性能，但加热退火有如下不足。第一：如果有机半导体的玻璃转化温度较高，退火温度过高不易于与柔性衬底兼容。第二：由于有机半导体材料对温度很敏感，使得有机电池的最佳热退火工艺条件的窗口很小，热退火的温度和时间难以控制。第三：为了防止空气中的水和氧与有机活性层发生反应，热退火必须在有保护气体环境中进行。溶剂退火是将共混的薄膜置于溶剂自然挥发形成的气氛中一段时间进行退火，需要在保护气体氛围下进行，并且制备的时间很长。然而在实际的实验环境中，维持无水氧的保护气体是很困难的，特别是需要在整个器件的全过程制备流程中维持无水氧的环境。在保护气体中制备有机电池必然会使制造成本增加，这与有机电池低成本制备的初衷是相违背的。

而溶剂退火是将共混的薄膜置于良溶剂和不良溶剂气氛中进行退火。良溶剂退火即采用P₃HT的良溶剂，比如氯苯、二氯苯、二硫化碳等进行退火，但处理过程中溶剂的蒸汽浓度的变化对电池的性能影响很大，整个过程不易控制，操作难度大。不良溶剂退火即采用P₃HT的不良溶剂，比如苯甲醚、甲苯、正庚烷等进行气氛退火，这种方法处理的时间很长，耗时半个小时到几个小时不等。因此现有的光活性层处理无论是热退火还是溶剂退火都存在各种各样的问题和不足。需要研发出一种简单易操作、低成本、安全稳定的光活性层处理方法，最终获得高效聚合物太阳能电池的制备。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法，具有处理过程简单易操作、低成本、安全稳定的特点。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种基于光活性层处理后聚合物太阳能电池的制备方法，以可溶性聚噻吩（P₃HT）和受体材料共混体系作为活性层，制备工艺简便安全，在室温下空气中即可实现，通过室温、旋涂成膜的转速和时间三者的调节，获得了比常规加热退火工艺更高性能的聚合物太阳电池。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种聚合物太阳能电池的光活性层处理方法，其特征在于在空气中室温条件下进行，步骤为：

a、溶液配制：按质量配比1:4～2:1称取聚噻吩给体材料和受体材料溶于有机溶剂中配制成质量浓度为5～30mg/ml的溶液，然后超声搅拌均匀形成混合溶剂；

b、光活性层制备：用吸管吸取配制好的混合溶剂涂满在沉积好修饰层的导电透明基片上，采用旋涂法进行制备，调节室温，以及旋涂的转速和时间，控制溶剂的挥发速度，形成未固化的薄膜，其中室温为10～40℃，转速为100～10000rpm，旋涂时间为5～60s，

c、未固化的薄膜中有机溶剂继续挥发，自然干燥形成固态的厚度为50～300nm的光活性层薄膜。