一种聚合物太阳能电池的制备方法转让专利
申请号 : CN200810232768.6
文献号 : CN100583489C
文献日 : 2010-01-20
发明人 : 王香
申请人 : 彩虹集团公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤如下： 1)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀出4mm宽、30mm长的电极，将用浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)∶聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT∶PSS均匀涂满整个导电玻璃基片，使用匀胶机以2500r/min旋转60s，使聚(3，4-二氧乙基噻吩)∶聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT∶PSS溶液在导电玻璃表面形成一层30nm厚的薄膜，后放入120℃的烘箱内加热20-30分钟备用； 2)把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体1-(三甲氧基羟基)-丙基-1-苯基-(6，6)-C61(PCBM)，按质量比1∶3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5mg/mL的溶液，在40-50℃温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV的分子结构式如下： 电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV式中m∶n＝1∶1； 3)把涂有质量分数为1.5％的聚(3，4-二氧乙基噻吩)∶聚(对苯乙烯磺酸)水溶液膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个聚(3，4-二氧乙基噻吩)∶聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT∶PSS膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500r/min旋转3s，再以2000r/min旋转3min，使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200nm厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV:PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台上80℃条件下加热退火30min； 4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于1×10-4Pa时开始蒸镀LiF，通过加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2 id="icf0002" file="C2008102327680003C1.tif" wi="2" he="4" top= "96" left = "140" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>/S，厚度为1-1.5nm；最后蒸镀Al电极，厚度为150nm，得到聚合物太阳能电池。
2. 根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征 在于，所述步骤l)中：放入12(TC的烘箱内加热30分钟备用；所述步骤2)中：在5(TC温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀 的聚合物溶液。
3. 根据权利要求1所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征 在于，所述步骤l)中：放入12(TC的烘箱内加热20分钟备用；所述步骤2)中：在4(TC温度下加热搅拌3个小时，得到搅拌均 匀的聚合物溶液。
说明书 :
一种聚合物太阳能电池的制备方法
技术领域
(Polymer Solar Cells; PSCs)的制备方法。 背景技术
聚合物太阳能电池与传统无机太阳能电池相比具有制备工艺简 单、造价低廉、可以采用旋涂，喷涂，刮涂等方法制备，在连续印刷 过程中实现工业化生产,制成超薄、大面积柔性器件等优点而倍受关 注。
1991年以Gratzel为代表的科学家们采用联吡啶钌修饰的纳晶 Ti02电极，使得其光电转换效率有了质的飞跃，接近甚至超过了硅太 阳电池的光电转换效率。1992年美国Alan J.Heeger教授的研究组
在发现共轭聚合物和C6。之间的激子快速电荷分离的基础上，为了克
服界面面积小和考虑到共轭聚合物中激子扩散距离短的问题，于1995 年制备了给体/受体本体异质结聚合物太阳能电池，这种器件的光活 性层由共轭聚合物给体和可溶性富勒烯衍生物PCBM受体的共混膜所 组成。2002年，C. Brabec等人采用MDMO-PPV与PCBM共混物为光活 性层制备本体异质结的聚合物太阳能电池，在器件阴极与光活性层之 间镀上一层极薄的LiF，提高了聚合物太阳能电池的性能。
本体异质结型太阳能电池通常是将光活性层夹在高功函的透明金属氧化物（如ITO)阳极和低功函的金属阴极如Al中。当光照射 在电池光活性层上时，光致电荷转移在电子给体和电子受体界面上发 生。但是，现有技术的太阳能电池的电荷收集效率比较低。 发明内容：
针对现有技术中的太阳能电池电荷收集效率低的问题，本发明提 出 一种聚合物太阳能电池的制备方法。
本发明的聚合物太阳能电池的制备方法的具体步骤为：
1) 在带有铟锡氧化物no的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划
去需要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀出4mm宽、30nrni长 的电极，将用浓浓盐酸和锌粉刻蚀好的铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗 干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，质量分数为 1. 5%的聚（3, 4-二氧乙基噻吩）：聚（对苯乙烯磺酸）水溶液PEDOT: PSS 均匀涂满整个导电玻璃基片，使用匀胶机以2500 r/min旋转60 s， 使聚（3,4-二氧乙基噻吩）：聚（对苯乙烯磺酸）水溶液PEDOT:PSS 溶液在导电玻璃表面形成一层30mn厚的薄膜，后放入12(TC的烘箱 内加热20-30分钟备用；
2) 把电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和电子受体卜(三甲氧基 羟基)-丙基-卜苯基-(6,6)-C61 (PCBM)，按质量比l: 3，用分析纯的 有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体聚合物 BEH-co-MEH-PPV浓度为5 mg/mL的溶液，在40-50。C温度下加热搅拌 3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；电子给体聚合物 BEH-co-MEH-PPV的分子结构式如下：电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV式中m:n=l: 1;
3) 把涂有质量分数为1. 5%的聚（3,4-二氧乙基噻吩）：聚（对 苯乙烯磺酸）水溶液膜的导电玻璃烘干后转移至充满氮气氛围的手套 箱中，放置在匀胶机上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整 个聚（3,4-二氧乙基噻吩）：聚（对苯乙烯磺酸）水溶液PED0T:PSS 膜表面，控制匀胶机的旋涂速度和时间，旋涂启动后先以500 r/min 旋转3 s，再以2000 r/min旋转3 min ，使混合物在铟锡氧化物玻 璃表面形成一层200 nra厚的太阳能电池的活性层电子给体聚合物 BEH-co-MEH-PPV:PCBM的聚合物薄膜，然后将导电玻璃放置在加热台 上8CTC条件下加热退火30 rain ;
4) 将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到 真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于l X 10—4pa时开始蒸镀LiF,通过 加热电流来控制UF的蒸镀速率，LiF蒸镀速率为1-2 A/S，厚度为 1-1.5nra;最后蒸镀A1电极，厚度为150 nm，得到聚合物太阳能电池。
以卤素灯为光源，在100mW/cm2的光强下，测试以本发明方法制 备的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，实验证明，本发明的技术方案可以提高聚合物太阳能电池的效率。本发明的特点是将活性层经过加热退火处理的聚
合物太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，即在蒸镀A1电极之 前先镀一层绝缘层LiF，使金属电极与光活性层间形成良好的欧姆接 触，减少系统的阻抗，提高了聚合物太阳能电池的性能。 附图说明
附图1是聚合物太阳能电池的结构示意图。
附图2是以卤素灯为光源，在100mW/ci^的光强照射下电池的性 能参数对比。 具体实施方式：
本发明釆用的聚合物太阳能电池器件结构如图l所示。其中：1 是玻璃基片或柔性衬底，2是铟锡氧化物ITO电极，3是阳极修饰聚 (3，4-二氧乙基噻吩）：聚(对苯乙烯磺酸)水溶液PEDOT:PSS层，4是 电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV: PCBM共混物组成的光活性层，5 是LiF层，6是A1电极。
采用一种在金属铝电极与光活性层之间镀上一层1.0-1.5nm的 LiF层，制备复合阴极的方法提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。 在真空度高于1 X l(T4Pa时蒸镀LiP层，LiF蒸镀速率控制在l-2 A/S，厚度要很薄为1-1. 5 nm，最后蒸镀Al电极。 现有技术的聚合物太阳能电池加工方法：
l)在带有铟锡氧化物ITO的玻璃上粘贴一层胶带、用刀片划去需 要刻蚀部分的胶带，后用浓盐酸和锌粉刻蚀成4咖宽、30咖长的电 极，将刻蚀好的细条状铟锡氧化物ITO导电玻璃清洗干净并烘干，再将处理过的导电玻璃放置在匀胶机上，用带有滤头的注射器将聚噻吩 衍生物掺杂的聚（3,4-二氧乙基噻吩）：聚（对苯乙烯磺酸）水溶液
PEDOT:PSS水溶液均匀涂满整个片子，控制转速和时间使聚（3,4-二 氧乙基噻吩）：聚（对苯乙烯磺酸）水溶液PEDOT:PSS溶液在导电玻 璃表面形成一层20-30rnn厚的薄膜，放入120。C的烘箱内加热20-30 分钟；
2) 把聚合物电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV和PCBM按质量比 1: 3，用分析纯的有机溶剂甲苯在氮气氛围的手套箱中配成电子给体 聚合物BEH-co-MEH-PPV浓度为5 mg/mL的溶液，在40-5CTC温度下 加热搅拌3个小时，得到搅拌均匀的聚合物溶液；
3) 把涂有聚（3,4-二氧乙基噻吩）：聚（对苯乙烯磺酸）水溶 液PEDOT:PSS膜的导电玻璃烘干后转移至手套箱中，放置在匀胶机 上，再将搅拌均匀得到的聚合物溶液均匀涂满整个PEDOT:PSS膜表 面，旋涂启动后先以500 r/min旋转3 s，再以2000 r/min旋转3 min ， 使混合物在铟锡氧化物玻璃表面形成一层200 nm厚的太阳能电池的 活性层电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV:PCBM的聚合物薄膜，然后将 导电玻璃放置在加热台上80。C条件下加热退火30 min ;
4)然后再放入到真空镀膜机中开始抽真空蒸金属Al电极。在真 空度高于6 X lCTPa时蒸镀一层厚150nm的金属Al电极，电池的
有效面积为12咖2，制成器件结构为IT0/PED0T : PSS (30mn) /电 子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV: PCBM=1:3 (200nm) /Al(150nm)的
聚合物太阳能电池。本发明的实施例一
前三步的工序同于现有技术的加工方法，第四步为：
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到
真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于l X 10—4pa时开始蒸镀LiF，通 过调节膜厚监测仪上的加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速 率为1-2 A/S，厚度为1.5 nm;最后蒸镀Al电极，厚度为150 nm， 电池的有效面积为12 mm2，制成器件结构为IT0/PED0T : PSS (30nm) /电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV: PCBM=1:3 (200nm) /LiF(1.5nm) / Al(150nm)的聚合物太阳能电池。 实施例二
前三步的工序同于现有技术的加工方法，第四步为：
4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到
真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于l X 10—4pa时开始蒸鍍LiF，通 过调节膜厚监测仪上的加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速 率为1-2 A/S，厚度为1.2 nm;最后蒸镀Al电极，厚度为150 nm， 电池的有效面积为12 mm2，制成器件结构为ITO/PEDOT : PSS (30nm) /电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV: PCBM=1:3 (200nm) /LiF(1.2nm) / Al(150nm)的聚合物太阳能电池。 实施例三
前三步的工序同于现有技术的加工方法，第四步为： 4)将活性层经过加热退火处理的聚合物太阳能电池器件放入到 真空镀膜机中蒸镀，当真空度高于l X 10—4pa时开始蒸镀LiF，通 过调节膜厚监测仪上的加热电流来控制LiF的蒸镀速率，LiF蒸镀速 率为1-2 A/S，厚度为Iran;最后蒸镀Al电极，厚度为150 nm，电池的有效面积为12腿、制成器件结构为IT0/PED0T : PSS (30nm) / 电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV: PCBM=1:3 (200nm) / LiF (l.Onm) / Al(150nm)的聚合物太阳能电池。
以卤素灯为光源，在100 mW/cm2的光强下，测试以本发明方法 制备的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是对比例和实施例以卤素灯为光源，在100 mW/cri^的光强 照射下电池的性能参数对比。从表l中可以看出：在金属阴极和光活 性层之间蒸镀一层1-1.5 nm的LiF，可以提高聚合物太阳能电池的 效率。只蒸镀A1电极，以电子给体聚合物BEH-co-MEH-PPV:PCBM为 光活性层的太阳能电池的性能为：开路电压0.84 V，短路电流1.37 mA/cm2，能量转换效率为0.46%，填充因子为0.40。在金属阴极和光 活性层之间插入1-1.5 nm的LiF层的太阳能电池器件的性能为：开 路电压0. 84V，短路电流1. 82 rnA/cm2，能量转换效率为0. 73%,填充 因子为0.48。本发明的特点是将活性层经过加热退火处理的聚合物 太阳能电池器件放入到真空镀膜机中蒸镀，即在蒸镀A1电极之前先 镀一层绝缘层LiF，镀LiF对真空度要求比较高，而且过程不易控制， 当真空度高于1 X 10—4Pa时才开始蒸镀LiF; LiF的蒸镀速率通过控 制加热电流来控制，LiF的蒸镀速率不能小于O. 5A/S，要达到1-2 A/S; 而且LiF层的厚度要求很苛刻，超过几个纳米的厚度就会影响电子 的收集，厚度应为1-1.5 nm;最后才蒸镀Al电极，厚度为150 nm， 得到聚合物太阳能电池；在光活性层和Al之间插入1-1. 5 nm的LiF 层，使金属电极与光活性层间形成良好的欧姆接触，减少系统的阻抗， 提高了聚合物太阳能电池的性能。