一種水/醇溶性嵌段共軛聚合物作為陰極緩沖層的有機光伏電池制作方法與流程

本發(fā)明涉及一種有機光伏電池陰極緩沖層的制作方法，尤其涉及水/醇溶性嵌段共軛聚合物作為陰極緩沖層的有機光伏電池制作方法。

背景技術(shù)：

近年來，有機聚合物薄膜電池以其成本低、重量輕、制作工藝簡單，可溶液加工，大面積印刷成膜及可制備柔性器件等優(yōu)勢使得開發(fā)低成本、大面積的有機聚合物光伏電池成為可能，這引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-3]。此外，柔性襯底有機高分子薄膜太陽能電池便于采用卷對卷的連續(xù)沉積工藝，不僅可以降低電池的制作成本，而且可大面積連續(xù)化生產(chǎn)。由于這種生產(chǎn)技術(shù)可實現(xiàn)高速和低價兼?zhèn)洌虼嗽S多人認為有機薄膜太陽能光伏技術(shù)能夠真正解決目前商業(yè)化的光伏技術(shù)面臨的高成本、低輸出率問題。然而，活性層和陰極電極界面勢壘大，電荷分離和傳輸效率低嚴重影響器件的能量轉(zhuǎn)換效率。

目前，文獻報道的僅有共軛聚合物電解質(zhì)作為陰極電子傳輸層，未見嵌段共軛聚合物電解質(zhì)作為陰極緩沖層。如Kim課題組報道了兩種水/醇溶性的季銨鹽離子型共軛聚合物電解質(zhì)WPF-6-oxy-F和WPF-oxy-F，詳見下圖1。這兩個聚合物的差別僅是WPF-6-oxy-F多了一個乙氧基基團。WPF-6-oxy-F作為陰極界面層修飾P3HT:PCBM有機太陽能電池，以Al, Ag, Au,和Cu作為陰極, 對應的開路電壓分別為 0.64, 0.64, 0.58和0.63 V。以Cu為陰極，無電子傳輸層的效率僅為0.8%，以WPF-6-oxy-F和WPF-oxy-F作為界面層的效率分別提升至2.39%和3.36%。華南理工大學黃飛課題組設(shè)計合成了一種新型共軛的兩性離子聚合物電解質(zhì)PF₆NSO，并與對應的單性季銨鹽電解質(zhì)PF₆NBr做對比。^[53]以P-PPV為活性層的聚合物太陽能電池，基于兩性離子電解質(zhì)的PF₆NSO的器件效率相對于光禿禿的Al陰極提高了80多倍，從原有的0.11%提高至8.3%。而對應的單性離子電解質(zhì)PF₆NBr效率為3.6%?？梢苿与x子對活性層的負面影響在兩性離子電解質(zhì)中降低到了最小化，因為兩性離子電解質(zhì)中沒有可自由移動的離子。

目前，廣泛報道作為陰極緩沖層的是共軛聚合物電解質(zhì)。共軛聚合物電解質(zhì)是由共軛的主鏈和含有極性離子側(cè)鏈共同組成。嵌段共軛聚合物電解質(zhì)和普通的共軛聚合物電解質(zhì)最大的區(qū)別在于前者的主鏈是同一類物質(zhì)連成一段，而后者是兩種及以上物質(zhì)交替或無規(guī)連接的，有序性差。相對于嵌段共軛聚合物電解質(zhì)，普通的共軛聚合物電解質(zhì)因為主鏈是交替或無規(guī)的，有序性差，不能進行自組裝。而嵌段共軛聚合物電解質(zhì)因為聚合物是同一種聚合物集中在一段，具有高度有序性，本身具有自組裝性能。嵌段共軛聚合物和普通的交替無規(guī)共軛聚合物的示意圖如圖2。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種水/醇溶性嵌段共軛聚合物作為陰極緩沖層的有機光伏電池制作方法，該制作方法合成帶有親水基團的水/醇溶性嵌段共軛聚合物與氧化鋅雙層陰極應用于有機聚合物太陽能電池器件的陰極緩沖層。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種水/醇溶性嵌段共軛聚合物作為陰極緩沖層的有機光伏電池制作方法，其特征在于方法步驟如下：

（1）首先將ITO玻璃基底依次用丙酮、去離子水、洗潔精和異丙醇依次超聲清洗十五分鐘；

（2）洗凈后的ITO片子用氮氣吹干并使用紫外光照射30分鐘或用Plasmma處理3分鐘。將溶于甲醇或乙醇的0.5 mg/mL的嵌段共軛聚合物電解質(zhì)PFEO-b-PTNBr或PFEO-b-PTImBr溶液通過4000轉(zhuǎn)/分(1 min)的轉(zhuǎn)速旋涂在紫外光照射或Plasmma處理過的ITO基底上并在150℃下退火10分鐘，使其形成約5 nm厚的薄膜；

（3）待冷卻后，將10 mg P3HT (20 mg/mL)和8 mg PCBM (16 mg/mL)溶解在0.5 mL鄰二氯苯中后，旋涂在嵌段共軛聚合物電解質(zhì)界面層上面并于150℃退火10分鐘，形成的活性層厚度約100 nm；

（4）最后熱蒸鍍7 nm MoO3和70 nm銀電極。

本發(fā)明有提高電荷分離及傳輸效率和提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點；能夠真正解決目前光伏技術(shù)商業(yè)化高成本、低輸出率的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的共軛聚合物電解質(zhì)示意圖。

圖2為本發(fā)明的交替、無規(guī)和共軛聚合物示意圖。

圖3為本發(fā)明的嵌段共軛聚合物電解質(zhì)示意圖。

圖4為本發(fā)明的嵌段共軛聚合物電解質(zhì)作為電子傳輸層器件結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本發(fā)明的嵌段共軛聚合物電解質(zhì)作為電子傳輸層的示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明設(shè)計合成帶有親水基團的水/醇溶性嵌段共軛聚合物電解質(zhì)作為陰極緩沖層應用于有機聚合物太陽能電池器件。設(shè)計的嵌段共軛聚合物電解質(zhì)（Diblock CPEs）的結(jié)構(gòu)如下圖3：通過引入嵌段共軛聚合物電解質(zhì)，可以集合嵌段聚合物和共軛聚合物電解質(zhì)各自的優(yōu)點于一身。首先：在活性層和電極之間引入水/醇溶性嵌段共軛聚合物電解質(zhì)可以起到連接有機層和無機層的作用，且不腐蝕活性層。另外水/醇溶性嵌段共軛聚合物側(cè)鏈中的烷氧基鏈等可以彌補ITO表面的氧缺陷并且能形成自組裝的結(jié)構(gòu)，從而起到改善表面形貌。此外，嵌段共軛聚合物本身也具有自組裝性能，能自組裝成有序的結(jié)構(gòu)；其次，側(cè)鏈的極性基團能賦予聚合物能夠溶液水/醇等極性溶劑，實現(xiàn)非鹵溶劑加工，環(huán)境友好，適用于大面積工業(yè)化生產(chǎn)。側(cè)鏈的極性基團還能夠形成界面偶極子，降低活性層與電極之間的界面接觸勢壘，從而提高電荷的傳輸和收集效率。另一方面：嵌段聚合物的自組裝性能可為上層活性層提供模板作用，從而進一步誘導上層活性層形成有序的排列。利用嵌段共軛聚合物的自組裝、以及嵌段聚合物誘導上層活性層的有序排列來共同改善表面形貌，提高其微觀結(jié)構(gòu)有序性，進而提高電子遷移率，最終以提高器件效率的作用。綜上所述，引入嵌段共軛聚合物電解質(zhì)作為陰極緩沖層，可以同時解決形貌、電荷分離及傳輸問題，最終提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)圖如下圖4所示，主要分為六層，分別為銀陽極、三氧化鉬空穴傳輸層、活性層、嵌段共軛聚合物電解質(zhì)陰極緩沖層、ITO陰極和玻璃基底。主要工作原理如下：主要有三步：(1)激子的產(chǎn)生，當光照射到有機材料時，如果光子的能量大于該材料的禁帶寬度E，就會激發(fā)電子從該材料的最高已占軌道（HOMO）躍遷到最低未占軌道（LUMO），從而產(chǎn)生激子，激子也就是受束縛的電子-空穴對，激子的結(jié)合能約為0.2~1.0 eV；(2)激子擴散及電荷分離，產(chǎn)生的激子擴散到給受體界面處發(fā)生分離，如果激子擴散到給受體界面的距離大于激子的擴散長度（約10nm），激子就會復合或躍遷回基態(tài)則不能產(chǎn)生光電流， 激子擴散到給受體界面時，電子傳輸給受體的LUMO能級上，而空穴保留留在給體的HOMO能級上，從而實現(xiàn)了電荷的分離。(3)電荷的傳輸及收集；在電池內(nèi)部能級差及內(nèi)建電場的作用下，發(fā)生分離的電子轉(zhuǎn)移給受體并被陰極收集，而空穴沿著給體轉(zhuǎn)移給陽極并被陽極極收集，從而造成光電流和光電壓的產(chǎn)生。