一种聚合物薄膜及其制备方法与应用与流程

本发明属于聚合物太阳电池技术领域，具体涉及一种聚合物薄膜及其制备方法与应用。

背景技术：

近年来，基于共轭聚合物和富勒烯衍生物的聚合物太阳电池因具有结构简单、成本低、质量轻、可弯曲、可使用工业化的卷对卷工艺制备等优点而受到关注。通过优化设计，合成新型的聚合物给体材料和富勒烯衍生物受体材料，以及优化各传输层，本体异质结聚合物太阳电池的转换效率已提高到11％以上。但是传统结构的聚合物太阳电池因正极接触的PEDOT:PSS的腐蚀性，低功函的负极易氧化性，致使电池的稳定性不佳；且由于聚合物和富勒烯衍生物的表面势能不同以及其与基底相互作用的差异，给受体会自发形成下方富集给体材料、上方富集受体材料的垂直相分离的异质结，这种结构在传统结构的电池中不利于载流子的传输。因此，用稳定的电子和空穴传输层修饰的反向结构聚合物太阳电池备受关注。反向聚合物太阳电池中，目前使用的能够优化给受体垂直相分离的方法主要有热退火和添加剂处理。但热退火易导致薄膜中共混组分之间产生大尺度相分离，更高温度也不利于柔性塑料太阳电池的制备；添加剂易残留在共混薄膜内部，产生S型J-V曲线，降低电池性能。因此发展一种仅通过简单的溶剂处理就可得到理想的垂直相分离技术是很有必要的。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种聚合物薄膜及其制备方法与应用。

氯苯酚为苯酚的一元氯代衍生物，分子式ClC₆H₄OH，存在邻、间、对三种同分异构体。邻氯苯酚是无色液体，熔点9.0℃，沸点174.9℃，溶于醇、醚、苯、碱水溶液，微溶于水。

本发明利用氯苯酚选择性溶解受体富勒烯衍生物而不溶解给体聚合物的特点，用邻氯苯酚的醇溶液对共轭聚合物-富勒烯衍生物共混薄膜后处理，制备了可调节受体垂直浓度分布的聚合物薄膜。用于反向聚合物电池中后，形成了给体富集在阳极一侧，受体富集在阴极一侧的结构，得到高效稳定的太阳电池。

聚合物薄膜的制备方法具体为：

1)室温下，将共轭聚合物与富勒烯衍生物溶于良溶剂中，配制混合溶液；

2)过夜搅拌，利用旋涂仪制得薄膜；

3)配备混合溶剂，并搅拌；

4)将混合溶剂高速旋涂在共轭聚合物与富勒烯衍生物共混薄膜上。

步骤1)中共轭聚合物为PTB7-Th，富勒烯衍生物为PC₇₁BM。

步骤1)中PTB7-Th与PC₇₁BM的质量配比为1:1.5。

步骤1)中良溶剂为氯苯。

步骤1)中混合溶液总浓度为25mg/ml。

步骤2)中薄膜为80-120nm。

步骤3)中混合溶剂为氯苯酚与醇类的混合液。

醇类包括异丙醇、甲醇、异辛醇的一种或它们的任意组合；氯苯酚为邻氯苯酚。

混合溶液中，氯苯酚的体积分数为0.1-0.3％。

聚合物薄膜用于反向结构聚合物太阳电池中。

本发明的有益效果为：通过氯苯酚的醇溶液对共混薄膜后处理，得到有理想垂直相分离的共混薄膜。将其引入反向结构聚合物太阳电池中，实现了高效的载流子传输和收集，从而显著提高了电池的短路电流，太阳电池的转化效率得到提高；且反向结构的太阳电池稳定性好。此外，该发明还具有制备工艺简单、易操作、成本低廉、重复性好等特点。

附图说明

图1为反向结构聚合物太阳电池结构图。

图2为本发明方法形成聚合物薄膜的原子力显微镜形貌图。

图3为本发明方法形成聚合物薄膜的透射电子显微镜图。

图4为本发明方法形成聚合物薄膜的飞行时间二次离子质谱图。

图5为实施例1制备的聚合物太阳电池的电流-电压特性曲线。

图6为实施例2制备的聚合物太阳电池的电流-电压特性曲线。

图7为实施例3制备的聚合物太阳电池的电流-电压特性曲线。

图8为实施例4制备的聚合物太阳电池的电流-电压特性曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明所保护的范围不限于此。

实施例1(作对比例)

1)溅射有掺杂铟SnO₂(ITO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，氮气吹干，移入手套箱备用。将乙酰丙酮氧化钛(TIPD)用异丙醇稀释20倍后以4000rpm旋涂在ITO上，在150℃热台退火10分钟；

2)溶好的活性层溶液PTB7-Th:PC₇₁BM(1:1.5w/w，聚合物浓度为10mg/mL,氯苯)以1700rpm旋涂在ITO/TIPD基片上，得到一个80-120nm的薄膜；

3)异丙醇以4000rpm旋涂在活性层上对其进行后处理；

4)将基片移入真空镀膜机中，在5×10^-4帕下依次蒸镀10纳米厚的三氧化钼和100纳米厚的铝电极。

所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下，开路电压为0.78伏，短路电流为17.52毫安每平方厘米，填充因子为66.34％，转换效率为8.98％。图5为该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。

实施例2

3)将邻氯苯酚以0.1％体积比溶于异丙醇中，并以4000rpm旋涂在活性层上对其进行后处理。

步骤1)、2)、4)均与实施例1相同。

所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下，开路电压为0.78伏，短路电流为18.06毫安每平方厘米，填充因子为66.27％，转换效率为9.34％。图6为该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。

实施例3

3)将邻氯苯酚以0.2％体积比溶于异丙醇中，并以4000rpm旋涂在活性层上对其进行后处理。

步骤1)、2)、4)均与实施例1相同。

所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下，开路电压为0.78伏，短路电流为18.67毫安每平方厘米，填充因子为65.62％，转换效率为9.51％。图7为该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。

实施例4

3)将邻氯苯酚以0.3％体积比溶于异丙醇中，并以4000rpm旋涂在活性层上对其进行后处理。

步骤1)、2)、4)均与实施例1相同。

所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下，开路电压为0.78伏，短路电流为17.66毫安每平方厘米，填充因子为65.26％，转换效率为9.06％。图8为该器件在未经光照射和经100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。

实施例5

3)将邻氯苯酚以0.2％体积比溶于甲醇中，并以4000rpm旋涂在活性层上对其进行后处理。

步骤1)、2)、4)均与实施例1相同。

所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下，开路电压为0.78伏，短路电流为18.30毫安每平方厘米，填充因子为65.71％，转换效率为9.28％。

实施例6

3)将邻氯苯酚以0.3％体积比溶于异辛醇中，并以4000rpm旋涂在活性层上对其进行后处理。

步骤1)、2)、4)均与实施例1相同。

所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模拟太阳光照射下，开路电压为0.78伏，短路电流为17.92毫安每平方厘米，填充因子为65.13％，转换效率为9.10％。

与实施例1相比，实施例2-6中太阳电池的短路电流和转化效率显著提高。