长春应化所利用多步可控溶剂气氛处理法制备高效聚合物太阳电池

中国科学院长春应用化学研究所杨小牛研究员等科研人员发明的“一种聚合物太阳能电池的制备方法”专利近日获得了国家知识产权局授权。

聚合物太阳能电池由于低成本、柔性、易制取等优点成为可再生能源研究的热点。在基于可溶性聚噻吩(P3HT)/富勒烯衍生物（PCBM）共混薄膜的聚合物太阳能电池中，构建高结晶性聚噻吩并控制两种共混物相分离尺度能使电池的效率大幅提高。一般地，采用热退火处理方法能够提高器件中聚噻吩的结晶度，但这种方法容易导致薄膜中共混组分之间产生大尺度（微米级以上）相分离，不利于器件性能提高。另外，较高温度下（>100℃）热退火需要进行惰性气体保护，否则会存在聚噻吩氧化、降解的风险,导致电池失效。在基于可溶性聚噻吩/富勒烯衍生物的聚合物电池中，采用溶剂气氛处理的方法可提升P3HT结晶度并改善共混物形貌提升聚合物太阳能电池效率。但由于溶剂气氛处理的影响因素较多，使调控的聚合物电池效率波动大，因此采用可控溶剂气氛处理方法来调控聚噻吩结晶度和共混薄膜相分离形貌以获得稳定的高效率太阳能电池的方法尚未见报道。

在国家基金委和中科院的大力支持下，杨小牛课题组采用旋涂制膜的方法首先获取到P3HT/PCBM共混薄膜，然后在四氢呋喃的饱和气氛下对薄膜进行可控溶剂气氛处理，使得PCBM在四氢呋喃气氛环境下形成尺度在30纳米左右的聚集，再将此薄膜在二硫化碳的气氛下进行可控溶剂气氛处理，使得之前形成的相分离尺寸较大的PCBM聚集在二硫化碳气氛环境下尺寸得到优化，构成20纳米左右的聚集，同时P3HT的结晶度也在良溶剂气氛下得到提升。20纳米的相分离正好与聚合物太阳电池中的激子分离尺寸相吻合，再加上P3HT结晶导致吸收上的加强，致使两步可控气氛处理之后的器件在外部量子转换效率上得到明显提升，并且最终的器件效率接近4%，实现了高效率免退火聚合物太阳电池器件。

本发明在常温下采用两步可控溶剂气氛处理方法获得了稳定的高性能太阳电池器件，能降低生产成本，并为实现大面积太阳电池器件提供条件。