专利名称：一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法
技术领域：
本发明属于有序异质结的制备方法领域，具体涉及一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法。
背景技术：
有机太阳能电池是可将太阳能转化成电能的装置，其基本结构包括阳极，阴极及两者之间的有源层。有源层结构是决定太阳能电池能量转换效率的关键因素。目前采用较为广泛的有机太阳能电池有源层材料主要为聚3-己基噻吩(以下简称P3HT)和2ALPHA-苯基-1，2(2ALPHA)_高[5，6]富勒烯-C60-LH-2ALPHA-丁酸甲酯(以下简称PC61BM)。研究表明，P3HT/PC61BM体系有机太阳能电池中，有源层的空穴迁移率小于电子迁移率，限制了太阳能电池性能提高，其主要由以下原因引起1. P3HT分子主链平行于基底排列，限制空穴在垂直于基底方向上的传输；2.有源层中给体晶体间晶界数量多；3.有源层中给体及受体微区排列杂乱，存在孤岛现象。制备给体材料在分子、晶体及微区多个空间量级多级有序的异质结，能够提高有源层的空穴迁移率，解决载流子传输的不平衡，提高有机太阳能电池的能量转化效率。目前制备有序异质结的方法包括纳米热压印法、基底诱导共混体系相分离法和嵌段聚合物(齐聚物)相分离法。采用以上方法制备的有序异质结中，只能实现给体/受体微区的有序排列。给体微区中晶体排列杂乱，晶体间存在大量晶界，载流子传输过程中易被缺陷捕获或发生复合。同时给体分子采取平行于基底的方式排列，增加了载流子沿垂直于基底方向上的传输势垒。因此，基于以上方法制备的有序异质结仍存在给体微区中空穴迁移率不高和有机太阳能电池性能较低等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法制备的有序异质结在给体微区中空穴迁移率低和有机太阳能电池性能较低的问题，而提供一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法。为达到上述发明目的，本发明采用了如下技术方案本发明提供一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，包括如下步骤步骤一多级有序结构的P3HT薄膜的制备将P3HT溶于第一溶剂中，得到混合溶液I，将混合溶液I涂敷到基底上得到P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底-P3HT薄膜-PDMS模板-玻璃片的夹层结构，将上述夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，在溶剂蒸气压P为330. 4 344. 5mmHg条件下处理4 8小时，在12-24小时内将蒸气压P降到305. 8 308. 8 mmHg，将样品取出，剥离玻璃片及PDMS模板，获得多级有序结构的P3HT薄膜；步骤二 P3HT/PC61BM多级有序异质结制备
将PC61BM溶于第二溶剂中，得到混合溶液II，将混合溶液II沉积在步骤一制备的多级有序结构的P3HT薄膜上，获得P3HT/PC61BM的多级有序排列的有序异质结。优选的是，所述的步骤一中的第一溶剂为甲苯、氯苯、氯仿、二甲苯或二硫化碳；优选的是，所述的步骤一的混合溶液I中P3HT的浓度为8 16毫克/毫升。优选的是，所述的步骤二中 的第二溶剂为二氯甲烷或四氢呋喃。优选的是，所述的步骤二的混合溶液II中PC61BM的浓度为O. 5 2. 5毫克/毫升。有益效果本发明提供一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，该方法先将P3HT溶于第一溶剂中，得到混合溶液I，将混合溶液I在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底-P3HT薄膜-PDMS模板-玻璃片的夹层结构，将上述夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，在溶剂蒸气压P为330. 4 344. 5 mmHg条件下处理4 8小时，在12-24小时内将蒸气压P降到305. 8^308. 8 mmHg，将样品取出，剥离玻璃片及PDMS模板，获得多级有序结构的P3HT薄膜；然后将PC61BM溶于第二溶剂中，得到混合溶液II，将混合溶液II沉积在步骤一制备的多级有序结构的P3HT薄膜上，获得P3HT/PC61BM的多级有序排列的有序异质结。与已有技术相比，该方法是利用PDMS模板在二硫化碳蒸汽中对P3HT薄膜进行压印，之后经溶液法沉积PC6IBM层形成微区有序排列、给体微区中晶体取向排列、晶体中分子垂直于基底排列的多级有序结构。该制备方法简单，且同时能够控制微区、微区中晶体、晶体中分子的多级有序排列，多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为O. 39 O. 41，以该异质结制备得到的太阳能电池性能得到了提高。
图I为本发明蒸汽压印示意图；图2为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的显微镜照片；图3为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的偏振吸收光谱图；图4为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的原子力显微镜照片；图5为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的透射电子显微镜照片；图6为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的选区电子显微镜照片；图7为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜截面的电子扫描显微镜照片；图8为实施例1P3HT/PC61BM多级有序排列的有序异质结截面的电子扫描显微镜照片。
具体实施例方式本发明提供一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，包括如下步骤步骤一多级有序结构的P3HT薄膜制备将P3HT溶于第一溶剂中，得到混合溶液I，将混合溶液I涂敷到基底上得到P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底-P3HT薄膜-PDMS模板-玻璃片的夹层结构，将上述夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，在溶剂蒸气压P为330. 4 344. 5mmHg条件下处理4 8小时，在12-24小时内将蒸气压P降到305. 8 308. 8 mmHg，将样品取出，剥离玻璃片及PDMS模板，获得多级有序结构的P3HT薄膜；步骤二 P3HT/PC61BM多级有序异质结制备将PC61BM溶于第二溶剂中，得到混合溶液II，将混合溶液II沉积在步骤一制备的多级有序结构的P3HT薄膜上，获得P3HT/PC61BM的多级有序排列的有序异质结。本发明首先将P3HT溶于第一溶剂中，得到混合溶液I，所述的第一溶剂优选为为甲苯、氯苯、氯仿、二甲苯或二硫化碳；所述的P3HT的浓度优选为8 16毫克/毫升，将混合溶液I在基底上沉积成膜，所述的基底优选为玻璃基底，然后在其表面依次覆盖具有条纹图案的聚二甲基硅氧烷模板(以下简称PDMS模板)及玻璃片，构成玻璃基底-P3HT薄膜-PDMS模板-玻璃片的夹层结构，将以上夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽氛围中，蒸汽压 印示意图如图I所示，其中①为玻璃基底，②为PDMS模板，③为P3HT薄膜，在溶剂蒸气压P为330. 4 344. 5 mmHg条件下，处理4 8小时，然后在12-24小时内将夹层结构所处氛围溶剂蒸气压P逐渐过度到305. 8^308. 8 mmHg, P3HT薄膜吸收二硫化碳蒸汽而处于溶胀状态，在虹吸作用下填充进入PDMS模板的条纹间形成条纹结构，将样品取出，剥离上层玻璃片及PDMS模板，获得多级有序结构的P3HT薄膜。本发明步骤一中获得多级有序结构的P3HT薄膜过程中溶剂仅能由中心向四周定向挥发，装置四周P3HT优先析出，聚集成核，内部P3HT分子链通过分子间堆叠作用粘附到外围P3HT晶核上实现微区中P3HT晶体的取向生长。同时，P3HT在二硫化碳蒸汽氛围内结晶过程中，分子间烷基链间作用力增强，堆叠作用减弱，因此晶体中分子主链方向垂直于基底进行排列。以上过程可形成给体材料P3HT在分子、晶体及微区多个尺寸量级水平多级有序排列的有序异质结，此结构在能够改善有机太阳能电池载流子传输平衡和提高太阳能电池能量转化效率。本发明将PC61BM溶于第二溶剂中，得到混合溶液II，所述的第二溶剂优选为二氯甲烷或四氢呋喃，PC6IBM的浓度优选为O. 5^2. 5毫克/毫升的溶液，将混合溶液II沉积在上述制备的多级有序结构的P3HT薄膜上，获得P3HT/PC61BM的多级有序排列的有序异质结。下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。实施例I( I) P3HT多级有序薄膜制备称取8晕克P3HT,与量取的I晕升甲苯混合,配置成8晕克/晕升的溶液,将混合均匀的溶液在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底一P3HT薄膜一PDMS模板一玻璃片的夹层结构，将夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，溶剂蒸气压为P为330. 4 mmHg,处理4小时，在12小时内将夹层结构所处氛围气压逐渐过度到305. 8 mmHg,将样品取出，剥离上层玻璃片及PDMS模板，即获得多级有序结构的P3HT薄膜；实验结果表明多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为O. 41，证明多级有序结构的P3HT薄膜的分子的有序性；(2) P3HT/PC61BM多级有序异质结制备称取5晕克PC61BM,量取10晕升二氯甲烧,配置成O. 5晕克/晕升的溶液，沉积在步骤(I)所制备的多级有序结构的P3HT薄膜上即获得P3HT/PC61BM的多级有序异质结结构。该结构中P3HT分子主链垂直于基底排列，晶体取向排列，有利于载流子沿垂直于基底方向传输，以此结构为有源层的器件能量转换效率可达2. 50%。图2为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的显微镜照片，显微镜照片中出现明暗相间条纹说明薄膜表面产生高低起伏的条纹；图3为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的偏振吸收光谱图，其中I为平行于偏振光的薄膜吸收光谱，2为垂直于偏振光的薄膜吸收光谱，从图中可以看出，吸收光谱强度差异证明薄膜中的分子发生了取向。图4为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的原子力显微镜照片。由原子力显微镜图片可见薄膜表面存在P3HT高低起伏的条纹，条纹是由取向排列的P3HT纤维晶构成。图5为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的透射电子显微镜照片。 由透射电子显微镜照片可知薄膜条纹内部由取向排列的纤维晶构成。图6为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜的选区电子显微镜照片。由选区电子显微镜照片中P3HT衍射环蜕变为衍射弧说明晶体取向排列，从照片中可观测到P3HT晶型II的(100) (200) (020)衍射弧，说明P3HT以晶型II的方式结晶，同时部分分子采取垂直于基底构象排列，(020)衍射弧方向与图5中纤维晶排列方向相一致，说明纤维晶中P3HT分子JI-JI叠加方向与纤维晶生长方向一致。图7为实施例I中多级有序结构的P3HT薄膜截面的电子扫描显微镜照片，电子扫描显微镜照片表明多级有序结构的P3HT薄膜存在有序的条纹结构。结合图5和图6，说明多级有序结构的P3HT薄膜中存在分子、晶体和界面多级有序的结构。图8为实施例1P3HT/PC61BM多级有序排列的有序异质结截面的电子扫描显微镜照片。与图7对比说明旋涂PC61BM溶液后，PC61BM能填充进入P3HT沟道中，形成有序异质结。实施例2( I) P3HT多级有序薄膜制备称取10晕克P3HT,量取I晕升氯苯,配置成10晕克/晕升的溶液,将混合均勻的溶液在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖步骤(I)中制备的PDMS模板及玻璃片，构成基底一P3HT薄膜一PDMS模板一玻璃片的夹层结构，将夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，溶剂蒸气压为P为334. I mmHg，处理5小时，在16小时内将夹层结构所处氛围气压逐渐过度到306. 3 mmHg，将样品取出，剥离上层玻璃片及PDMS模板，即获得多级有序结构的P3HT薄膜；实验结果表明多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为O. 39，证明多级有序结构的P3HT薄膜的分子的有序性；(2) P3HT/PC61BM多级有序异质结制备称取10晕克PC61BM,量取10晕升二氯甲烧混合,配置成I晕克/晕升的溶液。沉积在步骤(I)所制备的多级有序结构的P3HT薄膜上即获得P3HT/PC61BM的多级有序异质
结结构。实施例3( I) P3HT多级有序薄膜制备称取12晕克P3HT,量取I晕升氯仿,配置成12晕克/晕升的溶液。将混合均勻的溶液在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底一 P3HT薄膜一PDMS模板一玻璃片的夹层结构。将夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，溶剂蒸气压为P为338. 2 mmHg，处理6小时。在19小时内将夹层结构所处氛围气压逐渐过度到306. 8mmHg，将样品取出，剥离上层玻璃片及PDMS模板，即获得多级有序结构的P3HT薄膜；实验结果表明多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为O. 42，证明多级有序结构的P3HT薄膜的分子的有序性；(2) P3HT/PC61BM多级有序异质结制备称取15晕克PC61BM,量取10晕升四氢呋喃混合，配置成I. 5晕克/晕升的溶液。沉积在步骤(I)所制备的多级有序结构的P3HT薄膜上即获得P3HT/PC61BM的多级有序异质结结构。实施例4 ( I) P3HT多级有序薄膜制备称取14晕克P3HT,量取I晕升甲苯,配置成14晕克/晕升的溶液。将混合均勻的溶液在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底一 P3HT薄膜一PDMS模板一玻璃片的夹层结构。将夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，溶剂蒸气压为P为340. 6 mmHg，处理7小时。在22小时内将夹层结构所处氛围气压逐渐过度到307. 5mmHg，将样品取出，剥离上层玻璃片及PDMS模板，即获得多级有序结构的P3HT薄膜。实验结果表明多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为O. 43，证明多级有序结构的P3HT薄膜的分子的有序性；(2) P3HT/PC61BM多级有序异质结制备称取20晕克PC61BM,量取10晕升四氢呋喃混合,配置成2晕克/晕升的溶液。沉积在步骤(I)所制备的多级有序结构的P3HT薄膜上即获得P3HT/PC61BM的多级有序异质
结结构。实施例5( I) P3HT多级有序薄膜制备称取16晕克P3HT,量取I晕升二硫化碳,配置成16晕克/晕升的溶液。将混合均匀的溶液在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底一P3HT薄膜一PDMS模板一玻璃片的夹层结构。将夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，溶剂蒸气压为P为344. 5 mmHg，处理8小时。在24小时内将夹层结构所处氛围气压逐渐过度到308. 8 mmHg,将样品取出，剥离上层玻璃片及PDMS模板，即获得多级有序结构的P3HT薄膜。实验结果表明多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为O. 40，证明多级有序结构的P3HT薄膜的分子的有序性；(2) P3HT/PC61BM多级有序异质结制备称取25晕克PC61BM,量取10晕升二氯甲烧混合，配置成2. 5晕克/晕升的溶液。沉积在步骤(I)所制备的多级有序结构的P3HT薄膜上即获得P3HT/PC61BM的多级有序异质结结构。对比例( I) P3HT有序结构制备称取16晕克P3HT,量取I晕升甲苯,配置成16晕克/晕升的溶液,将混合均勻的溶液在基底上制备P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底一P3HT薄膜一PDMS模板一玻璃片的夹层结构，然后用将夹层结构放置于120摄氏度的热台上进行热压印，处理时间为30分钟，然后将样品由热台上取下，冷却至室温取下砝码后剥离上层玻璃片和PDMS模板，即获得P3HT的有序结构薄膜；热压印方法获得的有序结构中P3HT分子主链与基底平行，薄膜呈各向同性，有序度参数为O。(2) P3HT/PC61BM多级有序异质结制备称取2晕克PC61BM,量取I晕升二氯甲烧,配置成2晕克/晕升的溶液；沉积在步骤(2)所制备的P3HT的有序结构薄膜上即获得P3HT/PC61BM的多级有序异质结 结构。此结构中P3HT分子主链平行于基底排列，晶体杂乱排列，因此不能大幅度增加空穴沿垂直于基底方向上的迁移率。以此结构为有源层的器件能量转换效率仅为O. 80%。
权利要求
1.一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一多级有序结构的P3HT薄膜的制备 将P3HT溶于第一溶剂中，得到混合溶液I，将混合溶液I涂敷到基底上得到P3HT薄膜后，在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底-P3HT薄膜-PDMS模板-玻璃片的夹层结构，将上述夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，在溶剂蒸气压P为330. 4 344. 5 mmHg条件下处理4 8小时，在12-24小时内将蒸气压P降到305. 8 308. 8 mmHg，将样品取出，剥离玻璃片及PDMS模板，获得多级有序结构的P3HT薄膜； 步骤二 P3HT/PC61BM多级有序异质结制备 将PC61BM溶于第二溶剂中，得到混合溶液II，将混合溶液II沉积在步骤一制备的多级有序结构的P3HT薄膜上，获得P3HT/PC61BM的多级有序排列的有序异质结。
2.根据权利要求I所述的一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的第一溶剂为甲苯、氯苯、氯仿、二甲苯或二硫化碳。
3.根据权利要求I所述的一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，其特征在于，所述的步骤一的混合溶液I中P3HT的浓度为8 16毫克/毫升。
4.根据权利要求I所述的一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中的第二溶剂为二氯甲烷或四氢呋喃。
5.根据权利要求I所述的一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，其特征在于，所述的步骤二的混合溶液II中PC61BM的浓度为O. 5^2. 5毫克/毫升。
全文摘要
本发明提供一种给体材料多级有序排列的有序异质结的制备方法，该方法先在基底上制备P3HT薄膜，然后在其表面依次覆盖PDMS模板及玻璃片，构成基底-P3HT薄膜-PDMS模板-玻璃片的夹层结构，将上述夹层结构置于二硫化碳溶剂蒸汽中，在溶剂蒸气压P为330.4～344.5 mmHg条件下处理4～8小时，在12-24小时内将蒸气压P降到305.8~308.8 mmHg，获得多级有序结构的P3HT薄膜；然后将PC61BM溶液沉积在上述P3HT薄膜上，获得P3HT/PC61BM的多级有序排列的有序异质结。该制备方法简单，多级有序结构的P3HT薄膜有序度参数为0.39～0.41。
文档编号H01L51/56GK102969462SQ201210516870
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者韩艳春, 刘剑刚, 邢汝博, 孙岳, 熊维 申请人:中国科学院长春应用化学研究所