本发明属于光电领域，具体涉及一种提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法。
背景技术：
能源作为人类生存和经济发展的中药基础，随着社会的高速发展，出现了一系列的能源危机，能源的供需矛盾日益突出。随着人类对能源的需求日益增加，可持续能源的开放和使用变得越来越重要。太阳能作为清洁、可再生能源成为各国科研投入的重点，而制备具有高的光电效率的太阳电池，更是长期以来光电领域的核心课题。
一直以来，噻吩类系列聚合物是有机聚合物太阳电池活性层材料的理想给体材料，噻吩具有五元共轭的芳香环结构，含有噻吩的有机聚合物，具有较高的空穴迁移率、电导率高、环境稳定性好、成膜性能好等优点。若干种具有噻吩类结构的给体材料，与pc61bm或pc71bm共混后，其光电转换效率与同一时期的其它材料相比所制得的活性层材料相比，处于领先水平。其中，p3ht(poly(3-hexylthiophene))作为一类代表性的具有噻吩类结构的给体材料，具有优异的规整度和较高的空穴迁移率，成为众多研究中理想的给体材料。之前有许多报道公布了对基于p3ht的活性层的完善方法，如对p3ht进行热处理，以提高p3ht的结晶度；或者向其中加入二碘辛烷，以改变p3ht与pcbm的共混形态，期望达到进一步提升有机聚合物太阳电池光电效率。
然而，上述方法对于有机聚合物太阳电池光电效率的提升程度依然有限，因此依然需要找到一种新的提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，来进一步提升有机聚合物太阳电池光电效率。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种不同于现有技术报道的对有机聚合物太阳电池活性层的加工方法，来提升有机聚合物太阳电池光电效率。令人意外的发现，当有机聚合物太阳电池中给体材料分子结构中含有芳杂环且所有的芳杂环均是噻吩结构时(以下简称噻吩类给体材料)，此时向上述给体材料和受体材料进行物理共混的前驱体中加入聚乙二醇，作为添加剂，然后将上述共混材料作为活性层应用于有机聚合物太阳电池中时，其光电效率能够得到显著提升。这是由于聚乙二醇可以有效改变前驱体中给体材料和受体材料的共混形态所致。
本发明通过以下技术手段得以实现。
一种提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，包括如下步骤：
s1.在甲苯中将给体材料和受体材料进行物理共混，形成前驱体，
s2.向上述前驱体中加入聚乙二醇，混合均匀形成共混材料，
s3.将上述共混材料作为有机聚合物太阳电池活性层；
其中，
所述给体材料为含有芳香环的有机聚合物，当所述芳香环为芳杂环时，芳杂环为噻吩；
受体材料选自pc61bm或pc71bm。
进一步地，所述聚乙二醇的加入量为0.5-1wt％的前驱体。
进一步地，所述噻吩环选自单环或稠环结构。
进一步地，所述给体材料选自以下结构中的一种：
其中，r1、r2和r3独立地选自烷基或烷氧基，其中烷基或烷氧基的烷基部分选自c6-c12的烷基链，所述烷基链选自直链或支链。
进一步地，所述给体材料和受体材料的质量比例为1:1-4:1。
进一步地，所述聚乙二醇在使用前经过预处理，所述步骤包括：
(1)将聚乙二醇通过活性炭；
(2)向(1)中的聚乙二醇中加入甲苯形成混合物，所述甲苯的质量为10-20wt％的聚乙二醇；
(3)将上述混合物在90-100℃下蒸馏；
(4)蒸馏后，收集聚乙二醇。
进一步地，所述有机聚合物太阳电池的制备方法，包括如下步骤：在阳极衬底上依次涂覆上述的活性层、阴极界面层和阴极。
进一步地，所述阴极界面层选自氧化锌、氧化钛、氧化锡、氟化铯、碳酸铯、氟化锂或碳酸锂。
进一步地，所述活性层的厚度为20-100nm。
进一步地，所述聚乙二醇的数均分子量为600-2000。
本发明具有以下有益效果：
本发明将聚乙二醇作为添加剂，加入到噻吩类给体材料和受体材料进行物理共混的前驱体中形成共混材料，并且将上述共混材料作为活性层应用于有机聚合物太阳电池中，可以使得有机聚合物太阳电池光电效率得到显著提升。这是由于聚乙二醇可以有效改善前驱体中噻吩类给体材料和受体材料的共混形态所致。这是因为(1)噻吩类给体材料，是一类具有代表性的、空穴传输效率很高的化合物，并且噻吩类的给体材料，对于材料的共混形态高度敏感，因此共混形态的优化，对噻吩给体材料在太阳电池活性层中所发挥的作用，具有关键作用。而聚乙二醇作为一种绝缘体，其本身也是一种非离子表面活性剂，其表面能与有机材料相近，因此对于噻吩类给体材料和pcbm受体材料等有机材料，均具有优越的润湿性和渗透性；并且又具有较大的分子量，从而聚乙二醇上的每个重复单元，可以较为容易且均匀地渗透到噻吩类给体材料和受体材料共混的内部，相当于在噻吩类给体材料所形成的连续相的周围包裹了一层聚乙二醇的膜，从而限制了空穴仅在噻吩类给体材料的连续相中快速传输，而减少了空穴无规则的扩散所带来的空穴传输速度衰减；(2)噻吩类给体材料易于形成大面积的晶区，而与无定型态的受体材料pc61bm或pc71bm共混则容易产生相分离，从而影响空穴和电子在活性层中的传输的连贯性。而向噻吩类给体材料和受体材料形成的前驱体中引入聚乙二醇，可以促进噻吩类给体材料与甲苯的相容性，具体地：聚乙二醇作为一种非离子表面活性剂，具有长烷基链结构，对于噻吩类这一油溶性的有机聚合物具有优异的增溶作用，从而可以将噻吩类有机物润湿、乳化或分散成纳米级的颗粒，从而增大噻吩类给体材料与受体材料的接触面积，减少相分离的程度；此外，聚乙二醇还可以减缓噻吩类给体材料的结晶速度，具体地：如上所述，聚乙二醇渗透到噻吩类给体材料的内部，打破了噻吩类给体材料本身所具有的高度规整的排列结构，从而减缓了噻吩类给体材料结晶的趋势，使其能有更长的时间，与受体材料进行充分的混合，形成“你中有我，我中有你”的互穿网状结构，从而有利于保持空穴和电子在活性层中的传输的连贯性和平衡性；(3)活性层旋涂在有机太阳电池的阳极衬底上，风干并形成薄膜后，由于聚乙二醇充分渗透到噻吩类给体材料和pcbm受体材料之间，其本身所具有的羟基可以彼此之间形成氢键结构，从而加强了聚乙二醇分子间的作用力，可以将上述的互穿网状结构紧密粘结在一起，使得所形成的互穿网状结构结构不易松散和形变；聚乙二醇还具有一定的防潮作用，可以防止外界水蒸气对活性层的侵蚀，从而在较长一段时间内保持有机聚合物太阳电池光电效率不会出现明显衰减。
具体实施方式
以下结合具体实施例和对比实施例来对本发明中有机聚合物太阳电池中结构和性能作进一步的说明。但本发明所要求的保护范围并不局限于实施例所涉及的范围。本发明所述的噻吩类给体材料均采购于朔纶有机光电科技(北京)有限公司(solarmermaterialsincbeijing)；其它原料和方法，除非特别说明，均为本技术领域常规原料和方法。
实施例1
一种提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，包括如下步骤：
s1.在10ml甲苯中将2g给体材料和2g受体材料进行物理共混，形成前驱体，
s2.向上述前驱体中加入质量为0.5wt％的前驱体的聚乙二醇，用磁力搅拌的方法，室温下混合均匀形成共混材料，
s3.将上述共混材料作为活性层，旋涂于有机聚合物太阳电池中的阳极衬底上；
其中，活性层的厚度为20nm。
所述给体材料化学结构如下所示：
给体材料的分子量为23000da，pdi＝2.12；
受体材料选自pc61bm；
聚乙二醇的数均分子量为600。
所述聚乙二醇在使用前经过预处理，所述步骤包括：
(1)将100g的聚乙二醇通过活性炭；
(2)向(1)中的聚乙二醇中加入20g的甲苯形成混合物；
(3)将上述混合物在90℃下蒸馏，直到馏出物的质量不发生变化为止；
(4)蒸馏后，收集的聚乙二醇为精制的聚乙二醇。
在阳极衬底上依次涂覆所述的活性层、阴极界面层和阴极，最后所制得的太阳电池结构为：阳极衬底ito(10nm)/活性层(20nm)/氧化钛(5nm)/阴极钙(5nm)。
实施例2
一种提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，包括如下步骤：
s1.在14ml甲苯中将8g给体材料和2g受体材料进行物理共混，形成前驱体，
s2.向上述前驱体中加入质量为1wt％的前驱体的聚乙二醇，用磁力搅拌的方法，室温下混合均匀形成共混材料，
s3.将上述共混材料作为活性层，旋涂于有机聚合物太阳电池中的阳极衬底上；
其中，活性层的厚度为100nm。
所述给体材料化学结构如下所示：
给体材料的分子量为15500da，pdi＝1.82；
受体材料选自pc71bm；
聚乙二醇的数均分子量为2000。
所述聚乙二醇在使用前经过预处理，所述步骤包括：
(1)将100g的聚乙二醇通过活性炭；
(2)向(1)中的聚乙二醇中加入20g的甲苯形成混合物；
(3)将上述混合物在100℃下蒸馏，直到馏出物的质量不发生变化为止；
(4)蒸馏后，收集的聚乙二醇为精制的聚乙二醇。
在阳极衬底上依次涂覆所述的活性层、阴极界面层和阴极，最后所制得的太阳电池结构为：阳极衬底ito(15nm)/活性层(100nm)/氧化锡(5nm)/阴极铝(7nm)。
实施例3
一种提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，包括如下步骤：
s1.在12ml甲苯中将4g给体材料和2g受体材料进行物理共混，形成前驱体，
s2.向上述前驱体中加入质量为0.75wt％的前驱体的聚乙二醇，用磁力搅拌的方法，室温下混合均匀形成共混材料，
s3.将上述共混材料作为活性层，旋涂于有机聚合物太阳电池中的阳极衬底上；
其中，活性层的厚度为80nm。
所述给体材料化学结构如下所示：
给体材料的分子量为14500da，pdi＝1.98；
受体材料选自pc71bm；
聚乙二醇的数均分子量为1500。
所述聚乙二醇在使用前经过预处理，所述步骤包括：
(1)将100g的聚乙二醇通过活性炭；
(2)向(1)中的聚乙二醇中加入20g的甲苯形成混合物；
(3)将上述混合物在90℃下蒸馏，直到馏出物的质量不发生变化为止；
(4)蒸馏后，收集的聚乙二醇为精制的聚乙二醇。
在阳极衬底上依次涂覆所述的活性层、阴极界面层和阴极，最后所制得的太阳电池结构为：阳极衬底ito(25nm)/活性层(80nm)/碳酸铯(5nm)/阴极镁(7nm)。
实施例4
一种提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，包括如下步骤：
s1.在12ml甲苯中将6g给体材料和2g受体材料进行物理共混，形成前驱体，
s2.向上述前驱体中加入质量为0.95wt％的前驱体的聚乙二醇，用磁力搅拌的方法，室温下混合均匀形成共混材料，
s3.将上述共混材料作为活性层，旋涂于有机聚合物太阳电池中的阳极衬底上；
其中，活性层的厚度为70nm。
所述给体材料化学结构如下所示：
给体材料的分子量为11500da，pdi＝1.39；
受体材料选自pc61bm；
聚乙二醇的数均分子量为1200。
所述聚乙二醇在使用前经过预处理，所述步骤包括：
(1)将100g的聚乙二醇通过活性炭；
(2)向(1)中的聚乙二醇中加入20g的甲苯形成混合物；
(3)将上述混合物在95℃下蒸馏，直到馏出物的质量不发生变化为止；
(4)蒸馏后，收集的聚乙二醇为精制的聚乙二醇。
在阳极衬底上依次涂覆所述的活性层、阴极界面层和阴极，最后所制得的太阳电池结构为：阳极衬底ito(20nm)/活性层(70nm)/氟化锂(5nm)/阴极银(7nm)。
对比例1
对比例1与实施例1所用化合物和制备方法均相同，区别仅在于对比例1未加入聚乙二醇。
对比例2
对比例2与实施例1所用化合物和制备方法均相同，区别仅在于对比例2以等质量的二碘辛烷代替聚乙二醇。
对比例3
对比例3与实施例1所用化合物和制备方法均相同，区别仅在于对比例3以等质量的无水二甲基亚砜代替聚乙二醇。
对比例4
对比例4与实施例1所用化合物和制备方法均相同，区别仅在于对比例4中聚乙二醇未经预处理，而是采购后直接使用。
实施例5
对实施例1-4、对比例1-4的太阳电池结构进行光电效率的测试，具体的测试条件为：在填充n2的手套箱中使用太阳光模拟器am1.5g在100mw/cm2光照强度下测试制备的有机聚合物太阳电池的电流-电压曲线，所得到的数据如表1所示。
其中，开路电压、电流密度、填充因子的测试方法，以及能量转化效率的计算方法，参见文献《本体异质结聚合物太阳能电池性能优化研究》(曹镇财，2014年湘潭大学硕士学位论文)。
表1实施例1-4、对比例1-4中太阳电池结构的光电效率数据：
从表1可以看出，根据本发明所公布的方法，向噻吩类给体材料和受体材料所形成的前驱体中，加入一定量的聚乙二醇，可以有效地提升有机聚合物太阳电池光电效率的方法，并且其效果甚至优于对比例2中常用的添加剂二碘辛烷。而对比例3中所采用的二甲基亚砜，作为添加剂加入到前驱体后，反而影响了最终的光电效率。这说明并非所有的添加剂均能有效改善有机聚合物太阳电池光电效率，二甲基亚砜并不适用于噻吩类给体材料的活性层中。在对比例4中，由于聚乙二醇未经处理而直接使用，因此所得到的有机聚合物太阳电池光电效率较实施例1略有下降，这说明了对聚乙二醇进行预处理的必要性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。