CN111584718A - 一种高效有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效有机太阳能电池及其制备方法，该有机太阳能电池为反型结构，从下到上依次为：衬底层、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层及金属阳极；其中光活性层由聚合物电子给体、电子受体和两亲性小分子添加剂组成。本发明采用一种新型两亲性小分子添加剂按照一定重量比加入有机太阳能电池的活性层来辅助提升其光电转换性能。两亲性小分子添加剂用于调控活性层的微观形貌，使活性层有序结晶，促进给受体π‑π堆叠，形成网络互穿的微观结构，有利于激子分离和电荷传输，同时有效提升了器件稳定性。按本发明方法制备的有机太阳能电池光电转换效率提升7～22％左右。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机太阳能电池及其制备方法，具体涉及一种两亲性小分子添加剂用于光活性层的方法，属于光伏技术领域。
背景技术
本体异质结(BHJ)聚合物太阳能电池(PSCs)作为一种有前途的绿色可再生能源技术，由于其具有重量轻、成本低、制备简单并且具备大面积制备柔性太阳能电池等优点，渐渐成为了人们研究的热点。目前，单结电池的最高的光电功率转换效率(PCE)已经超过17％。但与无机太阳能电池相比，能量转换效率低、寿命短和稳定性较差等缺点成为制约其商业化的主要因素。其中，活性层的形貌在BHJ有机太阳能电池中起着重要的作用，如何精确调控异质结相分离，微观薄膜结晶尺寸，给受体分子取向成为限制器件效率和稳定性的重要因素。
为了克服这些问题，实现高效率的有机太阳能电池，一种有效的方法是在活性层中引入添加剂有效调控薄膜形貌。通常，包括溶剂添加剂、固体添加剂被用于调控活性层微观形貌从而提升电池性能。溶剂添加剂可以提升器件效率，但是重复性和稳定性较差；固体添加剂只针对一部分活性层材料具有积极作用，不具备普遍性。因此，如何选择高效的添加剂是提升有机太阳能电池光电转换效率的关键。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种高效有机太阳能电池及其制备方法，以解决有机太阳能电池稳定性差，效率低的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高效有机太阳能电池，该有机太阳能电池为反型结构，从下到上依次为：衬底层、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层及金属阳极；其中光活性层由聚合物电子给体、电子受体和两亲性小分子添加剂组成。
作为优选，所述两亲性小分子添加剂是非离子型表面活性剂，优选为十二烷基甘油乙酸酯DGI。
作为优选，所述光活性层中聚合物电子给体、电子受体及两亲性小分子添加剂的重量比为1：1：(0～0.2)。
作为优选，所述电子给体材料为窄带系聚合物电子给体，优选为聚噻吩衍生物。
作为优选，所述电子受体材料为富勒烯衍生物或小分子受体。
作为优选，所述阳极缓冲层的材料为具有空穴传输能力或电子阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，优选为氧化钼MoO3、掺铝氧化锌AZO、氧化锌ZnO及二氧化钛TiO2的一种或多种；阳极缓冲层厚度为1～200nm。
作为优选，所述阴极缓冲层材料为具有电子传输能力或空穴阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，如氧化锌ZnO，阴极缓冲层厚度为1～200nm。
作为优选，所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸醋、聚氨基甲酸醋、聚酞亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
作为优选，所述透明导电阴极为在可见光区透明或半透明的导电材料，透光率大于50％。
作为优选，所述金属阳极材料为金、银、铂、铜、铝中的一种。
一种高效有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：对表面粗糙度小于1nm的由衬底层及透明导电阴极所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极表面旋转涂覆阴极缓冲层，并进行热退火；在阴极缓冲层上采用旋涂制备光活性层；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。
有益效果：本发明通过在活性层中加入两亲性小分子添加剂用于调控活性层微观薄膜形貌，提升器件性能。由本发明制备的器件具有良好的活性层形貌，可以实现高效光伏器件的制备。
本发明提供的一种稳定高效有机太阳能电池，与现有技术相比，具有以下优势：
1)两亲性小分子添加剂自组装的网络层状结构诱导小分子受体结晶，增强了给受体分子间π-π堆积，同时诱导受体分子偏向于面对面取向，这一系列作用共同促使分子迁移率提升，减少分子间和分子内载流子重组，使短路电流显著提高，从而提升器件效率；
2)两亲性小分子添加剂自组装时间较短，因此在短时间内限制并塑化给受体相分离，从而提高了活性层形貌稳定性，使得器件稳定性提高；
3)两亲性小分子添加剂具有普适性。网络层状自组装结构不仅显著调控非富勒烯受体，对富勒烯受体也有很好的调控作用。
附图说明
图1a至图1f为实施例2-7中活性层所选用的聚合物电子给体材料PBDB-TF、PBDB-T；电子受体材料IT-4F、PC71BM、ITIC；及两亲性小分子添加剂DGI的分子结构；
图2为实施例1的高效有机太阳能电池器件结构示意图；
图3为实施例2-7中所述器件在AM 1.5(强度为100mW/cm2)照射情况下的电流密度一电压特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
一种高效有机太阳能电池，如图2所示，该电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，透明导电阴极，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；其中光活性层引入两亲性小分子添加剂，光活性层的重量百分比组成为：聚合物电子给体40.5～50％，电子受体40.5～50％，两亲性小分子添加剂0～15.5％。
两亲性小分子添加剂为DGI，结构如图1f所示。光活性层中聚合物电子给体材料为PBDB-TF、PBDB-T，结构如图1a至1b所示。光活性层中的电子受体材料为IT-4F、PC71BM、ITIC，结构如图1c至1e所示。
阳极缓冲层的材料为氧化钼(MoO3)，阳极缓冲层厚度为8nm。阴极缓冲层材料为氧化锌(ZnO)，阴极缓冲层厚度范围为35nm。衬底层材料为玻璃衬底，透明电极材料为氧化铟锡(ITO)。金属阳极为银(Ag)。
实施例2
本实施例作为对照组。
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(4500rpm，40s，25nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃，60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备光活性层(2500rpm，60s，95nm)，光活性层中，PBDB-TF:IT-4F质量比1:1；在光活性层表面蒸镀MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(80nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.86V，短路电流(JSC)＝20.60mA/cm2，填充因子(FF)＝0.74，光电转换效率(PCE)＝13.10％。
实施例3
本实施例与实施例2基本相同，区别之处在于光活性层中，PBDB-TF:IT-4F:DGI质量比1:1:0.15。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.84V，短路电流(JSC)＝22.80mA/cm2，填充因子(FF)＝0.75，光电转换效率(PCE)＝14.50％。与对照组相比，该器件短路电流明显提升，光电转换效率提高10.7％。
实施例4
本实施例作为对照组。
本实施例与实施例2基本相同，区别之处在于旋涂制备光活性层(2300rpm，60s，95nm)，光活性层中，PBDB-T:ITIC质量比1:1。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.88V，短路电流(JSC)＝16.30mA/cm2，填充因子(FF)＝0.64，光电转换效率(PCE)＝9.25％。
实施例5
本实施例与实施例2基本相同，区别之处在于旋涂制备光活性层(2300rpm，60s，95nm)，光活性层中PBDB-T:ITIC:DGI质量比1:1:0.15。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.90V，短路电流(JSC)＝18.20mA/cm2，填充因子(FF)＝0.69，光电转换效率(PCE)＝11.30％。与对照组相比，该器件短路电流和填充因子明显提升，光电转换效率提高22.1％。
实施例6
本实施例作为对照组。
本实施例与实施例2基本相同，区别之处在于旋涂制备光活性层(2000rpm，60s，95nm)，光活性层中，PBDB-T:PC71BM质量比1:1.5。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.82V，短路电流(JSC)＝14.91mA/cm2，填充因子(FF)＝0.71，光电转换效率(PCE)＝8.70％。
实施例7
本实施例与实施例2基本相同，特别之处在于旋涂制备光活性层(2000rpm，60s，95nm)，光活性层中，PBDB-T:PC71BM:DGI质量比1:1.5:0.15。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.83V，短路电流(JSC)＝15.40mA/cm2，填充因子(FF)＝0.72，光电转换效率(PCE)＝9.30％。与对照组相比，该器件短路电流明显提升，光电转换效率提高6.9％。
图3为实施例2-7中所述器件在AM 1.5(强度为100mW/cm2)照射情况下的电流密度一电压特性曲线图，说明在聚合物给体：小分子受体和聚合物给体：富勒烯受体体系中，两亲性小分子添加剂DGI可以有效提升短路电流和填充因子，最终提升器件效率。光电转换效率提升在7～22％左右。
以上对本发明提供的一种高效有机太阳能电池器件及其制备方法做了详细的介绍，通过在光活性层中加入两亲性小分子作为添加剂，可以优化薄膜微观形貌，改善相分离，调节分子取向和结晶尺寸，可以抑制双分子电荷重组，从而导致更有效的电荷产生和传输，提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高效有机太阳能电池，其特征在于：该有机太阳能电池为反型结构，从下到上依次为：衬底层、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层及金属阳极；其中光活性层由聚合物电子给体、电子受体和两亲性小分子添加剂组成。
2.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述两亲性小分子添加剂为非离子型表面活性剂。
3.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述光活性层中，聚合物电子给体、电子受体及两亲性小分子添加剂的重量比为1：1：(0～0.2)。
4.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述聚合物电子给体的材料为窄带系聚合物电子给体；所述电子受体材料为富勒烯衍生物或小分子受体。
5.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层的材料为具有空穴传输能力或电子阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，阳极缓冲层的厚度为1～200nm。
6.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层的材料为具有电子传输能力或空穴阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，阴极缓冲层的厚度为1～200nm。
7.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述衬底层的材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸醋、聚氨基甲酸醋、聚酞亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述透明导电阴极为在可见光区透明或半透明的导电材料，透光率大于50％。
9.根据权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于：所述金属阳极材料为金、银、铂、铜、铝中的一种。
10.一种如权利要求1所述的高效有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：对表面粗糙度小于1nm的由衬底层及透明导电阴极所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极表面旋转涂覆阴极缓冲层，并进行热退火；在阴极缓冲层上采用旋涂制备光活性层；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。
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