CN102945925A - 提高有机太阳能电池光电转换效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，该方法是在配置有机活性层溶液时，添加硝基苯或者二硝基苯。本发明通过添加硝基苯或者二硝基苯作为荧光抑制剂以减少有机太阳能电池激子重新复合的几率，使吸收的光子得到充分利用，从而使有机太阳能电池的光电转换效率在现有基础上提高20%左右。
Description
所属领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是一种利用荧光抑制剂提高有机太阳能电池光电转换效率的方法。
背景技术
2011年底，中国科学院化学研究所侯建辉研究组以PBDTTT-C-T为给体、PC70BM为受体制作了光电转换效率为7.6%的聚合物太阳能电池，（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 9697–9702； 高分子通报，2011年第10期，33-49页）。
有机太阳能电池激子产生及分离过程中，有一定几率重新复合，释放出光子（即发出荧光），从而使吸收的光子不能得到充分利用，导致太阳能电池光电转换效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可减少荧光辐射，增加被吸收的光子利用率，从而提高有机太阳能电池光电转换效率的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：提高有机太阳能电池光电转换效率的方法包括在配置有机活性层溶液时，添加硝基苯或者二硝基苯。
本发明通过添加硝基苯或者二硝基苯作为荧光抑制剂以减少有机太阳能电池激子重新复合的几率，使吸收的光子得到充分利用，从而使有机太阳能电池的光电转换效率在现有基础上提高20%左右。
在上述技术方案下，本发明优选按下面的技术方案实现：
配置有机活性层溶液的方法为：首先配制以邻二氯苯为溶剂有机活性层溶液；向配好的溶液中添加DIO以及硝基苯或二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
所述硝基苯加入量为有机活性层溶液体积的5%-18%。
所述硝基苯加入量为有机活性层溶液体积的10%-12%。
所述的二硝基苯加入量为有机活性层溶液中所含的聚合物质量的10%-25%。所述的二硝基苯为对二硝基苯、邻二硝基苯及间二硝基苯。
所述的聚合物选自P3HT、PBDTTT-C-T、PCDTBT或PCPDTBT。
附图说明
图1 是柔性衬底聚合物太阳能电池器件结构示意图。
图2是实施例1-1所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图3是实施例1-2所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图4是实施例1-3所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图5是实施例1-4所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图6是实施例2-1所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图7是实施例2-2所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图8是实施例2-3所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图9是实施例3-1所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图10是实施例3-2所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图11是实施例3-3所制有机太阳能电池的IV曲线图。
图12是实施例3-4所制有机太阳能电池的IV曲线图。
具体实施方式
下面结合结构示意图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明
图1所示，金属阴极1可以是各种金属墨水印刷而成，如银墨水、铝墨水和混合金属墨水等；或是蒸镀金属单质或合金，如金属铝、金属银或钙铝合金等。电子传输层2为可选择层，一般使用的材料为LiF。有机活性层3是具有电子给体和电子受体的混合溶液：其中电子给体材料可以选自P3HT、PBDTTT-C-T、PCDTBT及PCPDTBT等；电子受体材料可以选自PC61BM、PC71BM等。有机活性层中掺杂DIO(1,8-二碘辛烷)，掺杂浓度为1%-5%（体积百分比）。空穴传输层4的材料可以使用常见的空穴传输层材料：PEDOT：PSS即poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)，其型号为4083，也可以使用其它型号，如PH1000、PH500。阳极5可以选自ITO、FTO等常见的电池阳极材料。衬底材料6现有技术制备即可。
图2-图12的IV曲线图中，PCE 为光电转换效率；FF 为填充因子；Jsc为 短路电流密度；Voc 为开路电压。
具体实施方式中所用所有原材料均为市售商品。
实施例
对比例1
第一步，配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂，配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为10mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）的DIO；溶液密封后放于70℃水浴摇床，缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS （4083 ），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂。旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃。干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层：取第一步配制的有机活性层溶液150μL，在转速为900rpm条件下旋涂。
第四步，蒸镀电极：在样品上蒸镀100nm Al作为电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为7.59%。
实施例1-1
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v,相对于活性层溶液体积，下同）DIO和5%（v/v，相对于活性层溶液体积，下同）硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为900rpm条件下旋涂。
第四步，蒸镀电极：在样品上蒸镀100nm Al作为电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8%。比不添加硝基苯制备的电池效率7.59%提高了5.4%。IV曲线图2所示。
实施例1-2
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和10%（v/v）硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.86%。比不添加硝基苯制备的电池效率7.59%提高了17%。IV曲线如图3所示。
实施例1-3
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂，配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和12%（v/v）硝基苯，溶液密封后放于70℃的水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为9.27%。比不添加硝基苯制备的电池效率7.59%提高了22%。IV曲线如图4所示。
实施例1-4
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和18%（v/v）硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.17%。比不添加硝基苯制备的电池效率7.59%提高了7.6%。IV曲线如图5所示。
实施例2-1
第一步，配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和10%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,4-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃的水浴摇床缓慢振荡至少3小时，之后取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.03%。比不添加1,4-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了5.8%。IV曲线如图6所示。
实施例2-2
第一步，配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和20%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,4-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃的水浴摇床缓慢振荡至少3小时，之后取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.92%。比不添加1,4-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了17.5%。IV曲线如图7所示。
实施例2-3
第一步，配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和25%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,4-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃的水浴摇床缓慢振荡至少3小时，之后取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为7.83%。比不添加1,4-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了3.2%。IV曲线如图8所示。
实施例3-1
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和10%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,2-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为7.96%。比不添加1,2-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了5%。IV曲线如图9所示。
实施例3-2
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和20%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,2-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.28%。比不添加1,2-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了9%。IV曲线如图10所示。
实施例3-3
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和25%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,2-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.02%。比不添加1,2-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了5.6%。IV曲线如图11所示。
实施例3-4
第一步，先配制有机活性层溶液：以邻二氯苯为溶剂配制PBDTTT-C-T/PC71BM（1:1.5，w/w）混合溶液，浓度为15mg/mL(以PBDTTT-C-T为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和20%（w/w，相对PBDTTT-C-T）1,3-二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
第二三四步同实施例1-1。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为8.54%。比不添加1,3-二硝基苯制备的电池效率7.59%提高了12.5%。IV曲线如图12所示。
对比例2
第一步，先配制有机活性层溶液：以氯仿为溶剂配制P3HT/PC61BM（1:1，w/w）混合溶液，浓度为10mg/mL(以P3HT为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO，然后将溶液密封在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少8小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，干燥时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为1000~1500rpm条件下旋涂，放入干燥箱130℃退火15min。
第四步，蒸镀电极：在样品上依次蒸镀1nmLiF缓冲层和100nm Al电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为3.23%。
实施例4-1
第一步，先配制有机活性层溶液：以氯仿为溶剂配制P3HT/PC61BM（1:1，w/w）混合溶液，浓度为10mg/mL(以P3HT为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和10%（v/v，相对P3HT）硝基苯，然后将溶液密封在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少8小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，干燥时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为1000~1500rpm条件下旋涂，放入干燥箱130℃退火15min。
第四步，蒸镀电极：在样品上依次蒸镀1nmLiF缓冲层和100nm Al电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为4.53%。比不添加硝基苯制备的电池效率3.23%提高了40%。
对比例3
第一步，先配制有机活性层溶液：以氯苯为溶剂配制PCDTBT/PC71BM（1:4，w/w）混合溶液，浓度为8mg/mL(以PCDTBT为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO，然后将溶液密封在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少8小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，干燥时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为1000~1500rpm条件下旋涂，放入干燥箱130℃退火10min。
第四步，蒸镀电极：在样品上依次蒸镀1nmLiF缓冲层和100nm Al电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为6.55%。
实施例4-2
第一步，先配制有机活性层溶液：以氯苯为溶剂配制PCDTBT/PC71BM（1:4，w/w）混合溶液，浓度为8mg/mL(以PCDTBT为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和18%（w/w，相对PCDTBT）1,4-二硝基苯，然后将溶液密封在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少8小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，干燥时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为1000~1500rpm条件下旋涂，放入干燥箱130℃退火10min。
第四步，蒸镀电极：在样品上依次蒸镀1nmLiF缓冲层和100nm Al电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为7.06%。比不添加1,4-二硝基苯制备的电池效率6.55%提高了8%。
对比例4
第一步，先配制有机活性层溶液：以氯苯为溶剂配制PCPDTBT/PC71BM（1:4，w/w）混合溶液，浓度为8mg/mL(以PCPDTBT为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO，然后将溶液密封在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少8小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，干燥时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为1000~1500rpm条件下旋涂，常温静置20min。
第四步，蒸镀电极：在样品上依次蒸镀1nmLiF缓冲层和100nm Al电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为6.16%。
实施例4-3
第一步，先配制有机活性层溶液：以氯苯为溶剂配制PCPDTBT/PC71BM（1:4，w/w）混合溶液，浓度为8mg/mL(以PCPDTBT为标准)；向配好的溶液中添加3%（v/v）DIO和18%（w/w，相对PCPDTBT）1,3-二硝基苯，然后将溶液密封在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少8小时，备用。
第二步，清洗基片：将用盐酸刻蚀的ITO玻璃在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中分别超声清洗10min，然后用氮气吹干，UV处理20min。
第三步，薄膜旋涂：旋涂PEDOT∶PSS（4083），取PEDOT∶PSS溶液150μL，转速为2000~3000rpm进行旋涂；旋涂完成后，将样品在干燥箱中烘干，干燥箱温度150℃，干燥时间20min；干燥后将样品放入手套箱，旋涂有机活性层。取第一步所制有机活性层溶液150μL，在转速为1000~1500rpm条件下旋涂，常温静置20min。
第四步，蒸镀电极：在样品上依次蒸镀1nmLiF缓冲层和100nm Al电极，真空蒸镀仓真空度为1×10-4Pa。
通过上面的制备过程，得到的有机太阳能电池光电转换效率为6.69%。比不添加1,3-二硝基苯制备的电池效率6.16%提高了8%。
Claims (7)
1.一种提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，在配置有机活性层溶液时，添加硝基苯或者二硝基苯。
2.根据权利要求1所述的提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，配置有机活性层溶液的方法为：首先配制以邻二氯苯为溶剂有机活性层溶液；向配好的溶液中添加DIO以及硝基苯或二硝基苯，然后将溶液密封放于70℃水浴摇床缓慢振荡至少3小时，取出在恒温振荡箱中室温条件下振荡至少5小时，备用。
3.根据权利要求1或2所述的提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，所述硝基苯加入量为有机活性层溶液体积的5%-18%。
4.根据权利要求3所述的提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，所述硝基苯加入量为有机活性层溶液体积的10%-12%。
5.根据权利要求1或2所述的提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，所述的二硝基苯加入量为有机活性层溶液中所含的聚合物质量的10%-25%。
6.根据权利要求5所述的提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，所述的二硝基苯为对二硝基苯、邻二硝基苯及间二硝基苯。
7.根据权利要求5所述的提高有机太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于，所述的聚合物选自P3HT、PBDTTT-C-T、PCDTBT或PCPDTBT。
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| CN110504367A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-11-26 | 电子科技大学 | 一种基于红外照射处理活性层的有机太阳能电池制备方法 |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN102027602A (zh) * | 2008-03-14 | 2011-04-20 | 朔荣有机光电科技公司 | 半透明太阳能电池 |
| US20120181529A1 (en) * | 2009-09-30 | 2012-07-19 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Layered structure, polymer, electroluminescent device, and photoelectric conversion device |
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2012
- 2012-12-13 CN CN201210537959.XA patent/CN102945925B/zh not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| CN102945925B (zh) | 2015-08-26 |
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