CN103280530B - 一种有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机太阳能电池，包括阳极、阴极及夹在所述的阳极和阴极之间的活性层，所述的活性层和阴极之间还设有阴极界面层，所述的阴极界面层的材料为非共轭有机两性离子化合物。本发明还公开了所述有机太阳能电池的制备方法，包括正向器件和反向器件的制备，即通过旋涂、喷墨打印等方式在活性层与阴极之间形成一厚度可控的阴极界面层，该阴极界面层的制备工艺简单，适宜产业化，且其引入不会发生阴极界面层与活性层界面混溶，从而增强器件稳定性，同时增强电子的注入效率、极大提高了电池的性能。

Description

一种有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光电材料应用技术领域，尤其涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机太阳能电池具有柔性、成本低、加工工艺简单，适宜大面积制作等显著特点，在新能源领域具有广阔的应用前景。
有机太阳能电池（OPV）通常由多层结构组成，包括阳极材料、活性层材料、阴极材料。在光照作用下，活性层材料吸收光子，同时生成空穴和电子，空穴从活性层材料的HOMO轨道注入到阳极材料，电子从活性层材料的LUMO轨道注入到阴极材料，在电池的阳极和阴极间产生电势差。
在OPV正向器件中，常用的阳极材料通常为透明导电的氧化铟锡（ITO），它的功函约为4.8eV，常用的阴极材料通常为金属铝（Al），它的功函约为4.2eV，而常用的活性层材料的HOMO能级在5.2-5.8eV，LUMO能级在2.7-3.4eV。在OPV反向器件中，ITO作为阴极材料，Al作为阳极材料。
为了使在活性层中产生的电子更好的从LUMO轨道注入到阴极材料，阴极材料的功函必须很好的与活性层材料的LUMO能级相匹配。很明显，不论是Al还是ITO，作为阴极材料，它的功函都太高，与发光层材料或活性层材料的LUMO能级存在较大的势垒，不利于电子的注入。
为了增强电子的注入，通常是在发光层或活性层与阴极之间添加一层阴极界面修饰层。传统的器件用LiF、CsF等做阴极界面修饰层，或者采用Ca、Ba等低功函金属做电极材料。虽然以上方法可以取得较好的器件性能，但是，使用以上无机材料作界面层或电极材料需要通过真空蒸镀的方法实现成膜，工艺复杂，而且Ca、Ba等低功函金属性质活泼，对氧气和水汽非常敏感，需要非常严格的器件封装工艺并会影响器件的稳定性。
虽然之前人们也有人尝试使用可溶液加工的聚合物材料作为有机太阳能电池的阴极界面修饰（Adv.Funct.Mater.2010,20,1977–1983;Appl.Phys.Lett.2010,97,223305;），但是所使用的聚合物材料化学结构复杂，合成和提纯困难。
因此，找到一种结构简单、廉价易得、化学性质稳定、可溶液加工、电子注入和传输性能优异的材料作为有机太阳能电池的阴极界面修饰方面的应用具有巨大的实用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种加工工艺简单、化学性质稳定的有机太阳能电池。
一种有机太阳能电池，包括阳极、阴极及夹在所述的阳极和阴极之间的活性层，所述的活性层和阴极之间还设有阴极界面层，所述的阴极界面层由非共轭有机两性离子化合物构成。
与常规的阴极界面材料相比，两性离子化合物的熔点高、电化学窗口宽、由于分子内部两端带正电荷的基团和带负电荷的基团对阴极的作用不一样，阴极界面层的引入有效地改善了活性层与阴极之间的接触，使串联电阻降低，有效提高了电池效率。
但由于非共轭链的电荷传输能力差，所以非共轭链过长，反而会导致串联电阻增大。因此，作为优选，所述的阴极界面层的材料的分子结构如S3所示：
该非共轭有机两性离子化合物易溶于甲醇或水等极性溶剂，难溶于甲苯、氯仿、二氯甲烷等非极性溶剂；然而，有机太阳能电池中常用的活性层的材料一般易溶于甲苯、氯仿、二氯甲烷等非极性溶剂，难溶于甲醇或水等极性溶剂。因此，在器件制备过程中，通过溶液法在活性层和阴极之间插入由该非共轭有机两性离子化合物组成的阴极界面层时，阴极界面层与活性层不会发生界面混溶，从而增强器件稳定性和延长器件寿命。
研究表明，由于阳极与活性层的能级不匹配，它们之间有很高的势垒高度，导致空穴注入效率较低，因此，作为优选，所述的活性层和阳极之间还设有缓冲层。引入该缓冲层对阳极进行修饰，主要是提高其功函数，使其表面平整、平滑以扩大阳极与活性层的接触面积，从而实现降低空穴注入势垒、提高注入效率的目的。
进一步优选，所述的缓冲层的材料为PEDOT：PSS或MoO3。该缓冲层同阳极共同作为空穴收集极，提高空穴注入能力。
本发明还提供了所述的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）清洗阳极，用氮气吹干，经UV-Ozone处理；所述的阳极为ITO玻璃;
（2）在步骤（1）得到的阳极上旋涂PEDOT：PSS溶液，然后干燥处理，使形成缓冲层；
（3）将PTB7和PC70BM配成氯苯溶液作为活性层溶液，在步骤（2）得到的缓冲层上旋涂该活性层溶液，形成活性层；
（4）将阴极界面层的材料配成溶液，将该溶液旋涂或喷墨打印在步骤（3）得到的活性层上，得到阴极界面层；
（5）真空度低于3×10-4Pa的条件下，在步骤（4）得到的阴极界面层上蒸镀金属铝作为电池的阴极。
上述制备步骤中，步骤（1）中的ITO玻璃依次用ITO专用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，然后氮气吹干，经UV-Ozone处理10～30分钟；步骤（2）和（3）则通过控制旋涂时间分别得到厚度约30-40nm的缓冲层和厚度约100-120nm的活性层；而步骤（4）通过旋涂或喷墨打印方式在活性层上形成厚度为5-10nm的阴极界面层；最后经步骤（5）蒸镀厚度为80-120nm的阴极，完成有机太阳能电池正向器件的制备。
上述是有机太阳能电池正向器件的制备方法，本发明还提供了反向器件的制备方法，即将传统电池的阴、阳电极材料进行对换，但其他结构的处理及各结构层的厚度均与上述正向器件的制备过程相似。
一种有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）清洗阴极，用氮气吹干，经UV-Ozone处理；所述的阴极为ITO玻璃;
（2）将阴极界面层的材料配成溶液，将该溶液旋涂或喷墨打印在步骤（1）得到的阴极上，得到阴极界面层；
（3）PTB7和PC70BM配成氯苯溶液作为活性层溶液，在步骤（2）得到的阴极界面层上旋涂该活性层溶液，形成活性层；
（4）真空度低于3×10-4Pa的条件下，在步骤（3）得到的活性层上蒸镀MoO3作为缓冲层；
（5）真空度低于3×10-4Pa的条件下，在步骤（4）得到的缓冲层上蒸镀金属铝作为电池的阳极。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
（1）本发明采用的非共轭有机两性离子化合物的分子结构简单，廉价易得。
（2）本发明采用的非共轭有机两性离子化合物与有机太阳能电池中常用的活性层材料的溶解性差异较大。该阴极界面层的引入，不会发生阴极界面层与活性层界面混溶，从而增强器件稳定性并延长器件寿命。
（3）本发明采用的非共轭有机两性离子化合物稳定性好，对氧气和水汽呈现化学惰性，使器件本身的稳定性大大提高，降低了器件封装的难度和成本。
（4）本发明采用的非共轭有机两性离子化合物具有良好的电子注入和传输性能，作为阴极界面层插入到有机太阳能电池器件中后，大大提高了器件的性能。
（5）本发明采用的非共轭有机两性离子化合物可通过旋涂、喷墨打印等方式在活性层与阴极之间形成一厚度可控的薄层，器件制备工艺简单，适宜产业化。
附图说明
图1为实施例1中有机太阳能电池的结构示意图（正向器件）；
图2为有无S3作为阴极界面层的有机太阳能电池正向器件的性能比较图；
图3为实施例2中有机太阳能电池的结构示意图（反向器件）；
图4为有无S3作为阴极界面层的有机太阳能电池反向器件的性能比较图。
具体实施方式
实施例1
有机太阳能电池正向器件的制备：
首先，称取2mg非共轭有机两性离子化合物S3放置在干净的2ml样品瓶中，加入1ml甲醇，60℃溶解24小时，使用前以0.45微米滤膜过滤，得界面材料溶液。在氮气保护的手套箱中称取10mgPTB7(自制)和15mgPC70BM（NanoC）放置在干净的2ml样品瓶中，加入1ml氯苯，60℃溶解24小时，使用前以0.22微米滤膜过滤，加入30μl1,8-二碘辛烷，得活性层溶液。将ITO玻璃依次用ITO专用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗10分钟，用氮气吹干，经过UV-Ozone处理20分钟后，用匀胶机旋涂上一层PEDOT：PSS（Bayer4083），转速4000rpm，时间60s，使形成厚度为30-40nm的缓冲层。旋涂后的ITO在平板加热器上140℃干燥10分钟。在氮气保护的手套箱中使用匀胶机在缓冲层上旋涂活性层溶液，转速1500rpm，时间120s，使形成100-120nm厚的活性层。将界面材料溶液旋涂在活性层上，转速6000rpm，时间60s，使形成5-10nm厚的阴极界面层，将有阴极界面层和没有阴极界面层的器件一起放入真空蒸镀机中，在真空度达到3×10-4Pa以下时蒸镀100nm厚的铝作为阴极，得到的有阴极界面层的有机太阳能电池正向器件的结构见图1。有无S3作为阴极界面层的有机太阳能电池正向器件的性能对比如下表：
图2是有无S3作为阴极界面层的有机太阳能电池正向器件的电流密度-电压（J-V）曲线的比较图。图中▲表示结构ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PC70BM=1:1.5/Al的J-V曲线，▽表示结构ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PC70BM=1:1.5/S3/Al的J-V曲线。从图中曲线比较可知，加入非共轭有机两性离子化合物S3作为阴极界面层后，器件的性能有较大提高。
实施例2
有机太阳能电池反向器件的制备：
首先，称取2mg非共轭有机两性离子化合物S3放置在干净的2ml样品瓶中，加入1ml甲醇，60℃溶解24小时，使用前以0.45微米滤膜过滤，得界面材料溶液。在氮气保护的手套箱中称取10mgPTB7(自制)和15mgPC70BM（NanoC）放置在干净的2ml样品瓶中，加入1ml氯苯，60℃溶解24小时，使用前以0.22微米滤膜过滤，加入30μl1,8-二碘辛烷，得活性层溶液。将ITO玻璃依次用ITO专用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗10分钟，用氮气吹干，经过UV-Ozone处理20分钟。将界面材料溶液分别旋涂在ITO上，转速6000rpm，时间60s，使形成5-10nm厚的阴极界面层。在氮气保护的手套箱中使用匀胶机在有阴极界面层和没有阴极界面层的器件上旋涂活性层溶液，转速1500rpm，时间120s，使形成100-120nm厚的活性层。将有阴极界面层和没有阴极界面层的器件一起放入真空蒸镀机中，在真空度达到3×10-4Pa以下时依次蒸镀10nm厚的三氧化钼（MoO3）和100nm厚的铝（Al）作为阳极，得到的有阴极界面层的有机太阳能电池反向器件的结构见图3。有无S3作为阴极界面层的有机太阳能电池正向器件的性能对比如下表：
图4是有无S3作为阴极界面层的有机太阳能电池反向器件的电流密度-电压（J-V）曲线的比较图。图中▲表示结构ITO/PTB7:PC70BM=1:1.5/MoO3/Al的J-V曲线，▽表示结构ITO/S3/PTB7:PC70BM=1:1.5/MoO3/Al的J-V曲线。从图中曲线比较可知，加入非共轭有机两性离子化合物S3作为阴极界面层后，器件的性能有大幅提高。

Claims (3)

1.一种有机太阳能电池，包括阳极、阴极及夹在所述的阳极和阴极之间的活性层，其特征在于，所述的活性层和阴极之间还设有阴极界面层，所述的阴极界面层由非共轭有机两性离子化合物构成；
所述的非共轭有机两性离子化合物的分子结构如S3所示：
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述的活性层和阳极之间还设有缓冲层。
3.根据权利要求2所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述的缓冲层的材料为PEDOT：PSS或MoO3。
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