CN103531711A - 一种双结有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种双结有机太阳能电池，所述电池包括底电池和顶电池，底电池包括透明衬底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层、中间电极层；顶电池包括中间电极层、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极，其中，底电池和顶电池的光活性层中含有给体材料、受体材料和染料，染料为至少一种吸收峰在250-550nm的短波染料和至少一种吸收峰在650-950nm的长波染料。本发明通过不同波长染料的组合使用，增加了对太阳光的利用效率，提高了太阳能电池光电转换效率和稳定性。

Description

一种双结有机太阳能电池
技术领域
本发明涉及有机半导体光电器件领域，特别涉及一种双结有机太阳能电池。
背景技术
有机太阳能电池的光活性层半导体材料具有制备简单，容易修饰，价格便宜，能够制作大面积柔性器件的特性，极具潜在的应用价值。高效率和高稳定性是衡量有机太阳能电池的两个重要指标。因此，如何提高有机太阳能电池的光电转换效率和稳定性是当前有机太阳能电池的研究热点。有机太阳能电池主要是采用有机共轭小分子或有机共轭聚合物和富勒烯衍生物两种半导体材料组成的光活性层完成光电转换的。在过去的十年中，科学家们通过设计并合成窄带隙的电子给体材料，优化有机太阳能电池结构，使单结有机太阳能电池的光电转化效率从不足1%提高到了9%以上；双结有机太阳能电池的光电转化效率达到了12%。通过使用新型电极修饰材料（如用稳定的氧化钼替代PEDOT:PSS）或添加剂（如在光活性层中添加对苯二酚）提高了有机太阳能电池的稳定性。
然而，有机太阳能电池的光电转化效率低、稳定性差仍然是制约有机太阳电池器件走向实用化的主要原因。这主要是因为：（1）电子给体材料的吸收波长大多在可见光区域，光谱吸收范围较窄，因此不能充分利用太阳光，特别是太阳光中近紫外和近红外区域部分；（2）电子给体材料吸收的太阳光会有一部分以近红外波长荧光的形式辐射损失掉而形不成有效电流。（3）由给体材料和受体材料组成的光活性层薄膜结晶度低、稳定性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题和不足，提供一种能有效提高太阳能电池光电转换效率和稳定性的双结有机太阳能电池。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种双结有机太阳能电池，包括底电池和顶电池，底电池包括透明衬底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层、中间电极层；顶电池包括中间电极层、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极，改进后，底电池和顶电池的光活性层中含有给体材料、受体材料和染料，染料为至少一种吸收峰在250-550nm的短波染料和至少一种吸收峰在650-950nm的长波染料。 
上述双结有机太阳能电池，所述短波染料与长波染料的重量比控制在1:10~10:1。
上述双结有机太阳能电池，所述染料占光活性层总重量的0.1%~10%。
上述双结有机太阳能电池，所述染料为金属多吡啶配合物染料、金属卟啉染料、金属酞菁染料中的一种或几种。
上述双结有机太阳能电池，所述给体材料选自共轭有机小分子或共轭聚合物中的一种。
上述双结有机太阳能电池，所述受体材料选自C60、C70或C60、C70的衍生物中的一种。
上述双结有机太阳能电池，所述底电池和顶电池的光活性层由以下方法制得：由给体材料、受体材料和染料在混合溶剂或单一溶剂中组成混合溶液，经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷或喷墨打印方式制得。
与现有技术相比，本发明有益效果表现在：本发明通过采用双结结构，同时在光活性层中添加不同吸收波长的染料组合，利用染料对太阳光中近紫外和近红外区域的吸收，弥补了电子给体材料和电子受体材料对这两部分光吸收较少的缺点，拓宽了双结有机太阳能电池对太阳光的吸收光谱同时也降低了荧光辐射的损失，增强了太阳光的利用效率，进而提高了双结有机太阳能电池的光电转化效率。同时由于染料的添加提高了光活性层的结晶度，从而提高了双结有机太阳能电池的稳定性。
附图说明
图1-4为本发明的双结有机太阳能电池的结构示意图。
图中各标号表示为：1-透明衬底，2-阴极，3-电子传输层，4-底电池光活性层，5-空穴传输层、6-中间电极，7-电子传输层，8-顶电池光活性层，9-空穴传输层，10-阳极，11~22均为染料。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
一种双结有机太阳能电池，结构如图1所示，包括底电池和顶电池。底电池包括透明衬底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层、中间电极层；顶电池包括中间电极层、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极。本发明对所述衬底材料没有特殊限制，可以为透明有机聚合物薄膜或玻璃，所述透明有机聚合物薄膜材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或其他聚酯类材料中的一种或任意组合。
本发明中，阴极材料选自透明金属氧化物或透明导电高分子，优选为ITO，适合本发明的阴极的方块电阻为5~120Ω/□，优选8~60Ω/□。
本发明中，双结有机太阳能电池的电子传输层选自TiO2、ZnO、LiF或Cs2CO3中的一种。
本发明底电池和顶电池的光活性层中含有给体材料、受体材料和染料。给体材料为共轭有机小分子(如p-DTS(FBTTh2)2)或共轭聚合物(如PBDTTT-C-T)中的一种，受体材料为C60、C70或C60、C70的衍生物(如PC60BM)中的一种，染料为至少一种为短波染料和至少一种为长波染料。短波染料的吸收峰在250-550nm，长波染料的吸收峰在650-950nm。短波吸收染料优选为金属卟啉染料、金属多吡啶配合物染料；长波吸收染料优选为金属酞菁染料。适合本发明的金属卟啉染料为四苯基卟啉锌(简称ZnTPP)，金属多吡啶配合物染料为cis-二硫氰酸基双(N,N'-2,2'-联吡啶-4,4'-二甲酸)钌(简称N3)、三(2-苯基吡啶)合铱(简称Ir(ppy)3)，酞菁和萘酞菁染料为酞菁铜(简称CuPc)、2,9,16,23-四-(4-羟基苯偶氮基)酞菁钴(Ⅱ)(简称THPcCo(Ⅱ))、酞菁硅(简称SiPc)、萘酞菁硅(简称SiNc)，有机染料为对称方酸(简称SQ)。本文中有关缩写名称的分子结构如下: 
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通过添加不同吸收波长的染料组合，不仅拓宽了光活性层吸收太阳光谱的范围，给体材料以荧光形式辐射的近红外波长还会被染料吸收并转换成电流，可产生明显的光电性能加合效应，提高了传统有机太阳能电池对太阳光的吸收效率。
金属基配合物染料本身具有良好的化学稳定性和结晶性能，将其添加到只含有给体材料和受体材料的光活性层中，增强了光活性层成膜后的结晶度，降低了电池光电转换效率衰减速度，提高了电池稳定性。
本发明中，染料占光活性层总重量的0.1%-10%。染料含量过低，不能有效的吸收太阳光谱；染料含量过高，光活性层薄膜粗糙度增加，破坏器件的界面接触，导致串联电阻增高、转换效率降低。
本发明中，短波染料与长波染料的重量比介于1:10-10:1。由于染料的总量限制，短波染料太多导致长波染料的减少，不能对近红外光的充分利用；短波染料太少的话，近紫外区则利用不足。
本发明中，中间电极选自Au、Ag、Cu、Mo、PEDOT:PSS及其衍生物中的一种或几种。
本发明中，双结有机太阳能电池的空穴传输层为PEDOT:PSS、MoO3、V2O5、NiO、WO3或石墨烯氧化物中的一种。
本发明中的阳极包括但不限于Ca、Ba、Al、Mg和Ag一种或几种的合金。
本发明提出的双结有机太阳能电池效率和稳定性的提高是这样实现的：典型的双结有机太阳能电池是由多种半导体材料（给体材料和受体材料）组成的两个光活性层，当太阳光照射到光活性层时，给体材料和受体材料吸收太阳光产生激子，激子在给体材料和受体材料的界面处分离为空穴和电子，然后被电极收集。当在双结有机太阳能电池的光活性层中添加染料时，染料能级恰好和给体材料或受体材料的能级很好的匹配，保证了染料吸收的太阳光通过能量转移或电荷转移的机理传递到电子给体材料或电子受体材料，增加了太阳光谱的吸收范围。同时，给体材料以荧光形式辐射的近红外波长还会被染料吸收并转换成电流，避免造成太阳光中这部分能量的损失，因此增加了太阳光谱的利用效率，提高了有机太阳能电池的光电转化效率。金属基配合物染料自身的化学稳定性和结晶性能致使光活性层结晶度提高，又提高了双结有机太阳能电池的稳定性，同时能够保证有机太阳能电池的长期的转换效率。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
透明G/ITO的处理：
将ITO导电玻璃（珠海凯为电子元器件有限公司，方阻14Ω/□，透过率85%）蚀刻电极图案后，先洗涤灵清洗，然后依次用去离子水、无水乙醇、丙酮和异丙醇各超声清洗10min，氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
电子传输层的制备：
在ITO表面旋涂ZnO薄膜，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，于150℃退火10min。
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入1mg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在电子传输层表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
中间电极的制备：
在底电池光活性层的表面旋涂PEDOT:PSS，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，于150℃退火10min。
顶电池电子传输层的制备：
在中间电极的表面旋涂ZnO薄膜，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，于150℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mg PC70BM溶于1mL氯苯，然后加入0.1mg CuPc的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在ZnO薄膜表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
空穴传输层的制备：
在1×10-4Pa真空度下，在光活性层表面真空蒸镀厚度为10nm的MoO3薄膜形成空穴传输层。
阳极的制备：
在1×10-4Pa真空度下，在空穴传输层表面真空蒸镀厚度为100nm的Al膜形成阳极。
上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/ZnO/P3HT: PC60BM:ZnTPP/PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM:CuPc/MoO3/Al，有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件：光谱分布AM1.5G，光照强度1000W/m2，AAA 太阳光模拟器(日本SAN-EI 公司XES-502S+ELS155型)，I-V 曲线用Keithly2400 型数字源表进行测量，所有测试均在大气环境下进行。
实施例2
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入0.2mg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mg PC70BM溶于1mL氯苯，2mg SiPc的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
其他制备方法同实施例1。
用上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/ZnO/P3HT: PC60BM:ZnTPP/PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM:SiPc/MoO3/Al有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例3
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入0.1mg Ir(ppy)3溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mgPC70BM溶于1mL氯苯，然后加入0.5mg  SiPc的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
其他制备方法同实施例1。
用上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构如图1所示：G/ITO/ZnO/P3HT: PC60BM:Ir(ppy)3/PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM:SiPc/MoO3/Al，有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例4
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入0.1mg Ir(ppy)3和0.2mg SiNc的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mg PC70BM溶于1mL氯苯，然后加入0.2mg THPcCo(Ⅱ)的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
其他制备方法同实施例1。
用上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构如图2所示：G/ITO/ZnO/P3HT: PC60BM:Ir(ppy)3:SiNc/PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM:THPcCo(Ⅱ)/MoO3/Al，有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例5
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入1.0mg ZnTPP的溶液，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mg PC70BM溶于1mL氯苯，然后加入1.0mg N3和0.1mg SiNc的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
其他制备方法同实施例1。
用上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构如图3所示：G/ITO/ZnO/P3HT: PC60BM:ZnTPP/PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM:N3:SiNc/MoO3/Al，有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
实施例6
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入0.2mg Ir(ppy)3和0.5mg SiPc的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mg PC70BM溶于1mL氯苯，然后加入0.5mg SiNc和2.7mg SQ的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合溶液在匀胶机上旋涂。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
其他制备方法同实施例1。
用上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构如图4所示：G/ITO/ZnO/P3HT: PC60BM:Ir(ppy)3:SiPc/PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM:SiNc:SQ/MoO3/Al，有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1，测试条件同实施例1。
对比例
底电池光活性层的制备：
分别称取12mg P3HT和12mg PC60BM溶于1mL氯苯，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在电子传输层表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，于130℃退火10min。
顶电池光活性层的制备：
分别称取10mg PBDTTT-C-T和15mg PC70BM溶于1mL氯苯，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在ZnO薄膜表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s。
其他制备方法同实施例1。
用上述方法制备的有机太阳能电池的器件结构：G/ITO/ZnO/P3HT:PC60BM/ PEDOT:PSS/ZnO/PBDTTT-C-T:PC70BM/MoO3/Al，有效面积为0.04cm2，光电转换效率数据见表1。
表1：实施例和对比例数据
Figure 309373DEST_PATH_IMAGE012
检测方法：
光电转换效率测试条件：光谱分布AM1.5G，光照强度1000W/m2，AAA 太阳光模拟器(日本SAN-EI 公司XES-502S+ELS155型)，I-V 曲线用Keithly2400 型数字源表进行测量，所有测试均在大气环境下进行。

Claims (7)

1. 一种双结有机太阳能电池，包括底电池和顶电池，底电池包括透明衬底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层、中间电极层；顶电池包括中间电极层、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极，其特征在于，所述底电池和顶电池的光活性层中含有给体材料、受体材料和染料，染料为至少一种吸收峰在250-550nm的短波染料和至少一种吸收峰在650-950nm的长波染料。
2.根据权利要求1所述的双结有机太阳能电池，其特征在于，所述短波染料与长波染料的重量比介于1:10~10:1。
3.根据权利要求2所述的双结有机太阳能电池，其特征在于，所述染料占光活性层总重量的0.1%~10%。
4.根据权利要求1、2或3所述的双结有机太阳能电池，其特征在于，所述染料为金属多吡啶配合物染料、金属卟啉染料、金属酞菁染料中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的双结有机太阳能电池，其特征在于，所述给体材料选自共轭有机小分子或共轭聚合物中的一种。
6.根据权利要求5所述的双结有机太阳能电池，其特征在于，所述受体材料选自C60、C70或C60、C70的衍生物中的一种。
7.根据权利要求6所述的双结有机太阳能电池，其特征在于，所述底电池和顶电池的光活性层由给体材料、受体材料和染料在混合溶剂或单一溶剂中组成混合溶液，经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷或喷墨打印方式制得。
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