CN105024014A - 一种采用离子液体薄膜作为中间层的有机太阳能电池 - Google Patents

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张坚
黄林泉
傅平
于为
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Abstract

本发明涉及一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池具有由p型半导体和n型半导体组成的光敏层，以及具有在该光敏层两侧的电极，即阴极和阳极。特点是置离子液体薄膜在阴极和光敏层之间，可显著提升有机太阳能电池效率。

Description

一种采用离子液体薄膜作为中间层的有机太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种采用离子液体薄膜作为中间层的有机太阳能电池器件。
背景技术
太阳能电池根据使用材料的不同可以分为无机和有机太阳能电池。目前，无机太阳能电池主要是指硅太阳能电池，虽然它的效率高达24％，接近其理论效率30％，但是由于硅太阳能电池的价格高昂，阻碍了它更大规模的生产应用。有机太阳能电池以其制作工艺简单、质量轻和成本低等优点而备受关注。
本体异质结有机太阳能电池结构中，为了避免给体和受体材料与电池的阴极和阳极直接接触而降低太阳能电池能量转化效率，在活性层和两电极之间添加缓冲层是必不可少的。目前，常用的阴极中间层材料有氧化钛、氧化锌等氧化物半导体和聚乙烯亚胺(PEI)等聚电解质。氧化钛和氧化锌等氧化物，需要通过真空蒸镀或溅射等方法进行制备，或溶液方法制备再进行高温处理，因而造成制备成本高。聚乙烯亚胺(PEI)可以基于溶液过程进行制备，但它价格昂贵，对制备过程要求苛刻，使它的应用性较差。为了实现有机太阳能电池的低成本制备，急需寻找一种可实现基于溶液的低成本工艺的新型的阴极中间层材料。
离子液体有较好的透光性，具有较好的电子传输能力，而且种类多、生产成本较低。在现有的文献或专利中，利用离子液体作为阴极界面层制备有机太阳能电池还是一个空白。本发明利用采用离子液体薄膜作为阴极中间层提高有机太阳能电池中光生载流子收集效率，进而提高有机太阳能电池的光电转化效率。
发明内容
本发明是利用离子液体作为有机太阳能电池的阴极界面层，在提高有机太阳能电池能量转换效率的同时降低其成本。
本发明可将离子液体配制成的溶液，采用旋涂、印刷、打印等卷对卷制备技术制备成薄膜，然后在离子液体薄膜上制备出有机太阳能电池。
采用离子液体薄膜作为中间层的有机太阳能电池，包括层状相互叠合的阳极与阴极，以及在阳极与阴极之间的一光敏层，在该阳极和光敏层之间设置中间层，在所述的阴极和所述光敏层之间设置阴极中间层，所述阴极中间层为离子液体薄膜。
所述阳极中间层主要传导空穴并且与所述阳极直接接触，所述光敏层与所述阳极中间层直接接触，光敏层的构成材料包含配对的p型半导体材料与n型半导体材料，其质量比为10：1-1：10；
所述阴极中间层主要传导电子并且与所述光敏层直接接触，所述阴极与所述阴极中间层直接接触。
所述的中间层的厚度范围为0.1nm-1000nm。
阳极与阴极均可朝向入射光并且可具有栅格结构。
本发明中离子液体材料可为含咪唑类、吡啶类、季铵盐类或季鏻盐类正离子的离子液体材料中的一种或两种以上的复合物。
所述阴极中间层的组成材料可为含咪唑类、吡啶类、季铵盐类或季鏻盐类正离子的离子液体材料中的一种或两种以上与TiO2、ZnO、Cs2CO3中一种或两种以上无机材料的层状复合物。
咪唑类正离子的离子液体材料为氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-苄基-3-甲基咪唑、1-苄基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、碘化1-丙基-3-甲基咪唑盐、氯化1-辛基-3-甲基咪唑、1-辛基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、氯化1-羟乙基-3-甲基咪唑、1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、氯化1-羧甲基-3-甲基咪唑、1-羧甲基-4-甲基咪唑四氟硼酸盐、氯化1-蒽甲基-3-甲基咪唑、1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐、1-烷基(羟基)-3-甲基咪唑对磺酸基聚苯乙烯盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、碘化1-乙基-3-甲基咪唑、溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑、1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-十六烷基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐、1-丁基-3-甲基咪唑甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二丁酯盐、1-丁基-3-甲基咪唑双氰胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟锑酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑辛硫酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐、1-羧甲基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、溴化1-羧甲基-3-甲基咪唑、4-(3-甲基-1-咪唑)-1-丁基磺酸内盐、4-(3-甲基-1-咪唑)-1-丁基磺酸硫酸氢盐、4-(3-甲基-1-咪唑)-1-丁基磺酸三氟甲磺酸盐、溴化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-乙酯甲基-3-甲基咪唑、1-乙酯甲基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、氢氧化1-丁基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-2,3-二甲基咪唑、溴化1-丁基-2,3-二甲基咪唑、1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、氯化1,3-二亚甲基蒽咪唑、1,3-二甲基咪唑硫酸甲酯盐、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、溴化1,3-二芴基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑三氰甲盐、溴化1-丁基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、溴化1-乙基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、氯化1-己基-3-甲基咪唑、溴化1-己基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、溴化1-辛基-3-甲基咪唑、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、溴化1-癸基-3-甲基咪唑、1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-癸基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-癸基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、溴化1-十二烷基-3-甲基咪唑、1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-十二烷基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-十二烷基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑氢溴酸盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑甲磺酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑辛磺酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑对甲苯磺酸盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑硫氰酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑氢溴酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑甲磺酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑对甲苯磺酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-辛基-2,3-二甲基咪唑氢溴酸盐、1-辛基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-辛基-2,3-二甲基咪唑对甲苯磺酸盐、1-辛基-2,3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑氢溴酸盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑甲磺酸盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-癸基-2,3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑氢溴酸盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑甲磺酸盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑对甲苯磺酸盐、1-十六烷基-2,3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑L乳酸盐、溴化1-丙基-3-甲基咪唑、碘化1-己基-3-甲基咪唑、氯化1-萘甲基-3-甲基咪唑、溴化1-芴基-3-甲基咪唑、碘化1,3-二甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑对甲苯磺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑十二磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-癸基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑双氰胺盐、1-苄基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、溴化1-苄基-3-甲基咪唑、1-苄基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-苄基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐等中一种或两种以上；
吡啶类正离子的离子液体材料为溴化N-乙基吡啶、碘化N-乙基吡啶、N-乙基吡啶四氟硼酸盐、N-乙基吡啶六氟磷酸盐、氯化N-丁基吡啶、溴化N-丁基吡啶、碘化N-丁基吡啶、N-丁基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基吡啶六氟磷酸盐、N-丁基吡啶三氟甲磺酸盐、碘化N-辛基吡啶、氯化N-辛基吡啶、溴化N-辛基吡啶、N-辛基吡啶四氟硼酸盐、N-辛基吡啶六氟磷酸盐、氯化N-己基吡啶、溴化N-己基吡啶、碘化N-己基吡啶、N-己基吡啶四氟硼酸盐、N-己基吡啶六氟磷酸盐中一种或两种以上；
季铵盐类正离子的离子液体材料氯化N-三乙基-(4-乙烯基苄基)铵、氯化N-三甲基-4-乙烯基苄基)铵、四丁基铵六氟磷酸盐、四丁基铵六氟磷酸盐、氯化三甲基羟乙基胺、三甲基羟乙基铵四氟硼酸盐、三甲基羟乙基铵六氟磷酸盐、三甲基羟乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐等中一种或两种以上；
季鏻盐类正离子的离子液体材料为三丁基甲基碘化膦、三丁基乙基溴化膦、三丁基乙基膦四氟硼酸盐、三丁基乙基膦六氟磷酸盐、三丁基乙基膦双三氟甲磺酰亚胺盐、四丁基溴化膦、四丁基膦四氟硼酸盐、四丁基膦六氟磷酸盐、四丁基膦双三氟甲磺酰亚胺盐、三丁基己基溴化膦、三丁基己基膦四氟硼酸盐、三丁基己基膦六氟磷酸盐、三丁基己基膦双三氟甲磺酰亚胺盐、三丁基辛基溴化膦、三丁基癸基基溴化膦、三丁基十二烷基溴化膦、三丁基十四烷基溴化膦等中一种或两种以上；
阳极电极材料为ITO玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、ZTO玻璃、IZO玻璃、铝、银、金、铬、合金、聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、石墨烯、碳纳米管等中一种或两种以上；
阴极电极材料为ITO玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、ZTO玻璃、IZO玻璃、铝、银、金、铬、合金、聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、石墨烯、碳纳米管等中一种或两种以上；
光敏层中p型半导体材料为PPV、P3HT、PCDTBT、PDPP3T、PBDT-TFQ、PBDTTT-C、PBDTTT-E、PBDTTT-CF、PBDTTT-EF、PBDTTT-C-T、PBDTTT-E-T、PTB7等中一种或两种以上；
光敏层中n型半导体材料为PC61BM、PC71BM、F8TBT、IC60BA、IC70BA、bisPCBM、CN-PCBM、NCBA等中一种或两种以上；
阳极中间层材料为氧化钼、氧化钒、氧化铜、氧化镍、氧化钨、氧化钌、碳化钨、银纳米粒子、石墨烯、氧化石墨烯、聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、聚电解质等中一种或两种以上。
本发明所述的利用离子液体做阴极界面层的方法简单便捷、成本低廉，用离子液体作为阴极界面层可大幅度提高有机太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明所述的离子液体作为阴极界面层的正常结构(normal structure)有机太阳能电池的结构示意图；
图2是用本发明所述的离子液体作为阴极界面层的反式结构(invertedstructure)有机太阳能电池的结构示意图；
图3是ITO基底上有无氯化1-苄基-3-甲基咪唑作为PTB7:PC71BM阴极界面层的有机太阳能电池的J-V曲线；
图4是ITO基底上有无1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为阴极界面层的PTB7:PC71BM有机太阳能电池的J-V曲线。
具体实施方式
实施例1
利用搅拌的方法将氯化1-苄基-3-甲基咪唑配置成0.8mg/ml的甲醇溶液，将其旋涂在ITO玻璃表面。在离子液体层上旋涂140纳米厚的组分比例为1:1的P3HT：PCBM薄膜，然后转移到热蒸发系统中蒸镀金属电极，制备如图2所示的有机太阳能电池结构。从上至下，包括依次层状相互叠合的阳极、阳极中间层、光敏层、阴极中间层、阴极、基底层。
对此类电池进行I-V测试，器件的短路电流是11.8mA/cm2，填充因子是55％，能量转换效率是3.8％。
实施例2
利用搅拌的方法将氯化1-苄基-3-甲基咪唑配置成0.8mg/ml的甲醇溶液，将其旋涂在ITO玻璃表面。在离子液体层上旋涂90纳米厚的组分比例为1:1.5的PBDTTT-C：PCBM薄膜，然后转移到热蒸发系统中蒸镀金属电极，制备如图2所示的有机太阳能电池结构。
对此类电池进行I-V测试，器件的短路电流是17.1mA/cm2，填充因子是61％，能量转换效率是7.49％。
实施例3
利用搅拌的方法将氯化1-苄基-3-甲基咪唑配置成0.8mg/ml的甲醇溶液，将其旋涂在ITO玻璃表面。在离子液体层上旋涂95纳米厚的组分比例为1:1.5的PTB7：PCBM薄膜，然后转移到热蒸发系统中蒸镀金属电极，制备如图2所示的有机太阳能电池结构。
对此类电池进行I-V测试，如图3所示，器件的短路电流是16.7mA/cm2，填充因子是69.8％，能量转换效率是8.40％。
实施例4
利用搅拌的方法将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐配置成0.8mg/ml的甲醇溶液，将其旋涂在ITO玻璃表面。在离子液体层上旋涂95纳米厚的组分比例为1:1.5的PTB7：PCBM薄膜，然后转移到热蒸发系统中蒸镀金属电极，制备如图2所示的有机太阳能电池结构。
对此类电池进行I-V测试，如图4所示，器件的短路电流是16.7mA/cm2，填充因子是67.6％，能量转换效率是8.13％。

Claims (6)

1.采用离子液体薄膜作为中间层的有机太阳能电池，包括层状相互叠合的阳极(1)与阴极(5)，以及在阳极(1)与阴极(5)之间的一光敏层(3)，在该阳极和光敏层之间设置中间层(2)，在所述的阴极和所述光敏层之间设置阴极中间层(4)，其特征在于：
所述阴极中间层(4)为离子液体薄膜。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：
所述阳极中间层(2)主要传导空穴并且与所述阳极直接接触，所述光敏层(3)与所述阳极中间层(2)直接接触，光敏层(3)的构成材料包含配对的p型半导体材料与n型半导体材料，其质量比为10：1-1：10；
所述阴极中间层(4)主要传导电子并且与所述光敏层(3)直接接触，所述阴极(5)与所述阴极中间层(4)直接接触。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述阴极中间层(4)的组成材料可为含咪唑类、吡啶类、季铵盐类或季鏻盐类正离子的离子液体材料中的一种或两种以上的复合物。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述阴极中间层(4)的组成材料可为含咪唑类、吡啶类、季铵盐类或季鏻盐类正离子的离子液体材料中的一种或两种以上与TiO2、ZnO、Cs2CO3中一种或两种以上无机材料的交替的层状复合物。
5.根据权利要求1、3或4所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述的阴极中间层(4)的厚度范围为0.1nm-1000nm；
所述的阴极中间层(4)中的离子液体材料层的厚度范围为0.1nm-100nm。
6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：阳极与阴极均可朝向入射光并且可具有栅格结构。
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