CN105304826A - 一种基于三元低毒溶剂系统制备的反型有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三元低毒溶剂系统制备的反型有机太阳能电池，该太阳能电池采用反型结构，包括衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；其中光活性层基于一种三元环保溶剂系统制备，能有效地降低溶剂饱和蒸汽压，降低薄膜粗糙度，增强光活性层与缓冲层之间的接触，提高了激子分离效率，最终提高了器件的光电转换效率，降低溶剂毒性，对环境较为友好。

Description

一种基于三元低毒溶剂系统制备的反型有机太阳能电池
技术领域
本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池。
背景技术
随着全球能源需求的爆炸式增长，能源问题己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有洁净、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究光伏发电解决能源问题成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机半导体材料不仅材料本身的合成条件和器件化工艺条件相对温和，其分子化学结构容易修饰，用其来制作电池时，可以满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求。从20世纪90年代起，随着薄膜技术的迅猛发展，采用新材料新结构新工艺制备的电池的性能得到大幅度的提高。
然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。选取合适的光活性层是提高有机太阳电池光电转换效率的最有效方法。其中，PTB7:PC71BM本体异质结体系由于其拥有良好的溶解性及空穴传输性而在近年来被广泛应用于有机太阳能电池中。基于PTB7:PC71BM本体异质结体系作为光活性层的有机太阳能电池展现出了良好的光电性能，而进一步优化PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层的薄膜形貌以及垂直结构的相分离则成为目前此领域研究的重点。
目前，限制PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层的主要原因是：首先，在PTB7:PC71BM本体异质结体系中，由于PTB7聚合物材料热稳定性较差，PTB7:PC71BM本体异质结体系无法进行热退火来改善其材料结晶性，从而无法形成较为理想的垂直相分离形貌，从而阻碍激子在界面的收集与传输；其次，PC71BM富勒烯材料溶解性较差，使得湿法制备的光活性层薄膜中PC71BM富勒烯材料容易聚集，导致薄膜形貌发生变化，影响光活性层与缓冲层界面的接触，阻碍载流子的传输；由于采用湿法制备PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层，溶剂的物理性质，如表面张力，挥发性(饱和蒸汽压)，与界面的润湿性等物理特性对薄膜的成膜效果起到了决定性的作用，所以选取合适的溶剂系统溶解PTB7:PC71BM本体异质结材料也成为了提高PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层的关键问题；最后，由于溶解PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层的溶剂多为含氯的氯苯，二氯苯等溶剂，所以在制备过程中毒性较强，且对环境极其不友好，降低溶剂的毒性也成为此领域的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于三元低毒溶剂系统制备的反型有机太阳能电池，目的是通过选取合适的三元溶剂系统，通过湿法制备PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层，以实现：(1)通过添加剂对PTB7聚合物材料进行微观溶解提拉，形成较好的垂直相分离结构，增强激子在界面的收集与传输，提高器件的填充因子；(2)解决PC71BM富勒烯材料容易聚集的问题，形成较好的界面接触，增强载流子的传输，提高器件的开路电压；(3)降低三元溶剂系统的饱和蒸汽压，使得湿法制备的PTB7:PC71BM本体异质结体系光活性层薄膜粗糙度降低，从而提高器件的短路电流；(4)混合非氯溶剂，降低溶剂的氯含量，以降低溶剂毒性。
本发明的技术方案为：
一种基于三元低毒溶剂系统制备的反型有机太阳能电池，该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；所述光活性层采用基于三元溶剂系统的湿法制备工艺制备，所述三元低毒溶剂系统的体积百分比组成为：氯苯40～47％、1,2-二甲苯50～57％、1,8-二碘辛烷3％。
作为优选，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度为1～20nm。
作为优选，所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM两者的混合溶液制备而成，所述混合溶液的浓度为1～20mg/ml，所述混合溶液中PTB7:PC71BM质量比为1:20～5:1；所述光活性层厚度为50～300nm。
作为优选，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO3的一种，阳极缓冲层厚度为15～50nm。
作为优选，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu的一种或多种，金属阳极厚度为100～300nm。
作为优选，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.首先，清洗由衬底和透明导电阴极ITO所组成的基板，然后用氮气将基板吹干；
b.接着，在透明导电阴极ITO的表面旋转涂覆、印刷或喷涂ZnO或TiO2溶液，形成ZnO或TiO2薄膜，将形成的薄膜进行热退火，形成阴极缓冲层；或采用真空蒸镀法在透明导电阴极ITO表面上蒸镀TPBi、BCP、Bphen、Alq3中的一种或几种制备阴极缓冲层；
c.在b中所制备的阴极缓冲层上采用表面旋转涂覆、印刷、喷涂、丝网印刷及喷墨打印湿法制备工艺中的一种制备PTB7:PC71BM光活性层，所述PTB7:PC71BM光活性层的制备工艺采用的溶剂系统为所述三元低毒溶剂系统；
d.在光活性层表面旋转涂覆、印刷或喷涂PEDOT:PSS阳极缓冲层；或在所述光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层；
e.在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。
作为优选，所述三元低毒溶剂系统其体积百分比组成为：氯苯40～47％、1,2-二甲苯50～57％、1,8-二碘辛烷3％。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、形成较好的垂直相分离结构，增强激子的收集与传输，降低激子复合机率，提高器件的填充因子；
二、减少PC71BM的聚集，形成较好的界面接触，提高器件的开路电压。
三、降低三元溶剂系统的挥发性，获得更加平滑的薄膜结构，提高光活性层的光吸收，从而提高器件的短路电流。
四、混合非氯溶剂，降低氯苯溶剂的含量，降低溶剂总体毒性。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池结构，从下到上依次为：衬底(1)，透明导电阴极ITO(2)，阴极缓冲层(3)，光活性层(4)，阳极缓冲层(5)，金属阳极(6)。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明的技术方案是提供一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法，如图1所示，该太阳能电池采用反型电池结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度为1～20nm；所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM两者的混合溶液制备而成，所述混合溶液的浓度为1～20mg/ml，所述混合溶液中PTB7:PC71BM质量比为1:20～5:1；所述光活性层厚度为50～300nm；所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO3，阳极缓冲层厚度为15～50nm；所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100～300nm；所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种；所述光活性层PTB7:PC71BM混合溶液采用三元溶剂系统配制，其体积百分比组成为：氯苯40～47％，1,2-二甲苯50～57％，1,8-二碘辛烷3％。
实施例1(对照组)：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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溶液(5000rpm,40s)制备阴极缓冲层；并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；基于单溶剂氯苯配制PTB7:PC71BM溶剂，在阴极缓冲层上采用喷涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层(15nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.65V，短路电流(JSC)＝13.71mA/cm2，填充因子(FF)＝0.54，光电转换效率(PCE)＝4.81％。
实施例2：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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溶液(5000rpm,40s)制备阴极缓冲层；并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；基于三元混合溶剂系统(氯苯45％，1,2-二甲苯52％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层(15nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.73V，短路电流(JSC)＝14.15mA/cm2，填充因子(FF)＝0.60，光电转换效率(PCE)＝6.20％。
实施例3：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀TPBi阴极缓冲层(15nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯46％，1,2-二甲苯51％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层(15nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.71V，短路电流(JSC)＝13.65mA/cm2，填充因子(FF)＝0.61，光电转换效率(PCE)＝5.91％。
实施例4：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀BCP阴极缓冲层(18nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯47％，1,2-二甲苯50％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层(15nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.73V，短路电流(JSC)＝14.11mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58，光电转换效率(PCE)＝5.97％。
实施例5：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀Bphen阴极缓冲层(20nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯40％，1,2-二甲苯57％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层(15nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.73V，短路电流(JSC)＝14.11mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58，光电转换效率(PCE)＝5.97％。
实施例6：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀阴极缓冲层Alq3(12nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯47％，1,2-二甲苯50％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面真空蒸镀MoO3阳极缓冲层(15nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.71V，短路电流(JSC)＝14.87mA/cm2，填充因子(FF)＝0.62，光电转换效率(PCE)＝6.54％。
实施例7：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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溶液(5000rpm,40s)制备阴极缓冲层；并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；基于三元混合溶剂系统(氯苯43％，1,2-二甲苯54％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面旋转涂覆聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(3000rpm,60s)；并将所形成的薄膜进行烘烤(150℃,15min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.70V，短路电流(JSC)＝15.32mA/cm2，填充因子(FF)＝0.62，光电转换效率(PCE)＝6.65％。
实施例8：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀TPBi阴极缓冲层(15nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯42％，1,2-二甲苯55％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面旋转涂覆聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(3000rpm,60s)；并将所形成的薄膜进行烘烤(150℃,15min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.71V，短路电流(JSC)＝14.65mA/cm2，填充因子(FF)＝0.59，光电转换效率(PCE)＝6.14％。
实施例9：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀BCP阴极缓冲层(18nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯44％，1,2-二甲苯53％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面旋转涂覆聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(3000rpm,60s)；并将所形成的薄膜进行烘烤(150℃,15min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.73V，短路电流(JSC)＝13.65mA/cm2，填充因子(FF)＝0.62，光电转换效率(PCE)＝6.18％。
实施例10：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极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表面真空蒸镀Bphen阴极缓冲层(20nm)；基于三元混合溶剂系统(氯苯46％，1,2-二甲苯51％，1,8-二碘辛烷3％)配制PTB7:PC71BM混合溶剂，在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(1:2,20mg/ml)光活性层(90nm)；在光活性层表面旋转涂覆聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(3000rpm,60s)；并将所形成的薄膜进行烘烤(150℃,15min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.73V，短路电流(JSC)＝15.10mA/cm2，填充因子(FF)＝0.60，光电转换效率(PCE)＝6.61％。
上面实施例中，太阳能电池光活性层原子力显微镜测试获得的薄膜表面粗糙度参数见表1：
表1喷涂工艺(湿法)制备薄膜原子力显微镜测试参数表(部分实施例)
表1为湿法制备一种基于三元低毒溶剂系统光活性层原子力显微镜测试获得的薄膜表面粗糙度参数表(部分实例)，可以看出使用三元低毒溶剂系统降低薄膜饱和蒸汽压，其薄膜表面粗糙度大幅下降。
上面实施例中，太阳能电池光活性层液滴大小参数见表2：
表2喷涂工艺(湿法)制备薄膜液滴尺寸参数表(部分实施例)
表2为湿法制备一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池光活性层液滴大小参数表(部分实例)，从表中可以观测使用三元溶剂系统喷涂制备的光活性层薄膜液滴瘢痕较小，薄膜形貌较为平整。
本发明实施例为较佳实施方式，但是其具体实施并不限于此，本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，只要不脱离本发明，都属本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三元低毒溶剂系统制备的反型有机太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；所述光活性层采用基于三元溶剂系统的湿法制备工艺制备，所述三元低毒溶剂系统的体积百分比组成为：氯苯40～47%、1,2-二甲苯50～57%、1,8-二碘辛烷3%。
2.根据权利要求1所述的一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度为1～20nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池，其特征在于：所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM两者的混合溶液制备而成，所述混合溶液的浓度为1～20mg/ml，所述混合溶液中PTB7:PC71BM质量比为1:20～5:1；所述光活性层厚度为50～300nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO3的一种，阳极缓冲层厚度为15～50nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池，其特征在于：所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu的一种或多种，金属阳极厚度为100～300nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于三元低毒溶剂系统的反型有机太阳能电池，其特征在于：所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
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