CN105405976B - 一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池 - Google Patents

一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高迁移率有机小分子掺杂的三元有机太阳能电池，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。该电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，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；光活性层的重量百分比组成为：电子给体38‑39.5%，电子受体57‑60%，高迁移率有机小分子0.5‑5%。在光活性层中加入高迁移率有机小分子材料，提高空穴在光活性层中的传输能力，提高空穴在阳极处的收集能力，从而提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。该高迁移率有机小分子掺杂的三元有机太阳能电池具有光电转换性能高、制备工艺简单、制程短、成本低的优点。

Description

一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池
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，具体涉及一种有机薄膜太阳能电池。
背景技术
随着全球能源需求的急剧增长，能源危机己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究太阳能光伏发电解决能源危机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材料的不同，可以将太阳能电池分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池不仅具有器件制备工艺简单，而且材料易合成和分子化学结构容易修饰的优点，可以满足成本低、耗能少、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、新结构和新工艺制备的有机太阳能电池的光电转换性能得到大幅度的提高。
然而，与大规模生产的无机太阳能电池的相比，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。有机太阳能电池的光活性层是决定器件光电转换效率的关键因素。经典的体异质结结构替代了原有的双层异质结结构，使得电子给体与受体材料在光活性层中均匀的混合，从而增大了给体受体的接触面积，为载流子传输提供了大量的通道，从而极大的提高器件的光电转换效率。
然而，传统的有机太阳能电池的光活性层仍然存在以下问题：光活性层中电子给体材料的空穴迁移率较低，从而限制了空穴在光活性层中的传输和空穴在阳极处的收集，从而限制了电池的短路电流密度和填充因子。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有技术，本发明要解决的技术问题是如何提供一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池，目的是通过在光活性层中加入高迁移率有机小分子，目的是克服传统的有机太阳能电池的光活性层中空穴传输和收集效率低的缺点，提高电池的短路电流密度和填充因子，制备出高性能的三元有机太阳能电池。
本发明的技术方案为：一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，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；光活性层的重量百分比组成为：电子给体38-39.5％，电子受体57-60％，高迁移率有机小分子0.5-5％。
作为本发明的优选方案，所述高迁移率有机小分子为Tetracene。
作为本发明的优选方案，所述光活性层中，电子给体材料为P3HT。
作为本发明的优选方案，所述光活性层中，电子受体材料为PC61BM或PC71BM中的一种。
作为本发明的优选方案，所述阳极缓冲层材料为聚PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15-50nm。
作为本发明的优选方案，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2中的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1-20nm。
作为本发明的优选方案，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。
作为本发明的优选方案，所述衬底层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中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、通过掺杂高迁移率有机小分子Tetracene到有机太阳能电池的光活性层，提高光活性层中的空穴迁移率，提升空穴在光活性层中传输能力和空穴在阳极处的收集能力，从而提高电池的短路电流密度和填充因子。
2、高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池器件超薄，除去衬底层厚度外，器件总厚度不超过200nm。
3、高迁移率有机小分子掺杂的三元有机太阳能电池光电转换性能高、制备工艺简单、制程短、成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为实施例1和实施例2中所述器件在AM 1.5(强度为100mW/cm2)照射下的电流密度-电压特性曲线图。
图中标记：1-衬底层，2-透明导电阴极ITO，3-阴极缓冲层，4-光活性层，5-阳极缓冲层，6-金属阳极。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的技术方案是提供一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池，如图1所示，该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，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；光活性层的重量百分比组成为：电子给体38-39.5％，电子受体57-60％，高迁移率有机小分子0.5-5％。所述高迁移率有机小分子为Tetracene。所述光活性层中，电子给体材料为P3HT。所述光活性层中，电子受体材料为PC61BM或PC71BM中的一种。所述阳极缓冲层材料为聚PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15-50nm。所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2中的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1-20nm。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。所述衬底层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中的一种或多种。
实施例1
对照组：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40％:60％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.56V，短路电流(JSC)＝8.2mA/cm2，填充因子(FF)＝0.53，光电转换效率(PCE)＝2.43％。
实施例2：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:Tetracene(39.5％:60％:0.5％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.55V，短路电流(JSC)＝8.9mA/cm2，填充因子(FF)＝0.57，光电转换效率(PCE)＝2.79％。
实施例3：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:Tetracene(39％:60％:1％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.56V，短路电流(JSC)＝9.1mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58，光电转换效率(PCE)＝2.96％。
实施例4：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:Tetracene(38％:60％:2％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.56V，短路电流(JSC)＝8.7mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58，光电转换效率(PCE)＝2.83％。
实施例5：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:Tetracene(40％:59.5％:0.5％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.56V，短路电流(JSC)＝9.5mA/cm2，填充因子(FF)＝0.54，光电转换效率(PCE)＝2.87％。
实施例6：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:Tetracene(40％:58％:2％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.57V，短路电流(JSC)＝8.9mA/cm2，填充因子(FF)＝0.56，光电转换效率(PCE)＝2.84％。
实施例7：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:Tetracene(40％:57％:3％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.56V，短路电流(JSC)＝9.5mA/cm2，填充因子(FF)＝0.57，光电转换效率(PCE)＝3.03％。
实施例8：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC71BM:Tetracene(40％:59.5％:0.5％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.58V，短路电流(JSC)＝10.1mA/cm2，填充因子(FF)＝0.57，光电转换效率(PCE)＝3.34％。
实施例9：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC71BM:Tetracene(40％:59％:1％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.58V，短路电流(JSC)＝10.4mA/cm2，填充因子(FF)＝0.56，光电转换效率(PCE)＝3.38％。
实施例10：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC71BM:Tetracene(40％:58％:2％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.58V，短路电流(JSC)＝10.3mA/cm2，填充因子(FF)＝0.59，光电转换效率(PCE)＝3.52％。
实施例11：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极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(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC71BM:Tetracene(38％:57％:5％)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行热退火(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)，并进行热退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.58V，短路电流(JSC)＝10.0mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58，光电转换效率(PCE)＝3.36％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高迁移率有机小分子掺杂的三元太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，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；光活性层的重量百分比组成为：电子给体38-39.5%，电子受体57-60%，高迁移率有机小分子0.5-5%;所述高迁移率有机小分子为并四苯（Tetracene）;所述光活性层中电子给体材料为P3HT;所述光活性层中的电子受体材料为：PC61BM或PC71BM;所述阳极缓冲层的材料为聚PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15-50 nm;所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2中的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1-20 nm;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100-300 nm;所述衬底层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中的一种或多种。
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