CN105428536A - 倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层及其应用 - Google Patents
倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,包括给体材料、受体材料,所述给体材料由第一给体材料和第二给体材料组成;所述第一给体材料的空穴迁移率大于10-4cm2V-1s-1;所述第二给体材料迁移率大于10-5cm2V-1s-1;所述第二给体材料的聚集或结晶能力弱于第一给体材料,成膜能力不低于第一给体材料;所述第一给体材料和第二给体材料的摩尔比例为95:5~70:30。本发明在不使用添加剂及溶剂退火的情况下,可以有效调控活性层形貌,有利于在倒装有机光伏电池的实际应用,并有利于提高活性层及倒装OPV器件的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件,特别涉及应用于倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层及其应用。
背景技术
本体异质结有机光伏电池,即将给体、受体材料共混形成具有纳米尺寸相分离的互穿网络结构。相比于平面异质结有机光伏电池,此类结构的电池更加有效地进行电荷分离和传输。控制给、受体材料共混层的形貌,形成合适的相分离尺寸,是获得高效率有机光伏电池的关键。
另一方面,为了得到高效率有机光伏电池,一般要求给体、受体材料,具有较高的空穴、电子迁移率,宽谱带吸收,以及合适的最高占有分子轨道(HOMO)、最低未占分子轨道(LUMO)能级等。
然而,高迁移率有机给体、受体材料,通常特别容易聚集或结晶。为了得到高光电转换效率,在有机光伏器件活性层中,掺杂高沸点溶剂添加剂,例如,1,8-二碘辛烷(DIO),或进行溶剂蒸汽退火,是调控活性层形貌的常用手段。然而,溶剂退火时间需要较为精确的控制,添加剂的掺杂量需严格控制并且较低(一般小于3%),因此,为有机光伏电池器件的制备带来了不便。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足,本发明的目的在于提供一种倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,具有形貌易调节、避免使用高沸点溶剂添加剂或溶剂蒸气退火,拓宽光谱吸收范围,保持高空穴迁移率,并保持良好的器件热稳定性等优点。
本发明的另一目的在于提供上述倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,包括给体材料、受体材料,所述给体材料由第一给体材料和第二给体材料组成;所述第一给体材料的空穴迁移率大于10-4cm2V-1s-1;所述第二给体材料迁移率大于10-5cm2V-1s-1;所述第二给体材料的聚集或结晶能力弱于第一给体材料,成膜能力不低于第一给体材料;所述第一给体材料和第二给体材料的摩尔比例为95:5~70:30。
所述第二给体材料为非晶态的给体材料。
所述给体材料、受体材料的摩尔比例为1:(0.67~1.5)。
所述第一给体材料和第二给体材料均为含有刚性的稠环芳烃,为以下结构单元的一种:
其中,R1~R7为碳数为1~18的烷基链,R8~R9为H,或者碳数为1~18的烷基链,m、n的取值范围为2~5。
所述第一给体材料的结构如下:
所述第二给体材料的结构如下:
所述第一给体材料的结构如下:
所述第二给体材料的结构如下:
所述第一给体材料的结构如下:
所述第二给体材料的结构如下:
所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的应用,用于制备倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件。
所述溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件包括有机光电探测器、有机光导或蒸镀型本体异质结有机小分子光伏电池。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
(1)本发明的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层容易加工制备,适合于实际应用。
(2)采用本发明的活性层的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件,可拓宽光谱吸收范围,并保持高空穴迁移率。
(3)本发明的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,在不使用添加剂及溶剂退火的情况下,可以有效调控活性层形貌,有利于在倒装器件有机光伏电池的实际应用。
(4)本发明的活性层及其倒装有机光伏器件,具有高热稳定性。
附图说明
图1为本发明的实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的吸收谱图。
图2a、2b、2c为本发明的实施例的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的空穴迁移率数据。
图3a、3b、3c为本发明的实施例的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的AFM图。
图4a、4b、4c为本发明的实施例的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏电池的电流密度-电压曲线。
具体实施方式
下面结合实施例,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。
实施例1
本实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,包括给体材料、受体材料,所述给体材料由第一给体材料和第二给体材料组成;其中第一给体材料为DPPEZnP-THE;第二给体材料为DPP(TBFu)2,DPP(TFNa)2或DPP(FNN-A)2。
给体材料的结构式如下:
对本实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层进行吸收光谱测试、空穴迁移率测试、AFM测试及电流密度-电压测试,具体如下:
1、对本实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层(DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2)及仅含一种给体材料(DPPEZnP-THE)、仅含一种给体材料(DPP(TBFu)2)的活性层进行吸收光谱测,具体结果见图1。由图可知,向DPPEZnP-THE中掺杂DPP(TBFu)2后,625-675nm范围的光谱一定程度上获得增强,表明吸收光谱确实被拓宽。
2、对本实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层(DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2)及仅含一种给体材料(DPPEZnP-THE)、仅含一种给体材料(DPP(TBFu)2)的活性层进行空穴迁移率测试:
首先将电阻为15Ωsquare–1的氧化铟锡(ITO)导电玻璃片依次经去离子水、丙酮、洗涤剂、去离子水和异丙醇通过超声清洗,每步各20min。在上述处理过的ITO玻璃基片上,旋涂一层PEDOT:PSS(BaytronP4083,购于BayerAG)薄膜,厚度约为40nm,120℃干燥20min。然后,在PEDOT:PSS表面旋涂DPPEZnP-THE,DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2(4:1n:n),或者DPP(TBFu)2的氯仿溶液,总浓度为20mgmL–1,转速为1500rpm,100℃退火10min,厚度约为140nm。在<5×10-4Pa的真空下,将蒸镀MoO3(蒸镀速率为),厚度为8nm。最后,在<5×10-4Pa的真空下,蒸镀金属Al。器件的有效面积为0.16cm2。除PEDOT:PSS薄膜的制备过程是在大气环境中完成的,其余所有环节均在氮气气氛的手套箱内完成。
具体器件结构如下:
器件I:ITO/PEDOT:PSS/DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2/MoO3/Al
器件II:ITO/PEDOT:PSS/DPPEZnP-THE/MoO3/Al
器件III:ITO/PEDOT:PSS/DPP(TBFu)2/MoO3/Al
具体测试结果见图2a~图2c,根据空间电荷限制电流法(SCLC),从电流密度-电压曲线计算出未共混前的两种薄膜(DPPEZnP-THE和DPP(TBFu)2)的空穴迁移率分别为1.77*10-3cm2V-1s-1和1.08*10-4cm2V-1s-1,而共混薄膜的空穴迁移率为9.44*10-4cm2V-1s-1,表明掺杂第二种给体后共混体系的空穴迁移率未明显降低。
3、对本实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层(DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2)及仅含一种给体材料(DPPEZnP-THE)、仅含一种给体材料(DPP(TBFu)2)的活性层进行AFM测试:
首先将电阻为15Ωsquare–1的氧化铟锡(ITO)导电玻璃片依次经去离子水、丙酮、洗涤剂、去离子水和异丙醇通过超声清洗,每步各20min。在烘箱中烘干后,在ITO玻璃片上,旋涂ZnO(溶胶-凝胶法),厚度30–40nm,转速为4000rpm,200℃退火1h。然后,在ZnO表面旋涂DPPEZnP-THE:PC61BM(3:2)、DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2:PC61BM(1.2:0.3:1)的氯苯溶液,总浓度为39.6mgmL–1,转速为1400rpm,100℃退火10min,或者DPP(TBFu)2:PC61BM(3:2)的氯仿溶液,总浓度为20mgmL–1,转速为2500rpm,100℃退火10min。
具体结果见图3a~图3c,DPPEZnP-THE:PC61BM薄膜的均方粗糙度较大,为2.728nm,表这个材料聚集严重。然而,向该体系中掺杂聚集能力相对较弱的第二种给体材料(DPP(TBFu)2:PC61BM薄膜的均方粗糙度为0.894nm)后,聚集程度明显被抑制,共混薄膜的均方粗糙度仅为0.539nm。
4、对本实施例的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层进行电流密度-电压测试:
选用ZnO作为阴极界面材料,具体制备过程如下:
首先将电阻为15Ωsquare–1的氧化铟锡(ITO)导电玻璃片依次经去离子水、丙酮、洗涤剂、去离子水和异丙醇通过超声清洗,每步各20min。在烘箱中烘干后,在ITO玻璃片上,旋涂ZnO(溶胶-凝胶法),厚度30–40nm,转速为4000rpm,200℃退火1h。然后,在ZnO表面旋涂DPPEZnP-THE:PC61BM(1:1.2)、DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2:PC61BM(给体:受体质量比为1:1.2,调整两种给体的比例)、DPPEZnP-THE:DPP(TFNa)2:PC61BM(给体:受体质量比为1:1.2,两种给体的摩尔比为90:10)、DPPEZnP-THE:DPP(FNN-A)2:PC61BM(给体:受体质量比为1:1.2,两种给体的摩尔比为95:5)的氯苯溶液,总浓度为39.6mgmL–1,转速为1400rpm,100℃或者120℃退火10min,或者DPP(TBFu)2:PC61BM(3:2)的氯仿溶液,总浓度为20mgmL–1,转速为2500rpm,100℃退火10min。在<5×10-4Pa的真空下,将蒸镀MoO3(蒸镀速率为),厚度为8nm。最后,在<5×10-4Pa的真空下,蒸镀金属Al。PTB7:PC71BM器件的有效发光面积为0.16cm2。除ZnO薄膜的制备过程是在大气环境中完成的,其余所有环节均在氮气气氛的手套箱内完成。
具体器件结构如下:
器件I:ITO/ZnO/DPPEZnP-THE:PC61BM/MoO3/Al
器件II:ITO/ZnO/DPPEZnP-THE:DPP(TBFu)2:PC61BM/MoO3/Al
器件III:ITO/ZnO/DPP(TBFu)2:PC61BM/MoO3/Al
器件IV:ITO/ZnO/DPPEZnP-THE:DPP(TFNa)2:PC61BM/MoO3/Al
器件V:ITO/ZnO/DPPEZnP-THE:DPP(FNN-A)2:PC61BM/MoO3/Al
如表1及图4a、4b所示,以溶液加工法制备的有机光伏电池器件,向二元共混体系中掺杂第二种给体材料后,能量转化效率明显提高,一般表现在短路电流和填充因子的提高。其中,当两种给体的摩尔比为80:20时,能量转化效率最高,为6.26%,相比于二元共混电池(PCE=4.28%),提高了46%。除此之外,更换第二种给体材料,也能明显提高电池的能量转化效率。表明此种方法能有效的调控活性层相分离尺寸,改善器件性能。如表2及图4c所示,提高退火温度,能量转化效率明显提高,分别从4.75%、6.29%提高到5.58%、7.25%,器件表现出良好的热稳定性。
表1:有机光伏电池器件(100℃退火)的初步表征结果
备注:光强为100mWcm-2;括号中数据为3-6个器件的平均值。
表2:有机光伏电池器件(120℃退火)的初步表征结果
备注:光强为100mWcm-2;括号中数据为3-6个器件的平均值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,包括给体材料、受体材料,其特征在于,所述给体材料由第一给体材料和第二给体材料组成;所述第一给体材料的空穴迁移率大于10-4cm2V-1s-1;所述第二给体材料迁移率大于10-5cm2V-1s-1;所述第二给体材料的聚集或结晶能力弱于第一给体材料,成膜能力不低于第一给体材料;所述第一给体材料和第二给体材料的摩尔比例为95:5~70:30。
2.根据权利要求1所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,其特征在于,所述第二给体材料为非晶态的给体材料。
3.根据权利要求1所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,其特征在于,所述给体材料、受体材料的摩尔比例为1:(0.67~1.5)。
4.根据权利要求1所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,其特征在于,所述第一给体材料和第二给体材料均为含有刚性的稠环芳烃,为以下结构单元的一种:
其中,R1~R7为碳数为1~18的烷基链,R8~R9为H,或者碳数为1~18的烷基链,m、n的取值范围为2~5。
5.根据权利要求1所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,其特征在于,所述第一给体材料的结构如下:
所述第二给体材料的结构如下:
6.根据权利要求1所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,其特征在于,所述第一给体材料的结构如下:
所述第二给体材料的结构如下:
7.根据权利要求1所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层,其特征在于,所述第一给体材料的结构如下:
所述第二给体材料的结构如下:
8.权利要求1~7任一项所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的应用,其特征在于,用于制备倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件。
9.根据权利要求8所述的倒置结构的溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件的活性层的应用,其特征在于,所述溶液加工本体异质结有机小分子光伏器件包括有机光电探测器、有机光导或蒸镀型本体异质结有机小分子光伏电池。
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