CN106025073A - 一种以三元组分为活性层的有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以三元组分为活性层的有机太阳能电池，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。本发明提供的电池器件结构中，其有机活性层采用三元组分，通过引入第二种共轭分子电子受体材料，调控第二种受体的相对含量，最大程度利用可见及红外光区太阳光，提高光生激子产生数量，提高器件的短路电流密度，最终提升基于聚合物给体和非富勒烯受体体系太阳能电池的效率。

Description

一种以三元组分为活性层的有机太阳能电池
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技术领域，具体涉及一种以三元组分为活性层的有机太阳能电池。
背景技术
随着社会的发展和人们生活水平的提高，社会对能源的需求也越来越高。化石能源目前仍然占据主导地位。在我国，水的势能和核能也得到极大的利用。其它比如风力，潮汐能，地热，太阳能等的利用还不占主流。化石能源产生的碳排放推动着全球气候变暖。水电则有破坏生态平衡和造成极端气候的危险，引起越来越多的争议。核电出事故造成的严重危害也妨碍了这一能源的广泛商业化。在这些目前的主力能源之外，越来越多的新能源正被研究和开发，太阳能作为可再生能源被原来越多的关注。
目前一些新型太阳能电池得到了广泛的关注，比如有机太阳能电池，它是基于有机聚合物或者小分子材料，采取溶液旋涂等方法制备的。这类产品具有轻薄，可卷曲，可制成大面积等优点。经过短短十多年的发展，实验室制备电池的效率已经达到10%（参见文献：Z. He, C. Zhong, S. Su, M. Xu, H. Wu, Y. Cao, Nat. Photonics 2012, 6, 593）。但是有机太阳能电池中通常采用富勒烯衍生物（PCBM等）作为电子受体材料。然而，富勒烯衍生物具有难于合成，难于提纯，价格昂贵，结构难以调整的特点，因此，需要寻找适合的有机聚合物或小分子作为电子受体来取代富勒烯衍生物（参见文献：T. Kim, J. H. Kim, T.E. Kang, C. Y. Lee, H. B. Kang, M. W. Shin, C. Wang, B. W. Ma, U. Jeong, T.S. Kim, B. J. Kim, Nat.Commun. 2015, 6, 8547; H. Y. Li, Y.-J. Hwang,B. A. E.Courtright, F. N. Eberle, S. Subramaniyan, S. A. Jenekhe, Adv. Mater. 2015,27, 3266; D. Meng, D. Sun, C. M. Zhong, T. Liu, B. B. Fan, L. J. Huo, Y. Li,W. Jiang, H. Choi, T. Kim, J. Y. Kim, Y. M. Sun, Z. H. Wang, A. J. Heeger, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 375; C. Lee, H. Kang, W. Lee, T. Kim, K.-H. Kim, H.Y. Woo, C. Wang, B. J. Kim, Adv. Mater. 2015, 27, 2466）。
发明内容
本发明针对目前有机太阳能电池中富勒烯受体价格昂贵、光学性能较差，热稳定性和机械性能较差的不足，在采用聚合物材料作为主要电子受体的基础上，提供一种通过三元共混增强吸收的方法，将三种有机半导体材料共混制作电池器件，有效提高有机太阳能电池性能。
实现本发明目的的技术方案是提供一种有机太阳能电池，其结构包括透明玻璃衬底，透明导电电极 ITO，阴极缓冲层，有机活性层，阳极缓冲层和金属电极；本发明所述的有机活性层包括三种组分，按重量百分比，聚合物电子给体60%，聚合物电子受体20%～39%，小分子电子受体 1%～20%；
所述的聚合物电子给体材料为宽光学带隙 PTP8, PT8或 PTQ1中的任意一种，对应的结构式分别为：
；
所述的聚合物电子受体材料为 PA-1或 N2200中的任意一种，对应的结构式分别为：
；
所述的小分子电子受体材料为稠环类线性共轭分子材料ITIC，其结构为：
。
本发明所述有机活性层的一个优选方案是：聚合物电子受体为34%，小分子电子受体为6%。
本发明所述阳极缓冲层的材料为氟化锂或钙，阳极缓冲层厚度为0.6～10 nm。所述阴极缓冲层的材料为PEDOT：PSS，阴极缓冲层厚度为30～50 nm。所述的有机活性层厚度范围为80～100 nm。
本发明在有机活性层中，通过保持给体聚合物含量不变，调控两种受体的相对含量，最大程度利用可见及红外光区太阳光，提高激子产生数量，提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明有机活性层采用三元组合体系，在非富勒烯太阳能电池中，具有效率高的特点；通过加入小分子受体，进一步增强光的吸收，在不影响其他参数的前提下，增加短路电流，进而提高全聚合物太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明所涉及的三元组分活性层有机太阳能电池的结构示意图。
图2是不同质量比PTP8:PA-1:ITIC三元组分活性层有机太阳能电池的光吸收谱图。
图3是不同质量比PTP8:PA-1:ITIC三元组分活性层有机太阳能电池器件电流-电压特性曲线图。
图4是不同质量比PTP8:PA-1:ITIC三元组分活性层的原子力显微镜形貌图。
图5是不同质量比PT8:PA-1:ITIC三元组分活性层有机太阳能电池器件电流-电压特性曲线图。
图6是不同质量比PTQ1:N2200:ITIC三元组分活性层有机太阳能电池器件电流-电压特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步说明。
实施例 1
本发明的技术方案提供一种不需要富勒烯及其衍生物的三元体系聚合物-非富勒烯有机太阳能电池，其结构参见附图 1，有机太阳能电池采用正置结构，从下到上依次为 ：透明玻璃衬底，透明导电阴极 ITO，材料为PEDOT：PSS的阴极缓冲层，有机活性层，材料为氟化锂或钙的阳极缓冲层，铝金属阳极。阳极缓冲层厚度为0.6～10 nm，阴极缓冲层厚度为30～50nm。
对玻璃透明衬底及透明导电阴极 ITO 所组成的基板分别用丙酮，肥皂水，异丙醇，丙酮进行清洗；干燥后在透明导电阴极 ITO 表面旋转涂布一层40～45nm的PEDOT：PSS,并将所形成的薄膜进行退火处理 (140℃ ，15min) 。
在阴极缓冲层上采用旋涂分别制备有机活性层样品，按重量百分比:
PTP8:PA-1:ITIC(60%:40%:0%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:36%:4%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:34%:6%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:32%:8%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:28%:12%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:15%:15%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:12%:28%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:0%:40%)。
PTP8的结构式为：
；
PA-1的结构式为：
；
ITIC的结构式为：
。
将有机材料溶解于氯仿中，旋涂得到的薄膜厚度约80～100nm (1000 rpm,40s),有机活性层均不需要加热处理；在有机层上用热蒸发蒸镀修饰层LiF(0.6nm)及金属电极Al（100nm）。
参见附图2，它是不同质量比PTP8:PA-1:ITIC三元组分活性层有机太阳能电池的光吸收谱图。参见附图3，它是不同质量比PTP8:PA-1:ITIC三元组分活性层有机太阳能电池器件电流-电压特性曲线图。参见附图4，它是有机太阳能电池中不同质量比PTP8:PA-1:ITIC三元组分活性层的原子力显微镜形貌图，PTP8:PA-1:ITIC分别为：A图(60%:40%:0%)，B图(60%:34%:6%)，C图(60%:0%:40%)。
以PTP8:PA-1:ITIC有机活性层样品为对照组，在标准测试条件下（AM 1.5,100mW/cm2），测得器件的开路电压 Voc=0.976V，短路电流 Jsc=10.49mA/cm2, 填充因子 FF=0.57，光电转换效率 PCE=5.82%。
对PTP8:PA-1:ITIC(60%:34%:6%)有机活性层样品，在标准测试条件下（AM 1.5,100mW/cm2），测得器件的开路电压 Voc=0.976V，短路电流 Jsc=11.56mA/cm2, 填充因子 FF=0.57，光电转换效率 PCE=6.43%。该有机活性层的工艺条件为最优。
实施例 2
对玻璃透明衬底及透明导电阴极 ITO 所组成的基板分别用丙酮，肥皂水，异丙醇，丙酮进行清洗；干燥后在透明导电阴极 ITO 表面旋转涂布一层40～45nm的PEDOT：PSS,并将所形成的薄膜进行退火处理 (140℃ , 15min) ；在阴极缓冲层上采用旋涂制备有机活性层分别制备样品:
PT8:PA-1:ITIC(60%:40%:0%)；
PTP8:PA-1:ITIC(60%:34%:6%)。
PT8的结构式为：
。
有机材料均溶解于氯仿，旋涂得到的薄膜厚度约80～100nm (1000rpm,40s),有机活性层均不需要加热处理；在有机层上用热蒸发蒸镀修饰层LiF(0.6nm)及金属电极Al（100nm）。
对照组PT8:PA-1:ITIC(60%:40%:0%)，在标准测试条件下：AM 1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压 Voc=1.01V，短路电流 Jsc=7.77mA/cm2, 填充因子 FF=0.53，光电转换效率 PCE=4.16%。
最优工艺条件为PT8:PA-1:ITIC(60%:34%:6%)。在标准测试条件下 ：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压 Voc=1.03V，短路电流 Jsc=8.44mA/cm2, 填充因子 FF=0.60，光电转换效率 PCE=5.32 %。
参见附图5，它是不同质量比PT8:PA-1:ITIC三元太阳能电池器件电流-电压特性曲线图。
实施例 3
对玻璃透明衬底及透明导电阴极 ITO 所组成的基板分别用丙酮，肥皂水，异丙醇，丙酮进行清洗；干燥后在透明导电阴极 ITO 表面旋转涂布一层40～45nm的PEDOT：PSS,并将所形成的薄膜进行退火处理 (140℃，15min) ；在阴极缓冲层上采用旋涂制备有机活性层分别制备样品:
PTQ1:N2200:ITIC(60%:40%:0%)；
PTQ1:N2200:ITIC(60%:34%:6%) 。
PTQ1的结构式为：
；
N2200的结构式为：
。
有机材料均溶解于氯仿，旋涂得到的薄膜厚度约80～100nm (1000rpm,40s),有机活性层均不需要加热处理；在有机层上用热蒸发蒸镀修饰层LiF(0.6nm)及金属电极Al（100nm）。
对照组PTQ1:N2200:ITIC(60%:40%:0%)，在标准测试条件下 ：AM 1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压 Voc=0.75V，短路电流 Jsc=11.27mA/cm2, 填充因子 FF=0.42，光电转换效率 PCE=3.55 %。
最优工艺条件为PTQ1:N2200:ITIC (60%:34%:6%)；在标准测试条件下 ：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压 Voc=0.76V，短路电流 Jsc=12.21mA/cm2, 填充因子 FF=0.49，光电转换效率 PCE=4.55 %。
参见附图6，它是不同质量比PTQ1:N2200:ITIC三元太阳能电池器件电流-电压特性曲线图。
采用本发明技术方案，其有机活性层器件性能最优时的重量百分比组成为 ：聚合物电子给体 60%，聚合物电子受体 34%，有机小分子电子受体6%。有机活性层中，聚合物给体材料可以为PTP8，PT8，PBPT-12，聚合物受体材料为PA-1，N2200，小分子受体材料为ITIC。

Claims (5)

1.一种有机太阳能电池，其结构包括透明玻璃衬底，透明导电电极 ITO，阴极缓冲层，有机活性层，阳极缓冲层和金属电极；其特征在于：所述的有机活性层包括三种组分，按重量百分比，聚合物电子给体60%，聚合物电子受体20%～39%，小分子电子受体 1%～20%；
所述的聚合物电子给体材料为宽光学带隙 PTP8, PT8或 PTQ1中的任意一种，对应的结构式分别为：
；
所述的聚合物电子受体材料为 PA-1或 N2200中的任意一种，对应的结构式分别为：
；
所述的小分子电子受体材料为稠环类线性共轭分子材料ITIC，其结构为：
。
2.根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池，其特征在于：聚合物电子受体为34%，小分子电子受体为6%。
3.根据权利要求 1 所述的一种有机太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层的材料为氟化锂或钙，阳极缓冲层厚度为0.6～10 nm。
4.根据权利要求 1所述的一种有机太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层的材料为PEDOT：PSS，阴极缓冲层厚度为30～50 nm。
5.根据权利要求 1所述的一种有机太阳能电池，其特征在于：所述的有机活性层厚度为80～100 nm。
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