CN106410041B - 聚合物太阳能电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

聚合物太阳能电池及制备方法，属于有机聚合物太阳能电池领域。本发明的聚合物太阳能电池包括阳极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极，其特征在于，所述活性层的材料中含有下述2种化合物之一：1‑溴‑4‑丁基苯，其分子式为C₁₀H₁₃Br；1‑溴‑4‑己苯，其分子式为C₁₂H₁₇Br。相较于现有技术，本发明的太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子均有所提高，最终转换效率随之大幅提高。

Description

聚合物太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明属于有机聚合物太阳能电池领域。

背景技术

在过去30年中，有机太阳能电池领域得到了快速发展。尤其是在近十年中，有机太阳能电池转换效率的快速增加引起了科学领域和光伏产业的注意。虽然有机薄膜电池的效率与无机太阳能电池还有一定的差距，但是有机太阳能电池具有低成本，灵活性高，低污染等优点，这些优点使得有机太阳能电池在解决能源问题上具有巨大的潜力。目前社会在不断的快速发展，对于能源需求也一直在不断的增加，太阳能作为一种环境友好型的清洁能源受到广泛的关注和重视。在目前的太阳能电池领域中，按所用半导体材料的形态，主要有两大类：晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。就现有产业来看是以硅太阳能电池为主。晶体硅太阳能电池又分为：单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。但是它们制作工艺复杂，而且成本偏高，不适合大面积应用。薄膜太阳能电池包括：多晶硅薄膜太阳能能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，化合物薄膜太阳能电池(砷化镓，砷化镓硒，碲化镉，铜锌锡硫等)，染料敏化太阳能电池，聚合物太阳能电池等。太阳能电池的大面积应用是必要的趋势。在众多太阳能电池中聚合物有机光伏是非常具有潜力的一种。因为它生产消耗少，制作成本低，而且有柔性，可塑性大，利于大面积生产。

在过去十年的快速发展中，有机太阳能电池的效率在不断提高。器件能量转换效率最高超过了11％。目前在致力于提高有机太阳能电池的研究方向中，提升有机太阳能电池的途径有很多，比如改善电池结构，合成新材料，加入添加剂，增加或者改良修饰层，以及改良制备工艺等。这些方法主要是提高光的吸收效率，增加载流子迁移率，改善活性层形貌等。其中在活性层添加微量的添加剂是一种方便简洁的方法，其优点在于在制作器件过程中无需增添步骤。所以也吸引着很多学者对此进行研究。在现有的文献中，报道过许多添加剂，其中1,8-二碘辛烷(DIO)使用最广泛，尤其是在PTB7：PC₇₁BM体系中。DIO的使用可以改善PTB7与PC₇₁BM混合材料的溶解混合程度，改善活性成分形貌，优化有源层界面，从而提高电池效率。在有机太阳能电池领域中，决定器件效率的三个主要参数是短路电流(Jsc)，开路电压(Voc),填充因子(FF)。转换效率PCE＝V_OC×J_SC×FF/P_in。聚合物太阳能电池主要的问题是FF和Jsc偏低，加入适当添加剂能有效地提高FF和Jsc，从而使器件效率得到提升。本发明就是通过引进新型溶剂添加剂，使聚合物太阳能电池的短路电流，填充因子都有所提高，从而使电池效率得到了提升。添加剂操作简便，无需增加其他能耗，对于光电转换效率的提升极具潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有良好性能的聚合物太阳能电池及制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，

聚合物太阳能电池，包括阳极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极，其特征在于，所述活性层的材料中含有下述2种化合物之一：

1-溴-4-丁基苯，其分子式为C₁₀H₁₃Br；

1-溴-4-己苯，其分子式为C₁₂H₁₇Br。

本发明还提供聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)制备活性层材料混合溶液；

2)基片上设置阳极；

3)在基片上旋涂空穴传输层材料；

4)氮气环境下，在步骤3)处理后的基片上旋涂活性层材料混合溶液；

5)蒸镀阴极材料；

所述步骤1)为：

将PTB7与PC₇₁BM的混合物与氯苯、DIO和溶剂添加剂混合后，加热搅拌，得到活性层材料混合溶液；按容积比例，氯苯：DIO：溶剂添加剂＝a:b:c，其中93≤a≤95，b＝3，2≤c≤4，a+b+c＝100；

所述溶剂添加剂为下述2种化合物之一：

1-溴-4-丁基苯，其分子式为C₁₀H₁₃Br，简写Brbb，结构式为

1-溴-4-己苯，其分子式为C₁₂H₁₇Br，简写为Brph，结构式为：

进一步的，所述步骤3)为：

旋涂空穴传输层材料ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂时间为30秒，200℃下退火60分钟。

所述步骤1)中，a＝94，b＝3，c＝3。

所述步骤4)中，旋涂完成后，基片自行挥发干燥。

所述步骤5)中，真空度为小于5x10^-4pa，蒸镀厚度为10nm的MoO₃薄层，以及厚度为1500nm的Ag电极。

本发明的有益效果是，相较于现有技术，本发明的太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子均有所提高，最终转换效率随之大幅提高。

附图说明

图1为太阳能电池实验原理图。

图2为太阳能电池器件结构图。

图3为实施例1对标准器件的电流密度—电压图。

图4为实施例2对标准器件的电流密度—电压图。

图5为实施分别加入两种添加剂对比标准器件的电流密度—电压图。

具体实施方式

本发明的目的在于找到一种简洁有效的方法来提高聚合物太阳能电池的性能。

聚合物太阳能电池是通过聚合物有机分子吸收光子实现光电转换的器件。有机太阳能电池的实验原理和无机太阳能电池的实验原理类似，都是基于光生伏特效应。主要过程是，在光照情况下，有机半导体分子吸收光子，然后形成电子-空穴对，然后电子-空穴对在活性层接触面分解为自由电子和空穴，自由电子和空穴被电极收集，形成电流。实验原理图见图1。

聚合物太阳能电池的构造由阳极电极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极依次排序构成。本发明的主要特征是在溶解活性材料时往里边分别添加恰当比例的添加剂。然后通过溶液旋涂法制备活性层，再通过高真空热蒸镀电极制作出有一定效率提升的器件。

实施方式

a.将称量配比完成后的混合材料(PTB7：PC₇₁BM＝1:1.5wt/wt)装入小棕瓶，放入手套箱。

b.配制混合溶剂：

方案A)：氯苯(3％DIO vol％)中添加1-溴-4-丁基苯，氯苯(3％DIO vol％)与1-溴-4-丁基苯的比例为97:3(vol％)；

或者，按照方案B)：氯苯(3％DIO vol％)中添加1-溴-4-己苯，氯苯(3％DIOvol％)与1-溴-4-己苯的比例为97:3(vol％)。

添加顺序为：CB、DIO、溶剂添加剂(比例为94:3:3vol％)。

在混合材料与混合溶剂构成的混合溶液中，PTB7浓度为10mg/ml。

CB、DIO、溶剂添加剂可调比例范围为：95:3:2--93:3:4。

c.将混合溶液搅拌加热至少12小时，温度60℃。

d.将混合溶液旋涂于空穴传输层之上。

基于PTB7：PC₇₁BM体系的聚合物太阳能电池，其器件结如附图2。聚合物太阳能电池器件制备具体实施过程：

1.阳极为是氧化铟锡(ITO)，其方阻为15Ω/cm²。将ITO用丙酮擦拭后进行超声，超声溶液使用顺序：乙醇、洗洁精水、去离子水、丙酮、乙醇。超声完成后保存在乙醇中放置待用。

2.用气枪吹干基片并做上标记，然后将其UV处理30分钟。

3.旋涂空穴传输层材料：ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂时间为30秒，放置在热台上退火60分钟，温度为200℃。

4.将玻璃基片转入氮气氛围的手套箱旋涂活性层。旋涂活性层后，不退火，将基片放在玻璃皿内让溶剂自行挥发。这是一种控制混合物形态的一种方法叫做溶剂退火工艺，通过增加样品周围的局部蒸气压控制膜的干燥过程，使活性层在溶剂蒸发过程中形成有序的结构。

5.将玻璃基片放入有机气相沉淀系统的蒸镀室，将真空抽至<5×10^-4pa，蒸镀MoO₃薄层10nm，1500nm的Ag。具体结构示于图2中所示。

含有PTB7和PC₇₁BM的混合材料在现有技术在聚合物太阳能电池中已有成熟应用，二者的比例并非本发明的发明点。

实施例1

本实施例的制备过程为：

1.提前一天配置活性层材料混合溶液，配置过程如下：

a.称取一定量的PTB7和PC₇₁BM(PTB7：PC₇₁BM＝1：1.5wt/wt)放入专用试剂瓶中。

b.将称量好的混合材料(PTB7和PC₇₁BM)传入手套箱中，先加入计算好的氯苯溶剂，然后再加入DIO，最后加入溶剂添加剂Brbb，按容积比例为CB：DIO：Brbb＝94:3:3，得到混合溶液。混合溶液中，PTB7浓度为10mg/ml。

c.将配置好的混合溶液放置在加热台上搅拌至少12h，温度60℃。

2.阳极为是氧化铟锡(ITO)，其方阻为15Ω/cm²。将ITO用丙酮擦拭后进行超声，超声溶液使用顺序：乙醇、洗洁精水、去离子水、丙酮、乙醇。超声完成后放置待用。

3.用气枪吹干基片并做上标记，然后将其UV处理30分钟。

4.旋涂空穴传输层材料：ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂时间为30秒，放置在热台上退火60分钟，温度为200℃。

5.将玻璃基片转入氮气氛围的手套箱旋涂活性层材料混合溶液。旋涂速度为2000rpm，30s，旋涂活性层后，不直接退火，而是将基片放在玻璃皿内让溶剂自行挥发。

6.将玻璃基片放入有机气相沉淀系统的蒸镀室，将真空抽至<5×10^-4pa，蒸镀MoO₃薄层10nm，1500nm的Ag。

7.测试条件为：光谱分布AM 1.5G，光照强度为1000W/m²，Zolix SS150太阳光模拟器。I-V曲线是由keithly 2400型数字源表进行测量。

性能参数：

由表可知加入添加剂Brbb的器件比标准器件效果好，活性层混合溶液里添加3％Brbb，开路电压、短路电流、填充因子均有所提高，最终转换效率提高到了8.13％。I-V曲线如图3。

实施例2

本实施例制备过程为：

1.提前一天配置活性层材料混合溶液，配置过程如下：

a.称取一定量的PTB7和PC₇₁BM(PTB7：PC₇₁BM＝1：1.5wt/wt)放入专用试剂瓶中。

b.将称量好的混合材料传入手套箱中，先加入计算好的氯苯溶剂，然后再加入DIO，最后加入溶剂添加剂Brph，按容积比例，CB：DIO：Brph＝94:3:3。混合溶液中，PTB7浓度为10mg/ml。

c.将配置好的混合溶液放置在加热台上搅拌至少12h，温度60℃。

2.阳极为是氧化铟锡(ITO)，其方阻为15Ω/cm²。将ITO用丙酮擦拭后进行超声，超声溶液使用顺序：乙醇、洗洁精水、去离子水、丙酮、乙醇。超声完成后放置待用。

3.用气枪吹干基片并做上标记，然后将其UV处理30分钟。

4.旋涂空穴传输层材料：ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂时间为30秒，放置在热台上退火60分钟，温度为200℃。

5.将玻璃基片转入氮气氛围的手套箱旋涂活性层材料混合溶液。旋涂速度为2000rpm，30s，旋涂活性层后，不直接退火，而是将基片放在玻璃皿内让溶剂自行挥发。

6.将玻璃基片放入有机气相沉淀系统的蒸镀室，将真空抽至<5×10^-4pa，蒸镀MoO₃薄层10nm，1500nm的Ag。

7.测试条件为：光谱分布AM 1.5G，光照强度为1000W/m²，Zolix SS150太阳光模拟器。I-V曲线是由keithly 2400型数字源表进行测量。

本器件得到的有益效果如性能参数表所示：

由表可知加入添加剂Brph的器件比标准器件效果好，活性层混合溶液里添加3％Brph，开路电压、填充因子均有所提高，最终转换效率提高到了8.13％。I-V曲线如图4。

综上所述，本发明的两种添加剂Brbb和Brph，加入标准器件的混合溶剂中后，效率均有所提升。提升的方面主要体现在填充因子，原因主要是改善了活性层的成膜性和活性层与传输层的界面接触。添加剂综合I-V曲线如图5所示。

Claims (6)

1.聚合物太阳能电池，包括阳极，空穴传输层，活性层，电子传输层，阴极，其特征在于，所述活性层的材料中含有下述2种化合物之一：

1-溴-4-丁基苯，其分子式为C₁₀H₁₃Br；

1-溴-4-己苯，其分子式为C₁₂H₁₇Br。

2.聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)制备活性层材料混合溶液；

2)基片上设置阳极；

3)在基片上旋涂空穴传输层材料；

4)氮气环境下，在步骤3)处理后的基片上旋涂活性层材料混合溶液；

5)蒸镀阴极材料；

所述步骤1)为：

将PTB7与PC₇₁BM的混合物与氯苯、DIO和溶剂添加剂混合后，加热搅拌，得到活性层材料混合溶液；按容积比例，氯苯：DIO：溶剂添加剂＝a:b:c，其中93≤a≤95，b＝3，2≤c≤4，a+b+c＝100；

所述溶 剂添加剂为下述2种化合物之一：

1-溴-4-丁基苯，其分子式为C₁₀H₁₃Br；

1-溴-4-己苯，其分子式为C₁₂H₁₇Br。

3.如权利要求2所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤3)为：

旋涂空穴传输层材料ZnO，旋涂速度5000rpm，旋涂时间为30秒，200℃下退火60分钟。

4.如权利要求2所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，a＝94，b＝3，c＝3。

5.如权利要求2所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，旋涂完成后，基片自行挥发干燥。

6.如权利要求2所述的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，真空度为小于5x10^-4pa，蒸镀厚度为10nm的MoO₃薄层，以及厚度为1500nm的Ag电极。