CN107359247A - 一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种三元体系异质结构聚合物太阳能电池，包括光活性层，所述的光活性层包括电子受体材料、第一电子给体材料和第二电子给体材料；所述电子受体材料为PC71BM，所述第一电子给体材料为PffBT4T‑2OD、所述第二电子给体材料为PCDTBT1，PCDTBT8，PCDTBT中的任一种。本发明制备得到的太阳能电池器件光电转化效率高，且耐久性好。

Description

一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能电池
技术领域
本发明属于聚合物太阳能电池技术领域，具体涉及一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物物太阳能电池。
背景技术
随着各国工业的高速发展，能源危机和环境污染问题日益严重，不同形式的可再生能源也越来越多的受到全球的关注。太阳能电池是一种直接把太阳能转化为电能的器件，是当今各国作为清洁可再生能源的主要研究目标之一。近十年以来，有机太阳能电池的研究越来越受到关注，并取得了长足的进展。相对于无机光伏器件，有机聚合物光伏器件具有低成本、工艺简单、轻薄、可大规模制备等优点，具有很大的发展潜力。然而，相比于传统的无机太阳能电池，聚合物太阳能电池的光电转化效率仍然相对较低，其最主要的原因就在于其对可见光的吸收能力有限，导致短路电流较低。因此在传统的二元体异质结太阳能电池中引入吸收光谱互补的第三组分能显著提高其对可见光的吸收能力，以提高其光电转化效率。
PffBT4T-2OD是一种窄带隙的电子供体聚合物，以其制备的二元体异质结太阳能电池的光电转化效率能突破10％，具有很大的应用潜力。但其缺点在于其与富勒烯电子受体的易混合性很差，因此不管用何种方式进行储存，封装，其光电转化效率都容易在数天内急剧下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能电池。通过在高效率不稳定的PffBT4T-2OD/富勒烯体系中引入第三组分电子供体不仅能有效提高电池器件的光电转化效率，还能显著提高其稳定性，延长其使用寿命。
为解决本发明提出的技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种三元体系异质结构聚合物太阳能电池，包括光活性层，所述的光活性层包括电子受体材料、第一电子给体材料和第二电子给体材料，所述第一电子给体材料为PffBT4T-2OD、所述第二电子给体材料为PCDTBT1、PCDTBT8、PCDTBT中的一种。
优选地，所述光活性层中第一电子给体材料、第二电子给体材料、电子受体材料的重量份数分别为：30-45份、2-13份、50-60份。
优选地，所述电子受体材料为PC71BM。
优选地，所述光活性层的制备工艺包括：
步骤a，将第一电子给体材料、第二电子给体材料、电子受体材料溶解于氯苯或邻二氯苯溶液中，配制成活性层溶液；
步骤b，采用旋涂、刮涂或喷涂的工艺涂覆步骤a所得活性层溶液，得到厚度为150-400nm的活性层薄膜；
步骤c，将步骤b所得薄膜浸泡于甲醇溶液中30s-120s，最后将薄膜放置于80-100℃的热台上热退火2-20min得到所需光活性层。
优选地，上述三元体系异质结构聚合物太阳能电池由依次叠加的透明导电衬底、电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极组成。
优选地，所述电子传输层为TiO2、ZnO2或SnO2，其厚度范围为5-30nm。
优选地，所述空穴传输层为MoO3，其厚度为5-15nm。
优选地，所述金属阳极为Al或Ag。
优选地，所述透明导电衬底为导电玻璃、导电柔性玻璃、导电聚对苯二甲酸乙二酯或导电聚萘二甲酸乙二醇酯。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
(1)PCDTBT、PCDTBT1、PCDTBT8的光学吸收谱带与PffBT4T-2OD互补，能更为有效的吸收太阳光，提高其短路电流，PCDTBT、PCDTBT1、PCDTBT8的HOMO能级更深，以其制备的器件具有更高的开路电压，这些都有助于提高三元体异质结太阳能电池的光电转化效率。
(2)PCDTBT、PCDTBT1、PCDTBT8是一种含有咔唑类环的电子供体聚合物，以其制备的电池器件本身具有非常良好的耐久性及较长的使用寿命。此外，PCDTBT、PCDTBT1、PCDTBT8与富勒烯之间具有良好的易混合性，因此将其加入至PffBT4T-2OD/富勒烯体系中能有效的改善其相分离程度，防止器件性能下降，延长其使用寿命。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2//PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的纳米二氧化钛分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为6mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM＝1.0:0:1.2，然后将溶液以800rpm在电子传输层上进行旋涂，最后将器件放入甲醇中浸泡30s后再经过100℃退火5min，得到厚度为300nm的光活性层。
4)通过金属掩膜板蒸镀10nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Ag金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到10.6％，其中短路电流密度为19.0mA/cm2，开路电压0.75V，填充因子74％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减约为30％。
实施例2：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2//PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的纳米二氧化钛分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为6mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM＝0.9:0.1:1.2，然后将溶液以800rpm在电子传输层上进行旋涂，最后将器件放入甲醇中浸泡30s后再经过100℃退火5min，得到厚度为300nm的光活性层；
4)通过金属掩膜板蒸镀10nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Ag金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到11.2％，其中短路电流密度为18.8mA/cm2，开路电压0.78V，填充因子76％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于5％。
实施例3：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2//PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的纳米二氧化钛分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为6mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM＝0.7:0.3:1.2，然后将溶液以800rpm在电子传输层上进行旋涂，最后将器件放入甲醇中浸泡30s后再经过100℃退火5min，得到厚度为300nm的光活性层；
4)通过金属掩膜板蒸镀8nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Ag金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到10.3％，其中短路电流密度为17.2mA/cm2，开路电压0.83V，填充因子72％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于2％。
实施例4：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2/PffBT4T-2OD:PCDTBT8:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的纳米二氧化钛分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为6mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT8:PC71BM＝0.9:0.1:1.2，然后将溶液以800rpm在电子传输层上进行旋涂，最后将器件放入甲醇中浸泡30s后再经过100℃退火5min，得到厚度为300nm的光活性层；
4)通过金属掩膜板蒸镀10nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Ag金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到11.4％，其中短路电流密度为18.7mA/cm2，开路电压0.79V，填充因子77％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于2％。
实施例5：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2/PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的纳米二氧化钛分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为6mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM＝0.95:0.05:1.2，然后将溶液以800rpm在电子传输层上进行旋涂，最后将器件放入甲醇中浸泡30s后再经过100℃退火5min，得到厚度为300nm的光活性层；
4)通过金属掩膜板蒸镀10nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Ag金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到11.1％，其中短路电流密度为18.8mA/cm2，开路电压0.77V，填充因子76％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于5％。
实施例6：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2/PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的氧化锌分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为3mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM＝0.95:0.05:1.2，然后将溶液刮涂在电子传输层，制备出300nm的活性层，最后将器件放入甲醇中浸泡30s后再经过100℃退火5min，得到厚度为300nm的光活性层；
4)通过金属掩膜板蒸镀10nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Al金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到11.1％，其中短路电流密度为18.8mA/cm2，开路电压0.77V，填充因子76％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于2％。
实施例7：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2/PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电柔性玻璃依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的氧化锌分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为20nm的电子传输层；
3)以邻二氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为3mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT1:PC71BM＝0.95:0.05:1.2，然后将溶液刮涂在电子传输层，制备出250nm的活性层，最后将器件放入甲醇中浸泡100s后再经过80℃退火10min；
4)通过金属掩膜板蒸镀10nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Al金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到11.1％，其中短路电流密度为18.8mA/cm2，开路电压0.77V，填充因子76％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于5％。
实施例8：
一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能能电池，其结构为ITO/TiO2/PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM/MoO3/Ag，具体制备步骤如下：
1)将方阻为15Ω，图案化的导电聚萘二甲酸乙二醇酯依次在去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇中超声清洗10min，氮气吹干后置于热台上烘干，之后进行紫外-臭氧处理去除表面残留有机物；
2)在经步骤1)预处理透明导电衬底上制备电子传输层：将固含量为5mg/ml的氧化锡分散液先以3000rpm的转速旋涂30s，然后经过150℃退火30min，得到厚度为25nm的电子传输层；
3)以氯苯为溶剂配制PffBT4T-2OD固含量为3mg/ml的活性层溶液，溶液中各组分的比例为PffBT4T-2OD:PCDTBT:PC71BM＝0.95:0.05:1.2，然后将溶液喷涂在电子传输层，制备出400nm的活性层，最后将器件放入甲醇中浸泡50s后再经过100℃退火20min；
4)通过金属掩膜板蒸镀5nm厚的MoO3空穴传输层；
5)通过金属掩膜板蒸镀Al金属层作为阳极，其厚度为100nm。
将本实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池进行测试，经测试，本实施例所得聚合物太阳能电池的光电转化效率在反扫条件下达到11.2％，其中短路电流密度为18.8mA/cm2，开路电压0.78V，填充因子76％。将电池器件放置200h后，其光电转化效率衰减小于5％。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种高效、稳定的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，包括光活性层，其特征在于，所述的光活性层包括电子受体材料、第一电子给体材料和第二电子给体材料，所述第一电子给体材料为PffBT4T-2OD、所述第二电子给体材料为PCDTBT1、PCDTBT8、PCDTBT中的一种。
2.如权利要求1所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层中第一电子给体材料、第二电子给体材料、电子受体材料的重量份数分别为：30-45份、2-13份、50-60份。
3.如权利要求1所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述电子受体材料为PC71BM。
4.如权利要求1所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层的制备工艺包括：
步骤a，将第一电子给体材料、第二电子给体材料、电子受体材料溶解于氯苯或邻二氯苯溶液中，配制成活性层溶液；
步骤b，采用旋涂、刮涂或喷涂的工艺涂覆步骤a所得活性层溶液，得到厚度为150-400nm的活性层薄膜；
步骤c，将步骤b所得薄膜浸泡于甲醇溶液中30s-120s，最后将薄膜放置于80-100℃的热台上热退火2-20min得到所需光活性层。
5.如权利要求1-4任一项所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述三元体系异质结构聚合物太阳能电池由依次叠加的透明导电衬底、电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极组成。
6.如权利要求5所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为TiO2、ZnO2或SnO2，其厚度范围为5-30nm。
7.如权利要求5所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为MoO3，其厚度为5-15nm。
8.如权利要求5所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极为Al或Ag。
9.如权利要求5所述的三元体系异质结构聚合物太阳能电池，其特征在于，所述透明导电衬底为导电玻璃、导电柔性玻璃、导电聚对苯二甲酸乙二酯或导电聚萘二甲酸乙二醇酯。
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