CN108206240A - 高效有机太阳能电池及制备方法 - Google Patents

高效有机太阳能电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

高效有机太阳能电池及制备方法，属于有机太阳能电池领域。本发明的太阳能电池各层沿ITO玻璃、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极顺次设置，所述活性层中含有给体材料PTB7‑th和受体材料PC71BM，活性层中还含有醇类添加剂。添加醇类添加剂对二元有机太阳能电池中电流的提高以及效率有促进作用，在结构形成过程中可以促进二元共混膜中双连续互穿网络的形成，从而有利于激子分离和电荷传输。

Description

高效有机太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池领域。
背景技术
有机太阳能电池主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，通过光伏效应产生电压和电流，其工作原理与无机太阳能电池的工作原理类似，都是基于光伏效应：主要过程是在光照条件下，有机半导体吸收光子，然后形成激子，当激子扩散到活性层接触面时，电子-空穴对在给受体能级差的作用下分解为自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴被电极收集形成电流，实现太阳能转化为电能的目的。其工作原理图如图1所示。有机太阳能电池(organic solar cells,OSC)凭借其低成本的制造、化学结构可设计性，良好的柔韧性以及加工性能好等优点而受到越来越多的关注，尤其是共轭聚合物太阳能电池。但与无机太阳能电池相比，能量转化效率低、寿命短和稳定性较差等缺点成为有机太阳能电池商业化的主要因素。为了进一步提高改善性能，使器件更稳定，研究者们提出了各种方法，无论是改变器件结构还是添加膜层和增加新合成的某种材料，都对器件性能有所改进。其中，活性层的形态在BHJ太阳能电池中起着重要的作用。为了实现高PCE，活性层应具有合适的相分离区域和双连续互穿网络，其不仅提供用于光产生激子的电荷分离的界面，而且还用作分离的电荷载流子的渗透途径。BHJ OSC的效率已经通过加工条件进行了优化，如溶剂退火，热退火和溶剂添加剂的应用。这些方法可以影响BHJ膜的表面形貌，相分离，电荷产生和转移以及光吸收。在各种加工方法中，在活性层中加入添加剂，从而使有机太阳能电池的性能得到改善是较多研究中常用的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有更高效率的有机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，高效有机太阳能电池，其特征在于，各层沿ITO玻璃、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极顺次设置，所述活性层中含有给体材料PTB7-th和受体材料PC71BM，活性层中还含有醇类添加剂。
进一步的，所述醇类添加剂为下述材料之一：
活性层中，所述醇类添加剂的质量比例为1％～10％。优选的，活性层中，所述醇类添加剂的质量比例为3％。
进一步的，所述醇类添加剂为：
本发明的高效有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)配置活性层材料和电子传输层材料，其中，
活性层材料配置：
a.PTB7-th为给体材料，PC71BM为受体材料，由两者共同构成的给体浓度为a mg/ml，按重量比例，给体材料:受体材料＝b:c，溶剂为CB，a为7～15，b:c为1:1～1:5；
b.将给体材料和受体材料溶于溶剂中，加入醇类添加剂，按重量比例，在给体材料、受体材料和醇类添加剂重量之和中，醇类添加剂的占比为1％～10％；
c.室温下搅拌；
ZnO配置：配置ZnO溶液，溶剂为二甲氧基乙醇。
(2)ITO导电玻璃清洗；
(3)将ITO玻璃进行等离子臭氧处理；
(4)ITO玻璃于氮气环境中旋涂ZnO溶液，然后退火形成电子传输层；
(5)将活性层材料旋涂于ZnO电子传输层上，退火；
(6)、最后将涂好活性层的片子放入有机气相沉积系统的蒸镀仓内进行蒸镀步骤如下：
a.放入空穴传输层材料MoO3，阳极电极材料Ag。关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，
b.先蒸镀MoO3，速度为0.5A/s，厚度为10nm。在蒸镀Ag电极，速度为3-5A/s，厚度150nm。
本发明将不同链长，不同取代位置的醇类CXHYOZ添加剂首次加入在基于PTB7-th：PC71BM二元体系的有机太阳能电池活性层中。添加醇类添加剂对二元有机太阳能电池中电流的提高以及效率有促进作用，在结构形成过程中可以促进二元共混膜中双连续互穿网络的形成，从而有利于激子分离和电荷传输。而且它们具有简单稳定的分子结构(图2)，与给体和受体中的烷烃链都能形成氢键，且BHJ材料表面能比较低，与PTB7-th和PC71BM有良好混溶性。通过制造的聚合物太阳能电池PCE的增强表明了这种新型醇类添加剂是提高光吸收性和提高相分离尺寸的有前景的候选物，通过加入醇类添加剂能促进原有二元体系材料的结晶，改善活性层形貌，能很好的增加激子分离，减少单分子、双分子复合，所以能提升器件的填充因子。本发明丰富了添加剂的选择，并展示了一种实现高性能OSC的新方法。
本发明提供了醇类添加剂相匹配的器件结构----倒置结构(如图6)。倒置结构是在ITO界面上旋涂上ZnO作为电子传输层，而不是像传统的有机太阳能电池一样，在ITO上涂上一层PEDOT:PSS作为空穴传输层，传统的有机太阳能电池的器件结构为：ITO/PEDOT:PSS/活性层/LIF/Al，这类型的结构有两个比较显著的缺点就是酸性的PEDOT:PSS对玻璃表面具有腐蚀作用,造成器件的串联电阻增大，器件效率下降，另外，传统器件一般使用的是容易在空气中氧化的阴极电极。针对传统器件结构的缺点,我们在这里决定采用倒置结构，这种结构的器件阳极和阴极与传统电池电极位置相反。一般利用ITO作为阴极，而用较高功函数的金属作为阳极，有效避免了电极的氧化及其与PEDOT:PSS直接接触造成的腐蚀。不仅如此这种结构的电池还具有较好的空气稳定性以及器件制备更为便利，而且在倒置结构的电池中，受体在透明导电氧化物一侧具有更高的浓度，因而倒置结构电池在收集电子方面具有天然优势，这很有利于器件的效率提升。
附图说明
图1为有机太阳能电池工作原理图。
图2为1,8-辛二醇，1，2，8-辛三醇，1,10-癸二醇以及PTB7-th和PC71BM的分子结构图。
图3为基于不同重量比的1,8-辛二醇(0.2％，0.3％，0.4％)时的二元器件的J-V曲线图。
图4为基于不同重量比的1，2，8-辛三醇(0.3％，0.4％，0.5％，0.6％)时的二元器件的J-V曲线图。
图5为基于不同重量比的1,10-癸二醇(0.3％，0.4％，0.5％，0.6％)时的二元器件的J-V曲线图。
图6为本发明中配合基于不同链长，不同取代位置的醇类添加剂所采用的倒置结构的有机太能能电池结构图。
图7为本发明中有机太阳能电池的制备过程图.
具体实施方式
本发明将基于不同链长，不同取代位置的醇类材料CXHYOZ作为溶剂添加剂用于有机太阳能电池。部分基于不同链长，具体实施方式采用了3种不同取代位置的醇类添加剂的化学结构式及其他信息，如下表所示：
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业用途获得。
实施例1添加1,8-辛二醇的二元器件的制备
本实施例中提供基于PTB7-th：PC71BM二元体系的倒置小分子太阳能电池，其结构如图2所示，ITO导电玻璃上依次为阴极电极，电子传输层，活性层，空穴传输层，阳极。二元电池采用以下工艺制备：
(1)、提前一天配置活性层混合溶液以及电子传输层材料ZnO，配置过程如下：活性层材料配置：
a.PTB7-th为给体材料，PC71BM为受体材料，由两者共同构成的给体浓度为a mg/ml，给体受体材料重量比例为b：c，溶剂为CB,a为7～15优选10，b:c为1:1～1:5优选1:1.5；
b.称取2mg的给体材料和3mg的受体材料并加入重量比为R％的1,8-辛二醇溶于200ul溶剂中。R为0～1优选0.3。
c.将混合溶剂在室温下搅拌24小时。
ZnO配置：
a.配置ZnO溶液体积为1ml，溶剂为二甲氧基乙醇。
b.称取110mg醋酸锌和31mg乙醇胺于溶液瓶中，再加入1ml二甲氧基乙醇。
c.将混合溶液在室温下搅拌48小时。
(2)、阳极为氧化铟锡(ITO)，方阻为15Ω/cm2.,将ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水，超纯水，丙酮，异丙醇，乙醇对其进行超声清洗，然后用氮气枪将其吹干。
(3)、将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧(U-V)处理30分钟。
(4)、将U-V处理后的ITO玻璃放入手套箱氮气环境中旋涂ZnO，旋涂速度a1rpm，旋涂时间b1秒，然后将片子放在加热平台上退火1小时，退火温度为c1度,a1为2000～6000优选5000，b1为20～60优选30，c1为180～250优选200。
(5)、将步骤(4)退火后的ITO玻璃旋涂活性层，将步骤(1)所得活性层材料用a2rpm的旋涂速度旋涂于ZnO电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行溶剂退火30分钟，a2为2000～6000，优选5000。
(6)、最后将涂好活性层的片子放入有机气相沉积系统的蒸镀仓内进行蒸镀步骤如下：
a.放入空穴传输层材料MoO3，阳极电极材料Ag。关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，
b.先蒸镀MoO3，速度为0.5A/s，厚度为10nm。在蒸镀Ag电极，速度为3-5A/s，厚度150nm。
器件整个制备过程如图7所示。
光伏性能测试
测试设备如下：
光源：光谱分布AM1.5G，光照强度为1000w/m2，Zolix SS150太阳光模拟器；
数据采集设备：由Keithly2400型数字源表进行测量得出J-V曲线；
通过测试得到本实施例二元有机太阳能电池的最好性能参数如下表所示：
可以看出由于1,8-辛二醇的加入，器件性能相比原有二元电池有了大幅度的提升，开路电压、短路电流、填充因子均有提升，其中短路电流的提升最为明显。1，8-辛二醇重量比为0.3％时二元器件效果最好，与之对应的J-V曲线如图3所示。但随着1,8-辛二醇含量的进一步增加，器件效率开始衰减。
实施例2：添加1,2，8-辛三醇的二元器件的制备
本实施例中提供基于PTB7-th：PC71BM二元体系的倒置小分子太阳能电池，其结构如图2所示，ITO导电玻璃上依次为阴极电极，电子传输层，活性层，空穴传输层，阳极。二元电池采用以下工艺制备：
(1)、提前一天配置活性层混合溶液以及电子传输层材料ZnO，配置过程如下：活性层材料配置：
a.PTB7-th为给体材料，PC71BM为受体材料，由两者共同构成的给体浓度为a mg/ml，给体受体材料重量比例为b：c，溶剂为CB,a为7～15优选10，b:c为1:1～1:5优选1:1.5；
b.称取2mg的给体材料和3mg的受体材料并加入重量比为R％的1,2，8-辛三醇溶于200ul溶剂中。R为0～1优选0.5。
c.将混合溶剂在室温下搅拌24小时。
ZnO配置：
a.配置ZnO溶液体积为1ml，溶剂为二甲氧基乙醇。
b.称取110mg醋酸锌和31mg乙醇胺于溶液瓶中，再加入1ml二甲氧基乙醇。
c.将混合溶液在室温下搅拌48小时。
(2)、阳极为氧化铟锡(ITO)，方阻为15Ω/cm2.,将ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水，超纯水，丙酮，异丙醇，乙醇对其进行超声清洗，然后用氮气枪将其吹干。
(3)、将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧(U-V)处理30分钟。
(4)、将U-V处理后的ITO玻璃放入手套箱氮气环境中旋涂ZnO，旋涂速度a1rpm，旋涂时间b1秒，然后将片子放在加热平台上退火1小时，退火温度为c1度,a1为2000～6000优选5000，b1为20～60优选30，c1为180～250优选200。
(5)、将步骤(4)退火后的ITO玻璃旋涂活性层，将步骤(1)所得活性层材料用a2rpm的旋涂速度旋涂于ZnO电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行溶剂退火30分钟，a2为2000～6000，优选4000。
(6)、最后将涂好活性层的片子放入有机气相沉积系统的蒸镀仓内进行蒸镀步骤如下：
a.放入空穴传输层材料MoO3，阳极电极材料Ag。关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，
b.先蒸镀MoO3，速度为0.5A/s，厚度为10nm。在蒸镀Ag电极，速度为3-5A/s，厚度150nm。
光伏性能测试
测试设备如下：
光源：光谱分布AM1.5G，光照强度为1000w/m2，Zolix SS150太阳光模拟器；
数据采集设备：由Keithly2400型数字源表进行测量得出J-V曲线；
通过测试得到本实施例二元有机太阳能电池的最好性能参数如下表所示：
可以看出由于1,2，8-辛三醇的加入，器件性能相比原有二元电池有了大幅度的提升，开路电压、短路电流、填充因子均有提升。1，2，8-辛三醇重量比为0.5％时二元器件效果最好，与之对应的J-V曲线如图4所示。但随着1，2，8-辛三醇含量的进一步增加，器件效率开始衰减。
实施例3：添加1,10-癸二醇的二元器件的制备
本实施例中提供基于PTB7-th：PC71BM二元体系的倒置小分子太阳能电池，其结构如图2所示，ITO导电玻璃上依次为阴极电极，电子传输层，活性层，空穴传输层，阳极。二元电池采用以下工艺制备：
(1)、提前一天配置活性层混合溶液以及电子传输层材料ZnO，配置过程如下：活性层材料配置：
a.PTB7-th为给体材料，PC71BM为受体材料，由两者共同构成的给体浓度为a mg/ml，给体受体材料重量比例为b：c，溶剂为CB,a为7～15优选10，b:c为1:1～1:5优选1:1.5；
b.称取2mg的给体材料和3mg的受体材料并加入重量比为R％的1,10-癸二醇溶于200ul溶剂中。R为0～1优选0.5。
c.将混合溶剂在室温下搅拌24小时。
ZnO配置：
a.配置ZnO溶液体积为1ml，溶剂为二甲氧基乙醇。
b.称取110mg醋酸锌和31mg乙醇胺于溶液瓶中，再加入1ml二甲氧基乙醇。
c.将混合溶液在室温下搅拌48小时。
(2)、阳极为氧化铟锡(ITO)，方阻为15Ω/cm2.,将ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水，超纯水，丙酮，异丙醇，乙醇对其进行超声清洗，然后用氮气枪将其吹干。
(3)、将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧(U-V)处理30分钟。
(4)、将U-V处理后的ITO玻璃放入手套箱氮气环境中旋涂ZnO，旋涂速度a1rpm，旋涂时间b1秒，然后将片子放在加热平台上退火1小时，退火温度为c1度,a1为2000～6000优选5000，b1为20～60优选30，c1为180～250优选200。
(5)、将步骤(4)退火后的ITO玻璃旋涂活性层，将步骤(1)所得活性层材料用a2rpm的旋涂速度旋涂于ZnO电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行溶剂退火30分钟，a2为2000～7000，优选6000。
(6)、最后将涂好活性层的片子放入有机气相沉积系统的蒸镀仓内进行蒸镀步骤如下：
a.放入空穴传输层材料MoO3，阳极电极材料Ag。关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，
b.先蒸镀MoO3，速度为0.5A/s，厚度为10nm。在蒸镀Ag电极，速度为3-5A/s，厚度150nm。
光伏性能测试
测试设备如下：
光源：光谱分布AM1.5G，光照强度为1000w/m2，Zolix SS150太阳光模拟器；
数据采集设备：由Keithly2400型数字源表进行测量得出J-V曲线；
通过测试得到本实施例二元有机太阳能电池的最好性能参数如下表所示：
可以看出由于1,10-癸二醇的加入，器件性能相比原有二元电池有了大幅度的提升，开路电压、短路电流、填充因子均有提升。1,10-癸二醇重量比为0.5％时二元器件效果最好，与之对应的J-V曲线如图5所示。但随着1,10-癸二醇含量的进一步增加，器件效率开始衰减。

Claims (7)

1.高效有机太阳能电池，其特征在于，各层沿ITO玻璃、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极顺次设置，所述活性层中含有给体材料PTB7-th和受体材料PC71BM，活性层中还含有醇类添加剂。
2.如权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于，所述醇类添加剂为下述材料之一：
3.如权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于，活性层中，所述醇类添加剂的质量比例为1％～10％。
4.如权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于，活性层中，所述醇类添加剂的质量比例为3％。
5.如权利要求1所述的高效有机太阳能电池，其特征在于，所述醇类添加剂为：
6.高效有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)配置活性层材料和电子传输层材料，其中，
活性层材料配置：
a.PTB7-th为给体材料，PC71BM为受体材料，由两者共同构成的给体浓度为a mg/ml，按重量比例，给体材料:受体材料＝b:c，溶剂为CB，a为7～15，b:c为1:1～1:5；
b.将给体材料和受体材料溶于溶剂中，加入醇类添加剂，按重量比例，在给体材料、受体材料和醇类添加剂重量之和中，醇类添加剂的占比为1％～10％；
c.室温下搅拌；
ZnO配置：配置ZnO溶液，溶剂为二甲氧基乙醇。
(2)ITO导电玻璃清洗；
(3)将ITO玻璃进行等离子臭氧处理；
(4)ITO玻璃于氮气环境中旋涂ZnO溶液，然后退火形成电子传输层；
(5)将活性层材料旋涂于ZnO电子传输层上，退火；
(6)、最后将涂好活性层的片子放入有机气相沉积系统的蒸镀仓内进行蒸镀步骤如下：
a.放入空穴传输层材料MoO3，阳极电极材料Ag，抽至5×10-4以下真空，
b.先蒸镀MoO3，速度为0.5A/s，厚度为10nm，然后蒸镀Ag电极，速度为3-5A/s，厚度150nm。
7.如权利要求6所述的高效有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述醇类添加剂为下述材料之一：
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