CN108550702A - 半透明有机太阳能电池及其制法与在光伏农业大棚中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可应用于光伏农业大棚的半透明有机太阳能电池及其制备方法与其在光伏农业大棚中的应用。所述半透明有机太阳能电池中的活性层为基于有机聚合物52充当给体、非富勒烯小分子IEICO‑4F与富勒烯PC71BM充当受体的二元或三元体系，所述有机聚合物J52、非富勒烯小分子IEICO‑4F、富勒烯PC71BM的质量比为1:(0～1.5):(0～1.5)，所述活性层厚度为90～100nm。所述太阳能电池的活性层为在红外及近红外波段吸收较强的有机材料。通过使尽量多的可见光透过，非可见光被反射进而被活性层吸收利用，从而同时提高器件的平均透过率及能量转换效率。

Description

半透明有机太阳能电池及其制法与在光伏农业大棚中的应用
技术领域
本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种可应用于光伏农业大棚的半透明有机太阳能电池及其制备方法与其在光伏农业大棚中的应用。
背景技术
有机太阳能电池具有成本低、质量轻、柔性、半透明、可溶液加工，易于大面积制备等优点。与无机材料相比，有机吸光层材料具有吸收光谱不连续，且可通过改变其结构来改变吸收光谱的特点，易制成在可见光波段半透明的太阳能电池。目前，同时实现半透明器件较高的能量转换效率及透光率仍面临着较大的挑战。近年来，非富勒烯受体材料由于具有易于合成、能带易调控及可见光区或近红外光区吸收强等优点，引起了科研界的广泛关注，目前，基于非富勒烯的单节有机太阳能电池的效率已经超过13％(J.Am.Chem.Soc.2017,139,7148)。进一步结合非富勒烯受体材料较宽较强的吸收以及富勒烯受体材料较高的电子迁移率的优点，构建三元体系的有机太阳能电池，可将单节有机太阳能电池的效率进一步提高到14％(Sci.Bull.2017,62,1562)。基于在红外及近红外波段有吸收的非富勒烯受体材料的高效体系的出现，一方面有利于半透明有机太阳能电池性能的提高，因非可见光可被反射进而被活性层吸收利用；另一方面可推动半透明有机太阳能电池在建筑物窗户或汽车玻璃等方面的应用。此外，光伏农业大棚也是半透明有机太阳能电池的潜在重要应用领域之一，然而，目前文献中还没有关于如何根据绿色植物的吸收光谱选择适用于光伏农业大棚的有机材料体系的报道。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种可应用于光伏农业大棚的半透明有机太阳能电池。所述太阳能电池的活性层为在红外及近红外波段吸收较强的有机材料。通过使尽量多的可见光透过，非可见光被反射进而被活性层吸收利用，从而同时提高器件的平均透过率及能量转换效率。此外，所述半透明有机太阳能电池的透射光谱与绿色植物中的主要成分叶绿素的吸收光谱匹配。
本发明的另一目的在于提供上述半透明有机太阳能电池的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述半透明有机太阳能电池的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种半透明有机太阳能电池，包括依次层叠的衬底、透明阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及透明阴极；所述活性层为基于有机聚合物J52充当给体、非富勒烯小分子IEICO-4F与富勒烯PC71BM充当受体的二元或三元体系，所述有机聚合物J52、非富勒烯小分子IEICO-4F、富勒烯PC71BM的质量比为1:(0～1.5):(0～1.5)，所述活性层厚度为90～100nm。
所述有机聚合物J52在文献(Haijun Bin,etc.Non-Fullerene Polymer SolarCells Based on Alkylthio and Fluorine Substituted 2D-Conjugated PolymersReach 9.5％Efficiency[J].Journal of the American Chemical Society.2016,138,4657-4664)中已公开，结构式为：
优选的，所述空穴传输层为PEDOT:PSS，厚度为30～50nm。
所述PEDOT:PSS中文名称为聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐，是一种导电高分子聚合物。
优选的，所述电子传输层为PFN-Br，厚度为5～7nm。
优选的，所述衬底为玻璃。
优选的，所述透明阳极为ITO层，涂覆于衬底上。
优选的，所述透明阴极为Ag，厚度为10～100nm。
优选的，所述活性层的厚度为100nm，所述透明阴极的厚度为15nm。
所述半透明有机太阳能电池的透射光谱与绿色植物中的主要成分叶绿素的吸收光谱匹配，可应用于光伏农业大棚。
一种半透明有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底并干燥；
(2)将PEDOT:PSS溶液旋涂于ITO层上作为空穴传输层，厚度为30～50nm；旋涂后置于140～160℃加热台退火处理15～20min；
(3)将给体材料有机聚合物J52、受体材料IEICO-4F及PC71BM按照质量比进行混合并溶于溶剂中，配制成混合溶液；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，得到厚度为90～100nm的J52:IEICO-4F:PC71BM活性层；所述有机聚合物J52、非富勒烯小分子IEICO-4F、富勒烯PC71BM的质量比为1:(0～1.5):(0～1.5)；
(4)将PFN-Br固体溶于甲醇溶剂中，配制成浓度为0.4～0.5mg/mL的溶液；然后将溶液旋涂于J52:IEICO-4F:PC71BM活性层上，形成厚度为5～7nm的PFN-Br电子传输层；
(5)在PFN-Br电子传输层上蒸镀厚度为10～100nm的Ag透明阴极。
优选的，步骤(2)所述旋涂的转速为3200～3500rpm。
优选的，步骤(3)所述将给体材料有机聚合物J52、受体材料IEICO-4F及PC71BM按照质量比进行混合溶于溶剂中，配制成溶液；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，具体为：将给体材料J52，受体材料IEICO-4F及PC71BM按照1:(1.5～0):(0～1.5)的质量比进行混合溶于体积比为0.5/99.5～1/99的1,8-二碘辛烷/氯苯溶剂中，形成混合溶液，50～60℃搅拌12～15h；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，旋涂速率为1000～1200rpm。
优选的，步骤(4)所述旋涂，具体为，旋涂速率为2000～2200rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用在红外及近红外波段吸收较强的非富勒烯受体，借助非可见光被反射进而被活性层吸收利用的优势，显著提高了半透明有机太阳能电池的能量转换效率。
(2)本发明通过引入迁移率较高的富勒烯受体构建三元体系，可进一步调控半透明器件的能量转换效率与平均透过率的关系。
(3)本发明中的半透明有机太阳能电池的透射光谱与绿色植物中的主要成分叶绿素等的吸收光谱匹配，可应用于光伏农业大棚。
附图说明
图1为本发明的实施例的半透明有机太阳能电池活性层给体材料J52、受体材料IEICO-4F及PC71BM薄膜的吸收光谱图。
图2为本发明的实施例的半透明有机太阳能电池器件的示意图。其中，1为衬底，2为透明阳极，3为空穴传输层，4为活性层，5为电子传输层，6为透明阴极。
图3为本发明的实施例2的半透明有机太阳能电池器件中银电极厚度分别为10、15和20nm时的透过率分布曲线。
图4为本发明的实施例2的测试得到的绿色植物中的主要成分叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱图。
图5为本发明的实施例3的半透明有机太阳能电池器件中银电极厚度为15nm时的透过率分布曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将涂覆有ITO层的玻璃衬底依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，干燥氮气吹干置于培养皿中备用；
(2)将PEDOT:PSS溶液(购自Heraeus公司)旋涂于ITO层上作为空穴传输层，转速为3200～3500rpm厚度为40nm；然后150℃热退火处理15min；
(3)将给体材料J52(购自1-Material公司)与受体材料IEICO-4F(购自Solarmer公司)及PC71BM(购自Solenne B.V.公司)分别按照1:(0～1.5)：(0～1.5)的质量比进行混合，溶于体积比为1/99的1,8-二碘辛烷/氯苯溶剂中，配制成浓度为20mg mL-1的混合溶液，55℃搅拌12h；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，旋涂速率为1000rpm，得到厚度为100nm的活性层；
(4)将PFN-Br(购自Solarmer公司)溶于甲醇溶剂中，配制成浓度为0.5mg mL-1的溶液，旋涂于J52:IEICO-4F:PC71BM活性层上，旋涂速率为2200rpm，形成厚度为5nm的电子传输层；
(5)在PFN-Br电子传输层上蒸镀厚度为100nm的银电极作为阴极。
本实施例所述给体材料J52、受体材料IEICO-4F及PC71BM的薄膜吸收光谱如图1所示。IEICO-4F薄膜在近红外波段有较强吸收，吸收边可达约970nm。
本实施例得到的半透明有机太阳能电池器件结构如图2所示。
对实施例1中所述两元或三元体系的有机太阳能电池进行光电器件性能测试，探究了活性层中不同PC71BM含量对器件性能的影响，结果见表1。
由表1可知，将第三组分PC71BM加入能量转换效率为9.21％的J52:IEICO-4F二元体系，当PC71BM的含量逐渐增加至40％时，开路电压、短路电流密度及填充因子都得到提高，因而器件的能量转换效率呈现出逐渐提高的趋势，最高可达10.68％；当PC71BM的含量增加到60％时，虽然短路电流密度降低，但三元体系的能量转换效率仍高于二元体系。说明三元体系的构建成功提高了器件的性能。
表1不同给/受体比例的二元和三元体系的太阳能电池器件性能指标
实施例2
(1)将涂覆有ITO层的玻璃衬底依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，干燥氮气吹干置于培养皿中备用；
(2)将PEDOT:PSS溶液(购自Heraeus公司)旋涂于ITO层上作为空穴传输层，转速为3200～3500rpm，厚度约为40nm；然后150℃热退火处理15min；
(3)将给体材料J52(购自1-Material公司)与受体材料IEICO-4F(购自Solarmer公司)按照1:1.5的质量比进行混合，溶于体积比为1/99的1,8-二碘辛烷/氯苯溶剂中，配制成浓度为20mg mL-1的混合溶液，55℃搅拌12h；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，旋涂速率为1000rpm，得到厚度为100nm的活性层；
(4)将PFN-Br(购自Solarmer公司)溶于甲醇溶剂中，配制成浓度为0.5mg mL-1的溶液，旋涂于J52:IEICO-4F活性层上，旋涂速率为2200rpm，形成厚度为5nm的电子传输层；
(5)在PFN-Br电子传输层上蒸镀厚度分别为10、15和20nm的银透明阴极。
本实施例中J52:IEICO-4F二元体系半透明器件的不同银透明电极厚度下的太阳能电池器件性能参数及透光率参数测试结果如表2所示。随着银电极厚度的增加，能量转换效率逐渐增加，透光率逐渐降低。当银电极厚度为15nm时，平均透过率可达23.14％，此时也可获得较高的能量转换效率(7.12％)。
本实施例中J52:IEICO-4F二元体系半透明器件的不同银透明电极厚度下的太阳能电池器件透光率分布曲线如图3所示。半透明器件在400～500nm及600～700nm波段内透光率较高，这与我们测试得到的绿色植物中的主要成分叶绿素的吸收光谱(如图4所示)匹配，因而可应用于光伏农业大棚。
表2不同银透明电极厚度下的太阳能电池器件性能参数及透光率参数
实施例3
(1)将涂覆有ITO层的玻璃衬底依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，干燥氮气吹干置于培养皿中备用；
(2)将PEDOT:PSS溶液(购自Heraeus公司)旋涂于ITO层上作为空穴传输层，转速为3200～3500rpm，厚度约为40nm；然后150℃热退火处理15min。
(3)将给体材料J52(购自1-Material公司)，受体材料IEICO-4F(购自Solarmer公司)及PC71BM(购自Solenne B.V.公司)分别按照1:0.9:0.6的质量比进行混合，溶于体积比为1/99的1,8-二碘辛烷/氯苯溶剂中，配制成浓度为20mg mL-1的混合溶液，55℃搅拌12h；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，旋涂速率为1000rpm，得到厚度为100nm的活性层；
(4)将PFN-Br(购自Solarmer公司)溶于甲醇溶剂中，配制成浓度为0.5mg mL-1的溶液，旋涂于J52:IEICO-4F:PC71BM活性层上，旋涂速率为2200rpm，形成厚度为5nm的电子传输层；
(5)在PFN-Br电子传输层上蒸镀厚度为15nm的银透明阴极。
本实施例中J52:IEICO-4F:PC71BM三元体系半透明器件在银透明电极厚度为15nm时，器件性能参数及透光率参数测试结果如下：开路电压0.685V，短路电流密度16.90mA/cm2，填充因子66.9％，计算得到能量转换效率为7.75％，平均可见光透过率为24.53％。与实施例2相比，半透明器件的能量转换效率与平均透过率同时得到了提高。本实施例中半透明器件的透光率分布曲线如图5所示，与实施例2曲线峰位一致，因此本实施例中较高性能的半透明有机太阳能电池更加有利于在光伏农业大棚领域的应用。
由实施例1～3可见，本发明通过采用在红外及近红外波段吸收较强的非富勒烯受体，并引入迁移率较高的富勒烯受体构建三元体系，同时提高了半透明器件的能量转换效率和平均透过率；同时，本发明的半透明有机太阳能电池的透射光谱与绿色植物中的主要成分叶绿素的吸收光谱匹配，可应用于光伏农业大棚。
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上述实施例的限制，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 (10)

1.一种半透明有机太阳能电池，包括依次层叠的衬底、透明阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及透明阴极，其特征在于，所述活性层为基于有机聚合物52充当给体、非富勒烯小分子IEICO-4F与富勒烯PC71BM充当受体的二元或三元体系，所述有机聚合物J52、非富勒烯小分子IEICO-4F、富勒烯PC71BM的质量比为1:(0～1.5):(0～1.5)，所述活性层厚度为90～100nm。
2.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为PEDOT:PSS，厚度为30～50nm。
3.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为PFN-Br，厚度为5～7nm。
4.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述衬底为玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述透明阳极为ITO层，涂覆于衬底上。
6.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述透明阴极为Ag，厚度为10～100nm。
7.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述透明阴极的厚度为15nm；所述活性层的厚度为100nm。
8.一种半透明有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底并干燥；
(2)将PEDOT:PSS溶液旋涂于ITO层上作为空穴传输层，厚度为30～50nm；旋涂后置于140～160℃加热台退火处理15～20min；
(3)将给体材料有机聚合物J52、受体材料IEICO-4F及PC71BM按照质量比进行混合并溶于溶剂中，配制成混合溶液；然后将混合溶液旋涂于PEDOT:PSS空穴传输层上，得到厚度为90～100nm的J52:IEICO-4F:PC71BM活性层；所述有机聚合物J52、非富勒烯小分子IEICO-4F、富勒烯PC71BM的质量比为1:(0～1.5):(0～1.5)；
(4)将PFN-Br固体溶于甲醇溶剂中，配制成浓度为0.4～0.5mg/mL的溶液；然后将溶液旋涂于J52:IEICO-4F:PC71BM活性层上，形成厚度为5～7nm的PFN-Br电子传输层；
(5)在PFN-Br电子传输层上蒸镀厚度为10～100nm的Ag透明阴极。
9.根据权利要求8所述的一种半透明有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述旋涂的速率为3200～3500rpm；
步骤(3)所述溶剂为体积比为0.5/99.5～1/99的1,8-二碘辛烷/氯苯溶剂；旋涂速率为1000～1200rpm；
步骤(4)所述旋涂的速率为2000～2200rpm。
10.权利要求1所述的半透明有机太阳能电池在光伏农业大棚中的应用。
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