CN108598265A - 一种有机太阳能电池活性层的制备方法 - Google Patents

一种有机太阳能电池活性层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种有机太阳能电池活性层的制备方法，属于太阳能电池技术领域。该方法先在覆有阳极修饰层的导电基底上制备一层给体薄膜，然后将受体溶于溶剂A中，在加入溶剂B后，将受体加工在给体薄膜上制得活性层。溶剂B与溶剂A的体积比为0.1:100‑100:100。溶剂A为四氢呋喃、异丙醇、石油醚等，溶剂B为甲苯、二甲苯、一氯代苯、邻二氯苯、三氯代苯等。本发明在两步溶液加工法的基础上，通过向受体溶液中加入另一种溶剂来诱导给受体之间的相互扩散，并通过改变加入溶剂的量来调控扩散深度，获得了较为理想的垂直相分布结构并有效地提升了器件的能量转换效率。

Description

一种有机太阳能电池活性层的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是指一种有机太阳能电池活性层的制备方法。
背景技术
有机太阳能电池的光电流的产生主要分为五个物理过程：激子生成，激子扩散，激子解离，电荷传输和电荷收集。在电荷传输过程中，解离出的电子和空穴分别沿着受体和给体向阴极和阳极传输。大量的研究证明，在形成有效的纳米相分离的活性层中，给体在阳极界面富集能够有效地阻挡电子的传输并且有利于空穴的抽提，受体在阴极界面富集则有利于收集电子并阻挡空穴。对于有机太阳能电池来说，这是一种理想的垂直相分布，它能够有效地促进电荷的传输，降低载流子复合，可进一步提高电池的能量转化效率。
为了得到这种理想的垂直相分布结构，研究工作者采用真空蒸镀和两步溶液加工的方法来制备活性层。在真空蒸镀法中，富勒烯受体被直接蒸镀到给体薄膜上，这使得给受体之间扩散深度不够，无法形成良好的互穿网络结构。两步溶液加工法在PBDTTT-C-T/PC61BM体系中的应用取得了很好的效果，在导电基底上依次旋涂给体层和受体层，所制备的器件的效率相比于共混膜器件有大幅度的提高。不过常用来溶解富勒烯受体的溶剂对聚合物给体也具有较高的溶解度，因此，在给体薄膜上旋涂富勒烯受体溶液时，所用溶剂将会对给体薄膜造成破坏。由此看来，用这两种方法所构建的垂直相分布结构仍然不够理想，从而限制了器件效率的进一步提高。为了构建出较为理想的垂直相分布结构来进一步提高器件效率，需要开发出一个新的有机太阳能电池活性层的制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种有机太阳能电池活性层的制备方法，该方法是基于传统的有机太阳能电池器件实施的，传统的有机太阳能电池的器件结构依次包括导电基底、阳极修饰层、活性层和电极，传统的有机太阳能电池器件的结构还可包括设于活性层与电极之间的阴极修饰层。
本发明方法包括步骤如下：
(1)在覆有阳极修饰层的导电基底上制备一层给体薄膜；
(2)将受体溶于溶剂A中，并加入溶剂B，其中，溶剂B与溶剂A的体积比为0.1:100-100:100；
(3)将步骤(2)所得受体加工在步骤(1)中的给体薄膜上。
其中，步骤(1)中给体为小分子给体材料或聚合物给体材料，给体具体为聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、叶啉类、卟啉类、酞菁类、寡聚小分子类以及由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物中的一种。
步骤(1)中给体薄膜的具体制备方法为通过旋涂、刮涂、喷墨打印或者卷对卷印刷等形式成膜。
步骤(2)中受体为小分子受体材料或聚合物受体材料，受体具体为富勒烯或其衍生物、苝酰亚胺类、萘酰亚胺类、吡咯并吡咯二酮类、苯并噻二唑类、联芴烯类以及并五苯类中的一种。
步骤(2)中溶剂A在标准大气压下的沸点低于100℃，溶剂A对给体材料的溶解度低于1mg/mL，溶剂A对受体材料的溶解度高于1mg/mL。
步骤(2)中溶剂A为四氢呋喃、异丙醇、石油醚和2-甲基四氢呋喃中的一种或多种。
步骤(2)中溶剂B在标准大气压下的沸点高于100℃，溶剂B对给体材料的溶解度高于1mg/mL，溶剂B对受体材料的溶解度高于0.1mg/mL。
步骤(2)中溶剂B为甲苯、二甲苯、一氯代苯、邻二氯苯、三氯代苯、苯甲醚、二苯醚、N-甲基吡咯烷酮、氯萘、聚乙烯醇、聚苯胺、聚乙二醇和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
步骤(1)中阳极修饰层的材料为PEDOT:PSS、三氧化钼、五氧化二钒和氧化镍中的任一种；导电基底的材料为ITO导电基底、FTO导电基底和AZO导电基底中的任一种。
步骤(3)中通过旋涂、刮涂、喷墨打印和丝网印刷等方式将受体加工在给体薄膜上。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，在两步溶液加工法的基础上制备活性层，通过向受体溶液中加入另一种溶剂来调控给受体之间的扩散深度，获得了较为理想的垂直相分布结构并有效地提升了器件的能量转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的有机太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例2中制备的反向结构的有机太阳能电池的结构示意图；
图3为本发明实施例1A中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图4为本发明实施例1B中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图5为本发明实施例1C中加入1％邻二氯苯制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图6为本发明实施例1C中加入3％邻二氯苯制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图7为本发明实施例1C中加入5％邻二氯苯制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图8为本发明实施例1C中加入7％邻二氯苯制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图9为本发明实施例2A中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图10为本发明实施例2B中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图11为本发明实施例2C中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线；
图12为本发明实施例3中制备的薄膜的吸收光谱曲线。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种有机太阳能电池活性层的制备方法。
该方法包括步骤如下：
(1)在覆有阳极修饰层的导电基底上制备一层给体薄膜；
(2)将受体溶于溶剂A中，并加入溶剂B，其中，溶剂B与溶剂A的体积比为0.1:100-100:100；
(3)将步骤(2)所得受体加工在步骤(1)中的给体薄膜上。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1和实施例2中制备的有机太阳能电池的结构示意图如图1和图2所示。
实施例1A　PBDB-T/ITIC体系共混膜器件的制备
将PBDB-T(从Solarmer Materials Inc购买)与ITIC(从Solarmer Materials Inc购买)以重量比1:1混合，并用一氯苯溶解制备成浓度为10g/L的共混活性层溶液。将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在ITO表面。接着将上述共混活性层溶液在PEDOT:PSS层上旋涂成膜(2600r/min,60s，活性层厚度大约100nm)。随后，器件以100℃退火10分钟。待冷却至室温后，将阴极修饰层PFN-Br旋涂在活性层表面。最后，在大约10-4Pa的压力下蒸镀100nm厚的铝薄层(作为电极)，得到常规结构的有机光伏器件。在充满N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G(光强度：100mW/cm2)进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图3。其中开路电压为0.91V，短路电流为17.28mA/cm2,填充因子为66.79％，光电转化效率为10.49％。
实施例1B PBDB-T/ITIC体系平面异质结器件的制备
将PBDB-T溶解于一氯苯制备成10g/L的给体溶液，将ITIC溶解于四氢呋喃制备成8g/L的受体溶液。将阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在ITO表面。接着将上述给体溶液在PEDOT:PSS层上旋涂成膜(2000r/min,60s)，紧接着将上述受体溶液在给体层上旋涂成膜(3000r/min,15s)制得活性层。随后，器件以100℃退火10分钟。待冷却至室温后，将阴极修饰层PFN-Br旋涂在活性层表面。最后，在大约10-4Pa的压力下蒸镀100nm厚的铝薄层，得到常规结构的有机光伏器件。在充满N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G(光强度：100mW/cm2)进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图4。其中开路电压为0.85V，短路电流为17.21mA/cm2,填充因子为47.69％，光电转化效率为6.97％。
实施例1C PBDB-T/ITIC体系含溶剂B的双层活性层结构的器件的制备
将PBDB-T溶解于一氯苯制备成10g/L的给体溶液，将ITIC溶解于四氢呋喃制备成8g/L的受体溶液，并向该受体溶液中分别加入1％、3％、5％、7％体积分数的邻二氯苯。将阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在ITO表面。接着将上述给体溶液在PEDOT:PSS层上旋涂成膜(2000r/min,60s)，紧接着将上述受体溶液在给体层上旋涂成膜(3000r/min,15s)制得活性层。随后，器件以100℃退火10分钟。待冷却至室温后，将阴极修饰层PFN-Br旋涂在活性层表面。最后，在大约10-4Pa的压力下蒸镀100nm厚的铝薄层，得到常规结构的有机光伏器件。在充满N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G(光强度：100mW/cm2)进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线如图5、图6、图7和图8所示，分别对应加入1％、3％、5％和7％体积分数的邻二氯苯的器件，它们的开路电压分别为0.88、0.90、0.89和0.90V，短路电流分别为17.32、17.91、17.42和16.78mA/cm2,填充因子分别为60.12％、68.07％、66.58％和65.70％，光电转化效率分别为9.19％、11.02％、10.34％和9.91％。
将图5-8和图4进行对比可知：向受体溶液中加入邻二氯苯之后，器件的能量转化效率得到了显著提升。
将图6和图5、图7和图8进行对比可知：向受体溶液中加入3％体积分数的邻二氯苯时所制备的器件获得了最高的能量转化效率。
将图6和图3进行对比可知：向受体溶液中加入3％体积分数的邻二氯苯时所制备的器件获得了比同体系共混膜器件更高的能量转化效率。
实施例2A　PBDB-T/ITIC体系反向平面异质结器件的制备
将PBDB-T溶解于一氯苯制备成10g/L的给体溶液，将ITIC溶解于四氢呋喃制备成8g/L的受体溶液。将常用的阴极修饰层ZnO旋涂在ITO表面。接着将上述给体溶液在ZnO层上旋涂成膜(2000r/min,60s)，紧接着将上述受体溶液在给体层上旋涂成膜(3000r/min,15s)。随后，器件以100℃退火10分钟。最后，在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm厚的MoO3和100nm厚的铝薄层，得到反向结构的有机光伏器件。在充满N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G(光强度：100mW/cm2)进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图9。其中开路电压为0.84V，短路电流为14.71mA/cm2,填充因子为38.50％，光电转化效率为4.78％。
实施例2B PBDB-T/ITIC体系含溶剂B的双层活性层结构的反向器件的制备
将PBDB-T溶解于一氯苯制备成10g/L的给体溶液，将ITIC溶解于四氢呋喃制备成8g/L的受体溶液，并向该受体溶液中加入3％体积分数的邻二氯苯。将阴极修饰层ZnO旋涂在ITO表面。接着将上述给体溶液在ZnO层上旋涂成膜(2000r/min,60s)，紧接着将上述受体溶液在给体层上旋涂成膜(3000r/min,15s)。随后，器件以100℃退火10分钟。最后，在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm厚的MoO3和100nm厚的铝薄层，得到反向结构的有机光伏器件。在充满N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G(光强度：100mW/cm2)进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图10。其中开路电压为0.89V，短路电流为16.84mA/cm2,填充因子为60.73％，光电转化效率为9.11％。
实施例2C PBDB-T/ITIC体系含溶剂B的双层活性层结构的反向器件的制备
将PBDB-T溶解于一氯苯制备成10g/L的给体溶液，将ITIC溶解于四氢呋喃制备成8g/L的受体溶液，并向该受体溶液中加入7％体积分数的邻二氯苯。将阴极修饰层ZnO旋涂在ITO表面。接着将上述给体溶液在ZnO层上旋涂成膜(2000r/min,60s)，紧接着将上述受体溶液在给体层上旋涂成膜(3000r/min,15s)。随后，器件以100℃退火10分钟。最后，在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm厚的MoO3和100nm厚的铝薄层，得到反向结构的有机光伏器件。在充满N2的手套箱中使用AAA级太阳光模拟器AM1.5G(光强度：100mW/cm2)进行测试。所述太阳光模拟器使用美国Newport公司认证的硅电池进行校正。测试后的电流密度-电压曲线示于图11。其中开路电压为0.91V，短路电流为17.10mA/cm2,填充因子为67.16％，光电转化效率为10.41％。
将图10、图11与图9进行对比可知：邻二氯苯具有载带受体向下扩散的作用，可实现对给受体之间扩散深度的调控。
实施例3
将实施例1-2所采用的给体溶液在石英片上旋涂成膜。然后在该给体薄膜上旋涂四氢呋喃(3000r/min,15s)。
通过紫外可见光谱仪测定旋涂四氢呋喃前后的薄膜的吸收光谱如图12所示。从图中可以看出，在旋涂四氢呋喃后的给体薄膜的光吸收强度仅有微弱的减少(经计算为原来的92％)，说明旋涂四氢呋喃不会对给体层造成破坏。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)在覆有阳极修饰层的导电基底上制备一层给体薄膜；
(2)将受体溶于溶剂A中，并加入溶剂B，其中，溶剂B与溶剂A的体积比为0.1:100-100:100；
(3)将步骤(2)所得受体加工在步骤(1)中的给体薄膜上。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中给体为小分子给体材料或聚合物给体材料，给体具体为聚对亚苯基亚乙烯类、聚亚芳基亚乙烯基类、聚对亚苯基类、聚亚芳基类、聚噻吩类、聚喹啉类、叶啉类、卟啉类、酞菁类、寡聚小分子类以及由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物中的一种。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中给体薄膜的具体制备方法为通过旋涂、刮涂、喷墨打印或者卷对卷印刷成膜。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中受体为小分子受体材料或聚合物受体材料，受体具体为富勒烯或其衍生物、苝酰亚胺类、萘酰亚胺类、吡咯并吡咯二酮类、苯并噻二唑类、联芴烯类以及并五苯类中的一种。
5.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中溶剂A在标准大气压下的沸点低于100℃，溶剂A对给体材料的溶解度低于1mg/mL，溶剂A对受体材料的溶解度高于1mg/mL。
6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中溶剂A为四氢呋喃、异丙醇、石油醚和2-甲基四氢呋喃中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中溶剂B在标准大气压下的沸点高于100℃，溶剂B对给体材料的溶解度高于1mg/mL，溶剂B对受体材料的溶解度高于0.1mg/mL。
8.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中溶剂B为甲苯、二甲苯、一氯代苯、邻二氯苯、三氯代苯、苯甲醚、二苯醚、N-甲基吡咯烷酮、氯萘、聚乙烯醇、聚苯胺、聚乙二醇和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中阳极修饰层的材料为PEDOT:PSS、三氧化钼、五氧化二钒和氧化镍中的任一种；导电基底的材料为ITO导电基底、FTO导电基底和AZO导电基底中的任一种。
10.根据权利要求1所述的有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过旋涂、刮涂、喷墨打印和丝网印刷方式将受体加工在给体薄膜上。
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