CN108666423A - 一种半透明有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半透明有机太阳能电池。所述半透明有机太阳能电池包括半透明活性层；半透明活性层包括至少一种电子给体材料和至少一种电子受体材料；电子给体材料选自如下中任一种：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、寡聚小分子类和由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物。本发明半透明有机太阳能电池的半透明活性层可以随着电子给体材料变化形成不同的色彩，这种特点能够用于制备多色彩的半透明有机太阳能电池。所述多色彩的半透明有机太阳能电池可以应用于但不限于下述应用：可应用在衣服、车窗、墙体表面、窗户以及电子产品上。

Description

一种半透明有机太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种半透明有机太阳能电池，属于有机太阳能电池器件领域。
背景技术
为了追求能源和环境可持续发展的目标，寻求具有经济吸引力的可再生能源是当下重要的发展方向。有机太阳能电池具有质量轻、成本低、兼容柔性以及容易大面积制备等优点，被视作一种有前景的光伏产品。近年来，基于共轭有机导电半导体材料的本体异质结太阳能电池迅速发展。有机太阳能电池的光电转换效率已经超过12％[Adv.Mater.2016,28,9423.]。有机太阳能电池已经显示了重要的商业化前景。其中半透明的有机太阳能电池在商业化应用中具有重要的价值。
由于半透明有机太阳能电池是采用具有在可见光区具有高透过率的材料制备的器件，进而它们可以与传统的透明窗口(如建筑和汽车玻璃)集成进行窗口发电。世界范围内建筑物数量巨大，如果能够从建筑物表面获得大量低成本的太阳能，环境污染的规模将会得到有效控制，能源危机也将得到缓解。
然而，目前发展的半透明有机太阳能电池仍然不能同时满足高的透过率和高的光电转化效率。主要的原因是这些半透明有机太阳能电池的活性层材料吸收光谱局限在可见光区域。为了使这些电池获得半透明的效果，活性层的厚度不得不被降低。这样直接减少了活性层对光的吸收，不利于获得高的光电转化效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种半透明有机太阳能电池，本发明采用吸收在近红外区的材料作为电子受体，所制备的半透明有机太阳能电池将会有可能兼具透明度和高的能量转化效率。
由于在太阳光谱中，近红外区域光通量远远大于近紫外区域，因此开发出光吸收范围在近红外光区的半透明有机太阳能电池，将会具有重要的应用价值。
本发明半透明有机太阳能电池是在现有传统的有机太阳能电池器件的基础上改进得到的，现有有机太阳能电池器件的结构包括依次层叠的透明导电电极、半透明活性层和透明导电电极，如图1(a)所示，所述透明导电电极和所述半透明活性层之间还设有阳极修饰层和/或阴极修饰层，如图1(b)、图1(c)和图1(d)所示。
所述透明导电电极可选自但不限于下述材料：氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、金(Au)、银(Ag)纳米线或者复合电极(几种透明电极组合使用)中的任何一种。
所述阳极修饰层材料可选自但不限于下述材料：PEDOT:PSS、氧化钨、三氧化钼、五氧化二钒和氧化镍中的任一种。
所述阴极修饰层的材料选自但不限于下述材料：氟化锂(LiF)、氧化锌(ZnO)、钛配合物和PFN中的任一种。
本发明所提供的半透明有机太阳能电池中，所述半透明活性层包括至少一种电子给体材料和至少一种电子受体材料；
优选由至少一种所述电子给体材料和至少一种所述电子受体材料组成。
所述半透明有机太阳能电池中，所述电子给体材料选自如下中任一种：
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、寡聚小分子类和由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物。
所述电子给体材料优选聚噻吩类；
所述聚噻吩类具体可为PTB7-Th、PBDB-T或J52；
PTB7-Th的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-乙基己基；n为10～50，如26；
PBDB-T的结构式如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，R1为2-乙基己基；n为10～50，如21；
J52的结构式如式Ⅲ所示：
式Ⅲ中，R1为2-乙基己基，R2为正辛基，R3为正己基；n为10～50，如22。
所述半透明有机太阳能电池中，所述电子受体材料的吸收光谱主要在近红外光区；
所述电子受体材料的吸收边大于950nm；
所述吸收边指的是所测定的吸收光谱中最低能量的激发波长。
所述电子受体材料选自如下中任一种：
1)IEICO-4X或其衍生物；
IEICO-4X的结构式如式Ⅳ所示：
式Ⅳ中，X为H、F、Cl、Br或I；R1为2-乙基己基，R3为正己基；
2)噻二唑喹喔啉或其衍生物；
3)吡咯并吡咯酮或其衍生物。
具体地，所述电子受体材料可为IEICO-4F，所述电子给体材料可为PTB7-Th、PBDB-T或J52；
所述电子给体材料与所述电子受体材料的质量比可为1：0.2～5，具体可为1：1.5。
本发明具体实施方式提供了具有如下半透明活性层的半透明有机太阳能电池：
1)电子给体材料为PTB7-Th，电子受体材料为IEICO-4F，两者的质量比为1：1.5，得到器件结构为ITO/ZnO/半透明活性层/三氧化钼(MoO3)/Au的半透明有机太阳能电池，其电流密度-电压曲线示如图2所示，其中开路电压为0.736V，短路电流为16.4mA/cm2,填充因子为51.22％，光电转化效率为6.18％。
2)电子给体材料为PBDB-T，电子受体材料为IEICO-4F，两者的质量比为1：1.5，得到器件结构为ITO/ZnO/半透明活性层/三氧化钼(MoO3)/Au的半透明有机太阳能电池，其电流密度-电压曲线示如图3所示，其中开路电压为0.75V，短路电流为14.3mA/cm2,填充因子为50.71％，光电转化效率为5.44％。
3)电子给体材料为J52，电子受体材料为IEICO-4F，两者的质量比为1：1.5，得到器件结构为ITO/ZnO/半透明活性层/三氧化钼(MoO3)/Au的半透明有机太阳能电池，其电流密度-电压曲线示如图4所示，其中开路电压为0.717V，短路电流为16.8mA/cm2,填充因子为51.59％，光电转化效率为6.2％。
所述半透明有机太阳能电池中，所述半透明活性层的厚度可为10～1000nm，如110～130nm。
所述半透明有机太阳能电池中，所述半透明活性层在可见光区域的平均透过率大于30％，
所述可见光区域的波长范围为400～760nm。
本发明半透明有机太阳能电池的半透明活性层可以随着电子给体材料变化形成不同的色彩，这种特点能够用于制备多色彩的半透明有机太阳能电池。
所述多色彩的半透明有机太阳能电池可以应用于但不限于下述应用：可应用在衣服、车窗、墙体表面、窗户以及电子产品上。
附图说明
图1为现有半透明有机太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明实施例1制备的半透明有机太阳能电池的电流-电压曲线。
图3为本发明实施例2制备的半透明有机太阳能电池的电流-电压曲线。
图4为本发明实施例3制备的半透明有机太阳能电池的电流-电压曲线。
图5为本发明实施例4制备的薄膜的透过率曲线。
图6为本发明实施例5制备的薄膜的吸收光谱曲线。
图7为本发明实施例5中多色彩活性层的色坐标图。
图8为本发明实施例4制备的覆盖有活性层薄膜的石英片照片。
图9为本发明实施例1-3制备的半透明有机太阳能电池的照片。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：PTB7-Th/IEICO-4F体系原始器件的制备
将PTB7-Th(从Solarmer Meterials Inc购买，产品编号SIM-P9035，式Ⅰ中n为26)与IEICO-4F(按照文献记载的方法合成：Angewandte Chemie 2017,56(11),3045-3049)以重量比为1：1.5共混溶解于氯苯制备10g/L的共混活性层溶液。将常用的阴极修饰层ZnO旋涂在ITO表面。接着将上述共混活性层溶液在ZnO层上旋涂成膜(1500rmp/min，60s，活性层厚度大约130nm)。活性层经过热退火处理之后，在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm的MoO3和10nm金的薄层，得到半透明有机太阳能电池。
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2，其中开路电压为0.736V，短路电流为16.4mA/cm2,填充因子为51.22％，光电转化效率为6.18％。
实施例2：PBDB-T/IEICO-4F体系原始器件的制备
将PBDB-T(从Solarmer Meterials Inc，产品编号SIM-P9201，式Ⅱ中n为21)与IEICO-4F以重量比为1：1.5共混溶解于氯苯制备10g/L的共混活性层溶液。将常用的阴极修饰层ZnO旋涂在ITO表面。接着将上述共混活性层溶液在ZnO层上旋涂成膜(2500rmp/min，60s，活性层厚度大约110nm)。活性层经过热退火处理之后，在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm的MoO3和10nm金的薄层，得到半透明有机太阳能电池。
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0.75V，短路电流为14.3mA/cm2,填充因子为50.71％，光电转化效率为5.44％。
实施例3：J52/IEICO-4F体系原始器件的制备
将J52(按照文献记载的方法合成，J.Am.Chem.Soc.2016,138(13),4657-64.，式Ⅲ中n为22)与IEICO-4F以重量比为1：1.5共混溶解于氯苯制备10g/L的共混活性层溶液。将常用的阴极修饰层ZnO旋涂在ITO表面。接着将上述共混活性层溶液在ZnO层上旋涂成膜(2500rmp/min，60s，活性层厚度大约110nm)。活性层经过热退火处理之后，在大约10-4Pa的压力下相继蒸镀10nm的MoO3和10nm金的薄层，得到半透明有机太阳能电池。
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0.717V，短路电流为16.8mA/cm2,填充因子为51.59％，光电转化效率为6.2％。
实施例4：
将实施例1-3所采用的活性层材料，按照有机太阳能电池的制备条件在石英片上成膜。
通过紫外可见光谱仪测定薄膜的透过率，结果如图5所示，可以看出，3种膜材料在可见光区(400～760nm)的平均透过率大于30％。
实施例5：
将实施例1-3所采用的活性层材料，按照有机太阳能电池的制备条件在石英片上成膜。
通过紫外可见光谱仪测定薄膜的吸收光谱如图6所示。由于实施例1-3所使用的受体材料的吸光范围主要在近红外区，给体材料则具有不同的光谱范围，活性层显出具有明显差异的三种颜色，使用色坐标的方式显示在图7中。相应材料的坐标值分别为：PTB7-Th/IEICO-4F(x＝0.28，y＝0.32)，PBDB-T/IEICO-4F(x＝0.20，y＝0.25)，J52/IEICO-4F(x＝0.30，y＝0.23)。
实施例6：
将实施例4所制备的覆盖有活性层薄膜的石英片放置在印有中国科学院化学研究所标识的纸张上，拍下照片如图8所示。从图中可以看出，透过3片石英片能清晰的看到纸张的文字，显示出高的透过率。
实施例7：
将实施例1-3所制备的半透明有机太阳能电池被放置在印有中国科学院化学研究所标识的纸张上，拍下照片如图9所示。从图中可以看出，透过3块电池能清晰的看到纸张的文字，显示出高的透过率。

Claims (10)

1.一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：它包括半透明活性层；
所述半透明活性层包括至少一种电子给体材料和至少一种电子受体材料。
2.根据权利要求1所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电子给体材料选自如下中任一种：
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、寡聚小分子类和由吸电子共轭单元与给电子共轭单元偶联组成的共聚物。
3.根据权利要求2所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电子受体材料的吸收光谱在近红外光区域。
4.根据权利要求3所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电子受体材料的吸收边大于950nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电子受体材料选自如下中任一种：
1)IEICO-4X或其衍生物；
IEICO-4X的结构式如式Ⅳ所示：
式Ⅳ中，X为H、F、Cl、Br或I；R1为2-乙基己基，R3为正己基；
2)噻二唑喹喔啉或其衍生物；
3)吡咯并吡咯酮或其衍生物。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电子受体材料为IEICO-4F，所述电子给体材料为聚噻吩类。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电子给体材料与所述电子受体材料的质量比为1：0.2～5。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述半透明活性层的厚度为10～1000nm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述半透明活性层在可见光区域的平均透过率大于30％。
10.权利要求1-9中任一项所述半透明有机太阳能电池在下述任一种产品中的应用：
衣服、车窗、墙体表面、窗户和电子产品。
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