CN109244242A - 一种有机太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机太阳电池及其制备方法，该有机太阳电池包括光活性层，光活性层包括电子给体材料、电子受体材料，光活性层中还添加有一定量的液晶添加剂，液晶添加剂能够有效地抑制光活性层内电子和空穴的复合，减少了内部孤岛的产生，提高了电子、空穴的产生和传输，增大电流密度，提升有机太阳电池的光电转换效率等性能。另外，本发明中所使用的液晶添加剂溶解性很好，可溶于氯仿、二氯苯、乙醇等有机溶剂，能够通过旋涂、刮涂、磁控溅射、真空蒸镀等多种方法制备成膜，适用于卷对卷工艺。

Description

一种有机太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及有机光伏器件领域，特别涉及一种有机太阳电池及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展，对于能源的需求也越来越高，而当前作为主力的化石能源是一种不可再生能源，显然无法满足全球发展的需要。因此，开发利用可持续能源也就成为了一件迫在眉睫的课题。与其它能源相比，太阳能具有清洁无污染、安全、不受地理条件限制等多种优点。基于以上考虑，如何充分利用太阳能、尤其是如何开发能够直接把太阳辐射转变为电能的太阳能电池也就成为了解决当前能源问题的最有前途的方法之一。

太阳能电池种类繁多，按照材料的不同，可以分为无机太阳电池、有机化合物太阳电池、染料敏化太阳电池、塑料太阳电池等。无机太阳电池采用的主要是包括硅在内的无机材料，单晶硅或多晶硅的光电转换效率在14％左右，非晶硅在6％左右，其它无机材料的光电转换效率大致在8-10％。这类太阳电池因为高昂的制造成本以及无机材料的不易加工和不可降解等缺点而在使用中受到诸多限制。而有机化合物太阳电池质量轻、稳定、适合大面积生产，而且喷墨打印、丝网印刷等生产工艺的应用也在一定程度上解决了高成本投入的问题。但与无机太阳电池相比，有机化合物太阳电池的光电转换效率仍然有待提高。根据有机化合物太阳电池的原理，当电池的光活性层厚度增大时，太阳辐射的吸收也会相应地增加，但厚度的增加会导致分离的电子和空穴由于未能及时传到对应电极而被复合，从而使得太阳电池的光电转换效率无法得到进一步提升。因此，有必要设计一种能够减少电子空穴复合的有机化合物太阳电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减少电子空穴复合的有机太阳电池及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种有机太阳电池，太阳电池包括依次层叠设置的衬底层、阴极层、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层、阳极层，光活性层包括电子给体材料、电子受体材料和液晶添加剂，液晶添加剂为具有以下结构式中的至少一种：

其中，R₁、R₂分别独立选自具有1-5个碳原子的直链或支链烷烃；m、n分别独立选自0-4；当m为2、3、4中的任一种时，2个或以上的R₁可以为相同或不同；当n为2、3、4中的任一种时，2个或以上的R₂可以为相同或不同；即在两个苯环上的氢可以同时被一个或多个相同或不同的基团取代，这些基团选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、叔戊基等。

优选的，基于所述光活性层的总质量，所述光活性层包括[38-50]％的所述电子给体材料、[45.5-60]％的所述电子受体材料、(0-9]％的所述液晶添加剂，其中，“[”、“]”代表该值可以取到，“(”代表该值无法取到。

进一步优选的，液晶添加剂在光活性层中的质量百分比为(0-6]％。

更进一步优选的，液晶添加剂在光活性层中的质量百分比为[2-4]％。

优选的，m、n均为0。

优选的，电子给体材料为PCE-10或PBDB-T。

优选的，电子受体材料为PC₇₁BM或ITTC。

优选的，阴极缓冲层的材料包括TiOX、LiF、ZnO中的至少一种。

进一步优选的，阴极缓冲层中还包括修饰剂，掺杂的修饰剂可以修饰阴极缓冲层的表面形貌，降低势垒。

优选的，阴极缓冲层的厚度为25-30nm。

优选的，阳极缓冲层的材料为PEDOT:PSS、MoO₃、V₂O₅、NiO中的至少一种。

优选的，阳极缓冲层的厚度为8-10nm。

优选的，阳极层为金属阳极层。

进一步优选的，阳极层的材料为Al、Ag中的至少一种。

优选的，阳极层的厚度为80-150nm。

优选的，衬底层的材料为透明玻璃或透明柔性聚合物TFT中的至少一种。

上述有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

在阴极层表面制备阴极缓冲层，对所述阴极缓冲层进行退火，在所述阴极缓冲层上制备光活性层，在所述光活性层上制备阳极缓冲层，在阳极缓冲层上设置阳极层。

本发明的有益效果在于：

本方案中所提供的液晶添加剂能够使得光活性层中的给体具有更高的结晶度，使得电子给体材料链中的π-π键更紧密地堆叠，形成更长的π共轭长度，从而使得电子给体链间具有更强的相互作用，降低了能隙，减小了光活性层中的串联电阻，提高了短路电流。同时，可以使电子受体材料分子的分散度提高，能够产生更大的受体聚集体，也就促进了受体材料的双连续相分离，为电子和空穴的传输提供了更好的双连续通道，从而有效地抑制光活性层内电子和空穴的复合，减少了内部孤岛的产生，提高了电子、空穴的产生和传输，增大电流密度，提升有机太阳电池的光电转换效率等性能。另外，本发明中所使用的液晶添加剂溶解性很好，可溶于氯仿、二氯苯、乙醇等有机溶剂，能够通过旋涂、刮涂、磁控溅射、真空蒸镀等多种方法制备成膜，适用于卷对卷工艺。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的有机太阳电池的结构示意图。

图2是本发明的一个实施例的有机太阳电池的光活性层的扫描电子显微镜图。

图3是本发明的一个对比例的有机太阳电池的光活性层的扫描电子显微镜图。

图4是本发明实施例1中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图5是本发明实施例2中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图6是本发明实施例3中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图7是本发明实施例4中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图8是本发明实施例5中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图9是本发明实施例6中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图10是本发明对比例1中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

图11是本发明对比例2中有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。

实施例1：

图1是本发明的一个实施例的有机太阳电池的结构示意图。如图1所示，该有机太阳电池采用倒装结构，从上到下的结构为衬底层1、透明导电阴极层2、阴极缓冲层3、光活性层4、阳极缓冲层5、金属电极6。

该有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：

(1)将由透明衬底层和透明导电阴极ITO所组成的基板进行标记然后清洗，清洗步骤为分别用丙酮、ITO清洗液、去离子水、无水乙醇等置于超声清洗机中清洗20min，然后放入80℃烘箱中烘干待用；

(2)在透明导电阴极ITO表面旋涂ZnO(2500rpm，30s，30nm)制成阴极缓冲层，并对制成的ZnO薄膜进行热退火(200℃，1h)；

(3)在阴极缓冲层上旋涂光活性层PCE-10：PC₇₁BM：7CB(质量分数之比为38.8％：58.2％：3％，1400rpm，40s，100nm)；

(4)在光活性层上蒸镀阳极缓冲层MoO₃(10nm)；

(5)在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Al(80nm)。

该实施例制得的太阳能电池器件厚度较薄，除去衬底层厚度外，器件的总厚度不超过250nm。液晶添加剂材料7CB(即式Ⅰ中m、n均为0的情况，其结构式如下：

)已经实现量产且价格不高，可以直接购买使用。该有机太阳电池的光电转换效率较高、性能稳定，采用的制备工艺步骤简单、成本低廉。

实施例2

一种有机太阳电池，与实施例1的区别在于光活性层中PCE-10：PC₇₁BM：7CB为39％：55％：6％。

实施例3

一种有机太阳电池，与实施例1的区别在于光活性层中PCE-10：PC₇₁BM：7CB为38％：53％：9％。

实施例4

一种有机太阳电池，与实施例1的区别在于光活性层改为PBDB-T：ITIC：7CB(质量分数之比为48.5％：48.5％：3％，2300rpm，60s，120nm)，且光活性层在旋涂后需先进行160℃热退火在进行蒸镀阳极缓冲层。

实施例5

一种有机太阳电池，与实施例4的区别在于光活性层中PBDB-T：ITIC：7CB为47％：47％：6％。

实施例6

一种有机太阳电池，与实施例4的区别在于光活性层中PBDB-T：ITIC：7CB为45.5％：45.5％：9％。

实施例7

性能测试

对比例1：与实施例1的区别在于光活性层中的PCE-10：PC₇₁BM为40％：60％。

对比例2：与实施例4的区别在于光活性层中的PBDB-T：ITIC为50％：50％。

对比例3：与实施例4的区别在于光活性层为PBDB-T：ITIC：E7(质量分数之比为48.5％：48.5％：3％，2300rpm，60s，120nm)。

分别将实施例1-6及对比例1-3制得的有机太阳电池在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)进行测试，结果如下表所示。

表1.有机太阳电池性能测试

从上述结果中可以看出，与对比例1和2相比，实施例中的光活性层在添加作为液晶添加剂的向列相液晶7CB后，短路电流密度和能量转换效率有了明显的提升，其中又以实施例1和4中提升的效果最为明显，其光电转换效率与未添加的对比例相比，分别提高了30.4％和7％，短路电流密度分别提高了15％和1％，这两个实施例中7CB的添加量为光活性层材料总质量的2-4％，具体为3％，因此，当7CB的添加量在2-4％时，太阳电池的光电转换效率和短路电流密度等性能能够得到最大的提升；而对比例3的光活性层在添加向列相液晶E7后，短路电流密度和能量转换效率非但没有提升，反而出现了一定程度的下降。因此，实施例中采用的向列相液晶7CB能够很好地抑制电子-空穴的复合，减小串联电阻，从而使得FF增加，提高电流密度、光电转换效率等性能。其中，7CB在PCE-10：PC₇₁BM体系中的效果好于PBDB-T：ITIC，这可能是因为PCE-10的结晶性较差，添加7CB后引起的结晶性的提高相比于PBDB-T更明显，也就能够使上述的一些电学性能有更好的提升效果。

图2和图3分别是实施例1和对比例1的有机太阳电池的光活性层的扫描电子显微镜图。如图2和图3所示，实施例1中添加液晶7CB后，光活性层的给受体材料的分散度明显要高于对比例1，给受体的相分离形貌得到了很好的改善，从而能够减少内部孤岛的产生，降低载流子的复合，提升了电子和空穴的传输，相应地也就提高了电子迁移率和空穴迁移率，保证了光活性层内电荷的传输，从而使光活性层的电导率有了一定的提高，具体表现为填充因子FF的上升。

图4-图11分别是实施例1-6及对比例1-2的有机太阳电池在标准测试条件下的电流密度-电压特性曲线图。如图所示，实施例相比于对比例明显有更好的电性能，而其中又以实施例1和实施例4最佳。

实施例8

一种有机太阳电池，与实施例1的区别在于以具有如下结构式的液晶替代7CB：该液晶与7CB具有类似的结构，从而有相似的相转变点、介电常数等性能，也就能够取得与7CB相近的效果，抑制电子和空穴的复合，以提升器件的性能。

实施例9

一种有机太阳电池，与实施例4的区别在于以具有如下结构式的液晶替代7CB：

实施例10

一种有机太阳电池，与实施例1的区别在于以具有如下结构式的液晶替代7CB：

显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种有机太阳电池，包括光活性层，其特征在于，所述光活性层包括电子给体材料、电子受体材料和液晶添加剂，所述液晶添加剂为具有以下结构式中的至少一种：

其中，R₁、R₂分别独立选自具有1-5个碳原子的直链或支链烷烃；m、n分别独立选自0-4的整数；当m为2、3、4中的任一种时，2个及以上的R₁可以为相同或不同；当n为2、3、4中的任一种时，2个及以上的R₂可以为相同或不同。

2.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其特征在于，基于所述光活性层的总质量，所述光活性层包括[38-50]％的所述电子给体材料、[45.5-60]％的所述电子受体材料、(0-9]％的所述液晶添加剂。

3.根据权利要求2所述的有机太阳电池，其特征在于，所述液晶添加剂在光活性层中的质量百分比为[2-4]％。

4.根据权利要求1所述的有机太阳电池，其特征在于，所述m、n均为0。

5.根据权利要求1-4任一项所述的有机太阳电池，其特征在于，所述电子给体材料为PCE-10或PBDB-T。

6.根据权利要求1-4任一项所述的有机太阳电池，其特征在于，所述电子受体材料为PC₇₁BM或ITTC。

7.根据权利要求1-4任一项所述的有机太阳电池，其特征在于，还包括阴极缓冲层，所述阴极缓冲层的材料包括TiO_X、LiF、ZnO中的至少一种。

8.根据权利要求1-4任一项所述的有机太阳电池，其特征在于，还包括阳极缓冲层，所述阳极缓冲层的材料包括PEDOT:PSS、MoO₃、V₂O₅、NiO中的至少一种。

9.权利要求1-8任一项所述的有机太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在阴极层表面制备阴极缓冲层，对所述阴极缓冲层进行退火，在所述阴极缓冲层上制备光活性层，在所述光活性层上制备阳极缓冲层，在阳极缓冲层上设置阳极层。