CN109378388A - 高效三元有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

高效三元有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

高效三元有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池领域，本发明的高效三元有机太阳能电池，其特征在于，包括顺序设置的ITO玻璃、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极，所述活性层的材料中含有CAS号为52372‑39‑1的染料小分子苏丹红。本发明器件性能相比原有二元电池有了很大幅度的提升，开路电压、短路电流、填充因子均有提升，其中填充因子的提升最为明显。

Description

高效三元有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种染料小分子苏丹红首次作为活性层给体材料的三元有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在经济和科技高速发展的今天，人们对能源的需求量越来越大。面对化石能源的日趋减少和其消耗所带来的环境污染问题，人们在开发和利用新型能源的同时，对其绿色环保性和可持续性也更加关注。因此，有机太阳能电池(OSC)作为具有竞争力的可再生能源近年来备受关注，由于具有成本低，重量轻，柔韧性好，半透明等优点。太阳能电池是通过光伏效应直接把光能转化成电能的器件，是一种有效地开发和利用太阳能的手段。有机光伏器件的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，有机半导体材料吸收光子，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。针对其工作原理，为了使有机半导体更多的吸收光子产生激子，同时使激子能更好的分离被电极收取，有机光伏的器件结构不断被改进，从最初的单层肖特基结构到平面异质结结构，再到经典的体异质结结构，以及在体异质结结构基础上发展起来的叠层结构，每一次有机太阳能电池结构方面的革新对其性能的提升都有巨大的推动作用。对于有机光伏材料，经过数十年的发展更是数不胜数，从小分子到聚合物的给体材料，从富勒烯到非富勒烯的受体材料。但由于富勒烯受体在可见光区域的吸收较弱且能量水平可调性有限，非富勒烯受体已成为富勒烯受体的有吸引力的替代品。目前，已经开发出一些高性能非富勒烯受体，其中，ITIC显示出较好的性能。然而，当ITIC与聚合物给体PTB7-Th结合时，它们的低短路电流密度阻碍了其提高功率转换效率的能力，因此提高有机太阳能电池的效率以期达到商业应用是现阶段国内外研究的主要目标。从而三元有机太阳能电池被人们广泛应用和研究，三元有机太阳能电池是通过在传统的二元体系中引入第三组分(给体或受体)，从而提高有源层对光子的俘获。通过甄选材料，调节材料间的比例，优化有源层的吸收和相分离能够在提高器件短路电流的同时提高填充因子。本文就是重点介绍基于苏丹红的三元有机太阳能电池，将其应用于基于PTB7-th：ITIC的二元体系构成三元有机电池时，器件效率有很大的提升，希望能对有机太阳能电池活性层的优化具有一定的借鉴意义和参考价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较高效率的三元有机太阳能电池及其制备方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高效三元有机太阳能电池，包括顺序设置的ITO玻璃、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极，所述活性层的材料中含有染料小分子苏丹红。
所述活性层材料包括给体材料和受体材料；
所述给体材料包括PTB7-th与染料小分子苏丹红，给体材料中染料小分子苏丹红所占质量比为5％～20％；受体材料为ITIC。
本发明的高效三元有机太阳能电池的制备方法，包括下述步骤：
步骤1:活性层材料配置
以PTB7-th与CAS号为52372-39-1的染料小分子苏丹红的混合物作为给体材料，给体材料中染料小分子苏丹红所占质量比为5％～20％；
ITIC作为受体材料，将给体材料和ITIC作为溶质，溶于溶剂CB中，形成浓度为20～30mg/ml的溶液，按重量比例，给体材料:受体材料为1:1～1:5；
步骤2：配置ZnO溶液；
步骤3：清洗ITO导电玻璃；
步骤4：在ITO导电玻璃上旋涂ZnO溶液，形成电子传输层；
步骤5：在电子传输层上旋涂活性层溶液，形成活性层；
步骤6：在活性层上蒸镀空穴传输层材料MoO3，形成空穴传输层；
步骤7：在空穴传输层上蒸镀阴极电极材料Ag。
进一步的，所述步骤1中，给体材料中染料小分子苏丹红所占质量比为5％～
20％；溶液浓度为25mg/ml，给体材料:受体材料为1:1.3。
本发明将染料小分子苏丹红SR197加入PTB7-th：ITIC体系中构成三元有机太阳能电池。作为加入传统二元有机太阳能电池的第三种材料，需要满足的基本条件是能级要与原有二元体系的给受体材料相匹配，吸收要互补。苏丹红在氯苯、邻二氯苯、氯仿等常规溶剂中有很好的溶解性，很适合用于旋涂法制备工艺。加入上述小分子能促进原有二元体系材料的纤维状结晶，改善活性层形貌，能很好的增加激子分离，减少单分子、双分子符合，所以能大程度的提升器件的电流及填充因子。
与本发明相匹配的器件结构为倒置结构(如图3)。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(ITO/PEDOT:PSS/活性层/LIF/Al)，正置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低功函的阴极电极。针对传统器件结构的缺点,本发明采用倒置结构，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PTB7-th，ITIC以及苏丹红SR197的分子结构图。
图2为基于不同掺杂比的苏丹红(0％，10％，20％)的器件J-V曲线图。
图3为本发明中所采用的倒置结构的有机太阳能电池结构图。
图4为本发明中有机太阳能电池的制备过程图。
具体实施方式
本发明涉及的染料小分子苏丹红结构如下
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1三元器件制备
本实施例中提供基于PTB7-th：小分子苏丹红(SR197)：ITIC三元体系的倒置小分子太阳能电池，其结构如图3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。PTB7-th：小分子(SR197)：ITIC三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.ITIC为受体材料，PTB7-th与染料小分子苏丹红两者同时为给体材料，给体受体材料重量比例为b1：c1，由三者共同构成的总浓度为a1mg/ml(即ITIC、PTB7-th与染料小分子苏丹红的质量之和作为溶剂的质量)；溶剂为CB，a1为20～30优选25，b1:c1为1:1～1:1.5优选1:1.3；
b.将已经称取好的三份含有不同小分子重量比例(0％，a％，b％)的给体材料各2mg分别和2.6mgITIC溶于184ul溶剂中，配置三瓶含不同小分子重量占比的活性层溶液(混合总浓度为25mg/ml)；其中a为1～6优选5，b为6～12优选10，c为12～22优选20。
c.将混合溶剂在室温下搅拌48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a rpm，旋涂时间b秒，然后将片子放在加热平台上退火1小时，退火温度为c度,a为2000～6000优选5000，b为20～60优选30，c为180～250优选200。
(5)、将步骤(4)退火后的氧化锌上旋涂活性层，将步骤(1)所得活性层材料用arpm的旋涂速度，a为1500～3500，优选2500。
(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，阴极电极材料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。
器件制备过程如图4所示
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：
可以看出由于苏丹红SR197的加入，器件性能相比原有二元电池有了很大幅度的提升，开路电压、短路电流、填充因子均有提升，其中填充因子的提升最为明显。小分子占比为10％时三元器件效果最好，与之对应的J-V曲线如图2所示。但随着小分子含量的进一步增加，器件效率开始衰减。

Claims (4)

1.高效三元有机太阳能电池，其特征在于，包括顺序设置的ITO玻璃、电子传输层、活性层、空穴传输层和阳极，所述活性层的材料中含有CAS号为52372-39-1的染料小分子苏丹红。
2.如权利要求1所述的高效三元有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层材料包括给体材料和受体材料；
所述给体材料包括PTB7-th与染料小分子苏丹红，给体材料中染料小分子苏丹红所占质量比为5％～20％；
受体材料为ITIC。
3.高效三元有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1:活性层材料配置
以PTB7-th与CAS号为52372-39-1的染料小分子苏丹红的混合物作为给体材料，给体材料中染料小分子苏丹红所占质量比为5％～20％；
ITIC作为受体材料，将给体材料和ITIC作为溶质，溶于溶剂CB中，形成浓度为20～30mg/ml的溶液，按重量比例，给体材料:受体材料为1:1～1:5；
步骤2：配置ZnO溶液；
步骤3：清洗ITO导电玻璃；
步骤4：在ITO导电玻璃上旋涂ZnO溶液，形成电子传输层；
步骤5：在电子传输层上旋涂活性层溶液，形成活性层；
步骤6：在活性层上蒸镀空穴传输层材料MoO3，形成空穴传输层；
步骤7：在空穴传输层上蒸镀阴极电极材料Ag。
4.如权利要求3所述的高效三元有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，给体材料中染料小分子苏丹红所占质量比为5％～20％；溶液浓度为25mg/ml，给体材料:受体材料为1:1.3。
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