CN109449297B - 一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents

一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109449297B
CN109449297B CN201811357751.3A CN201811357751A CN109449297B CN 109449297 B CN109449297 B CN 109449297B CN 201811357751 A CN201811357751 A CN 201811357751A CN 109449297 B CN109449297 B CN 109449297B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polypropylene
active layer
under
high molecular
ternary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811357751.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109449297A (zh
Inventor
郝晓涛
王桐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Original Assignee
Shandong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University filed Critical Shandong University
Priority to CN201811357751.3A priority Critical patent/CN109449297B/zh
Publication of CN109449297A publication Critical patent/CN109449297A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109449297B publication Critical patent/CN109449297B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/451—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising a metal-semiconductor-metal [m-s-m] structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/16—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering
    • H10K71/164—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering using vacuum deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法，由下至上分别为透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和聚丙烯。本发明在二元活性层中添加聚丙烯，有如下优点：(1)该聚丙烯材料成本低；(2)整个制备工艺简单；(3)该聚丙烯材料的掺杂适用于多个体系，更容易应用于未来商业化的生产；(4)能够在较厚的活性层下实现了高效的有机太阳能电池，为未来的卷对卷生产提供了帮助；(5)有效减小了三元活性层中PC71BM聚集体的尺寸，改善了活性层形貌；(6)增加了较强结晶性给体的结晶性。

Description

一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法，属于有机太阳能电池器件制备技术领域。
背景技术
有机太阳能电池作为一种非常具有潜力的可再生的能源，由于其重量轻，制备过程简单和可制备成柔性器件等众多优点，在过去的几十年中吸引了大量的关注。最近由给体和受体组成的单节有机太阳能电池器件的最高效率已经超过了14％。其中，活性层的厚度是影响有机太阳能电池性能的一个重要的因素，活性层厚度的增加会有利于活性层对光的吸收。但是，在有机材料中，由于吸收光子后所形成的激子的扩散距离较短，较厚的活性层会大大增加激子的复合，从而造成填充因子的大量损失，表现在器件的光电转换效率上，较厚的活性层会严重地降低光电转换效率。因此，有机太阳能电池的器件性能对活性层的厚度会十分敏感。在通常情况下，高效的有机太阳能电池的活性层厚度大约为100nm左右，这种厚度的活性层不仅是对光的高效获取，对未来卷对卷的商业化生产来说是极其不利的。
减弱有机太阳能电池对活性层厚度的敏感性的方法有许多，下面简单介绍三种常见的方式。第一种方法是对活性层进行不同的处理手段，比如说退火处理，倒置退火处理和溶剂蒸汽退火处理，这种方法成本较低，但是会使得加工步骤更加的复杂；第二种方法是在给受体体系中添加第三元材料；第三种方法是添加剂的方法，这种方法可以通过优化活性层的形貌以达到目的。
在有机太阳能电池中，往给受体中掺入第三元材料的方式是加强电池性能对活性层厚度变化容忍性的一个简单而且高效的方式。然而，通常使用的第三元材料是价格较为高昂的聚合物或者小分子材料，并且，很大一部分的三元有机太阳能电池只是在同一活性层厚度下提高了光电转换效率，并不能改变随厚度的增加转换效率减小的趋势。同时，通常来说，一个三元材料只能提高一种体系的光电转换效率，并不一定适合其他的体系。三元有机光伏涉及了较多物理机制，有一些仍然有待讨论。
发明内容
针对目前有机太阳能电池商业化进程中所存在的限制，本发明提供了一个成本更低廉并且制备过程更简单的方法以解决现有的不足，该方法是将聚丙烯作为第三元材料添加到由给受体组成的活性层中，不仅可以改善器件的光电转换效率会随着厚度的增加而剧烈减小的问题，甚至在较厚活性层情况下，三元电池可以达到一个更高的光电转换效率。并在此基础上，研究了在三元混合物中聚丙烯对不同结晶性给体的影响。
本发明选取绝缘聚合物来作为第三元材料。相比于小分子材料或者普遍应用于有机太阳能电池当中的聚合物材料而言，绝缘的树脂材料在价格上更具有优势。而在绝缘树脂材料中，聚丙烯更是一种应用广泛的材料。采取聚丙烯作为第三元的方法，不仅可以降低有机太阳能电池性能对活性层厚度的敏感性，也可以弥补在三元有机太阳能电池中所普遍存在的不足之处，具有很好的应用前景。
本发明还提供了上述有机太阳能电池结构的制备方法；
术语解释：
1、PBDB-T，是一种聚合物给体，分子式是poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)- benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene))-alt-(5,5-(1’,3’-di-2-thienyl-5’,7’-bis(2-ethylhexyl)benzo[1’,2’-c:4’,5’-c’ ]dithiophene-4,8-dione))]，主要作为有机太阳能电池的给体材料。
2、PTB7,是一种聚合物给体，分子式是poly[[4,8-bis[(2ethylhexyl)oxy]-benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno-[3,4b]thiophenediyl]，主要作为有机太阳能电池的给体材料。
3、PC71BM，是一种富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl C71 butyric acidmethyl ester，主要作为有机太阳能电池的受体材料。
本发明的技术方案为：
一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，由下至上分别为透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，所述三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和聚丙烯。
根据本发明优选的，所述高分子聚合物为PTB7或PBDB-T，所述富勒烯衍生物为PC71BM。
当高分子聚合物为PTB7，富勒烯衍生物为PC71BM时，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成拥有较弱结晶性给体的二元富勒烯体系PTB7:PC71BM；当高分子聚合物为PBDB-T，富勒烯衍生物为 PC71BM时，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成拥有较强结晶性给体的二元富勒烯体系 PBDB-T:PC71BM。
在拥有较弱结晶性给体的二元富勒烯体系(PTB7:PC71BM)中掺入第三元的聚丙烯材料，会减小有机光伏中激子的复合，提高了同一厚度下器件的填充因子，并且有利于同一厚度下器件光电转换效率的提高，尤其是在较厚三元有机活性层的情况下(>180nm)，其光电转换效率的增长幅度都在 11％以上，但是，不会因此而改变光电转换效率随厚度增加而减小的趋势。当聚丙烯掺入到拥有较强结晶性给体的二元富勒烯体系(PBDB-T:PC71BM)中后，由于聚丙烯会增强PBDB-T的结晶性，同时会减小PC71BM聚集体的尺寸，所以表现在器件性能方面，三元器件的光电转换效率在 100nm—280nm的范围内会随着厚度的增加而增加，在280nm时达到转换效率的最大值(7.46％)，实现了具有大厚度活性层的高效有机太阳能电池。并在此基础上，研究了聚丙烯对三元混合物中给体的结晶性的影响和对活性层形貌的影响。
根据本发明优选的，所述聚丙烯与所述三元有机活性层的质量比为1-6wt％。
根据本发明优选的，所述聚丙烯与二元富勒烯体系PTB7:PC71BM的质量比为4wt％，所述聚丙烯与二元富勒烯体系PBDB-T:PC71BM的质量比为2wt％，当高分子聚合物为PTB7，富勒烯衍生物为 PC71BM时，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成拥有较弱结晶性给体的二元富勒烯体系PTB7:PC71BM；当高分子聚合物为PBDB-T，富勒烯衍生物为PC71BM时，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成拥有较强结晶性给体的二元富勒烯体系PBDB-T:PC71BM。
根据本发明优选的，所述PTB7、所述PC71BM、所述聚丙烯的质量比为1：1.5：0.1；所述PBDB-T、所述PC71BM、所述聚丙烯的质量比为1：1：0.04。
关于PTB7:PC71BM体系，选择的质量比为1:1.5，这是由于在该条件下，二元器件的光电转换效率是最高的，在该给/受体质量比下，所掺入聚丙烯的质量比选择为4wt％，即给体：受体：聚丙烯＝1:1.5:0.1，这是由于该质量比的聚丙烯掺杂不仅会保持100nm厚度下的三元器件和二元器件性能一致，而且在大厚度(160-350nm)条件下，同一厚度下的4wt％聚丙烯掺杂后的三元器件的光电转换效率是所有掺杂质量比中最高的。
对于PBDB-T:PC71BM体系所选质量比为1:1，也是由于该条件下的二元器件的光电转换效率最高，以质量比为给体：受体：聚丙烯＝1:1:0.04作为掺杂聚丙烯的条件，即在该体系中聚丙烯的掺杂质量比为2wt％，这是由于该质量比的聚丙烯掺杂不仅会保持100nm厚度下的三元器件性能和二元器件一致，而且在大厚度(160-350nm)条件下，同一厚度下的2wt％聚丙烯掺杂后的三元器件的光电转换效率是所有掺杂质量比中最高的。
根据本发明优选的，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃；所述电子传输层为氧化锌(ZnO)；所述空穴传输层为三氧化钼(MoO3)；所述金属电极为Ag电极。
上述有机太阳能电池结构的制备方法，包括：
(1)在透明导电衬底上旋涂电子传输层；
(2)制备三元有机活性层，包括：将给体材料高分子聚合物、受体材料富勒烯衍生物、溶解于高纯氯苯溶剂(浓度为30-40mg/ml)中的聚丙烯混合后，溶解于高纯氯苯溶剂中，并在30-50℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；将充分溶解的溶液和旋涂有电子传输层的透明导电衬底移入惰性气体(N2)氛围中，将充分溶解的溶液旋涂在电子传输层上；
(3)在三元有机活性层上蒸镀空穴传输层；
(4)在空穴传输层上蒸镀金属电极。
进一步优选的，所述步骤(2)中，在40℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液。
根据本发明优选的，所述步骤(2)，制备三元有机活性层，包括：
a、用高精度电子天平称量高分子聚合物(Solarmer，>99％)10.0-20.0mg、富勒烯衍生物 (Solarmer，>99％)10.0-30.0mg、聚丙烯(sigma Aldrich，Mw≈12000，Mn≈5000)10.0-20.0mg；
b、将高分子聚合物、富勒烯衍生物倒入一号样品瓶中，在惰性气体(N2)氛围下，往一号样品瓶中加入900-1800ul高纯氯苯，放置到磁力加热搅拌器上在40-60℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解好的溶液；将聚丙烯倒入二号样品瓶中，并在惰性气体(N2)氛围下，往二号样品瓶中加入1-2ml高纯氯苯，之后将其放置在磁力加热搅拌器上在100-120℃的温度条件下加热搅拌至少1h，得到充分溶解好的溶液；
c、在惰性气体(N2)氛围下，从二号样品瓶中取100-200ul溶液和30-60ulDIO加入到一号样品瓶中；放置到磁力加热搅拌器上在30-50℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；
d、在惰性气体(N2)氛围下，使用旋涂仪将步骤c得到的充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm的三元有机活性层。
e、置于加热台上，在氮气的保护下，在90-140℃的温度条件下，退火处理5-15min。
进一步优选的，所述步骤(2)，制备三元有机活性层，包括：
a、用高精度电子天平称量高分子聚合物(Solarmer,>99％)10.0mg、富勒烯衍生物10mg、聚丙烯 (sigma Aldrich,Mw≈12000,Mn≈5000)10mg；
b、将高分子聚合物、富勒烯衍生物倒入一号样品瓶中，在惰性气体(N2)氛围下，往一号样品瓶中加入900ul高纯氯苯，放置到磁力加热搅拌器上在40℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解好的溶液；将聚丙烯倒入二号样品瓶中，并在惰性气体(N2)氛围下，往二号样品瓶中加入1ml高纯氯苯，之后将其放置在磁力加热搅拌器上在110℃的温度条件下加热搅拌至少1h，得到充分溶解好的溶液；
c、在惰性气体(N2)氛围下，从二号样品瓶中取100ul溶液和30ulDIO加入到一号样品瓶中；放置到磁力加热搅拌器上在40℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；
d、在惰性气体(N2)氛围下，使用旋涂仪将步骤c得到的充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm的三元有机活性层。
e、置于加热台上，在氮气的保护下，在120℃的温度条件下，退火处理10min。
对于三元有机活性层的制备，其优势在于过程简单，只需要将三种材料在同一溶剂下进行简单的共混即可；其次，可制备成柔性器件，用于各种不同的用途；再者，制备后的器件的质量较轻；并且适合卷对卷的生产方式。
本发明的有益效果为：
与当前器件制备技术相比，本发明在二元活性层中添加聚丙烯，有如下优点：(1)该聚丙烯材料成本低，可以有效地减小制作成本；(2)整个制备工艺简单，只需要做一个简单的第三元掺杂； (3)该聚丙烯材料的掺杂适用于多个体系，更容易应用于未来商业化的生产；(4)解决了器件光电转换效率随活性层厚度增加而剧烈减小的问题，能够在较厚的活性层下实现了高效的有机太阳能电池，为未来的卷对卷生产提供了帮助；(5)聚丙烯的添加有效减小了三元活性层中PC71BM聚集体的尺寸，改善了活性层形貌；(6)聚丙烯虽然不会在结晶性上对较弱结晶性给体产生影响，但是会增加较强结晶性给体的结晶性。
附图说明
图1为本发明有机太阳能电池结构示意图；
图2为实施例4中在PTB7:PC71BM的180nm三元有机活性层中掺入4wt％聚丙烯后的二维 GIWAXS示意图；
图3为实施例4中在PTB7:PC71BM的180nm三元有机活性层的二维GIWAXS示意图；
图4为实施例4中在PTB7:PC71BM的100nm三元有机活性层中掺入4wt％聚丙烯后的二维 GISAXS示意图；
图5为实施例4中在PTB7:PC71BM的100nm三元有机活性层的二维GISAXS示意图；
图6为实施例5中在PBDB-T:PC71BM的280nm三元有机活性层中掺入2wt％聚丙烯后的二维 GIWAXS示意图；
图7为实施例5中在PBDB-T:PC71BM的280nm三元有机活性层的二维GIWAXS示意图；
图8为实施例5中在PBDB-T:PC71BM的100nm三元有机活性层中掺入2wt％聚丙烯后的二维 GISAXS示意图；
图9为实施例5中在PBDB-T:PC71BM的100nm三元有机活性层的二维GISAXS示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，由下至上分别为透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和聚丙烯。
在两个二元体系中添加了聚丙烯后，解决了器件光电转换效率随活性层厚度增加而剧烈减小的问题，能够在较厚的活性层下实现了高效的有机太阳能电池，为未来的卷对卷生产提供了帮助。
实施例2
根据实施例1所述一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，其区别在于，如图1 所示，透明导电衬底为ITO导电玻璃；电子传输层为氧化锌(ZnO)；空穴传输层为三氧化钼(MoO3)；金属电极为Ag电极。
高分子聚合物为PTB7，富勒烯衍生物为PC71BM。高分子聚合物、富勒烯衍生物形成拥有较弱结晶性给体的二元富勒烯体系PTB7:PC71BM；聚丙烯与二元富勒烯体系PTB7:PC71BM的质量比为4 wt％。
在PTB7:PC71BM体系中掺入聚丙烯材料，提高了同一厚度下器件光电转换效率，尤其是在较厚活性层的情况下，其光电转换效率的增长幅度都在11％以上，但是不会因此而改变光电转换效率随厚度增加而减小的趋势。
实施例3
根据实施例2所述一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，其区别在于，
高分子聚合物为PBDB-T，富勒烯衍生物为PC71BM，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成拥有较强结晶性给体的二元富勒烯体系PBDB-T:PC71BM。聚丙烯与二元富勒烯体系PBDB-T:PC71BM的质量比为2wt％。
当聚丙烯掺入到PBDB-T:PC71BM体系中后，其光电转换效率会随着厚度的增加而增加，最终在280nm厚的活性层下达到最大值(7.46％)，在进一步增加厚度时，器件的光电转换效率开始下降，因此，实现了具有较厚活性层的高效有机太阳能电池。
实施例4
实施例2所述一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构的制备方法，包括：
(1)清洗透明导电衬底：将ITO导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇分别超声清洗20min，用工业氮气吹干，然后对ITO导电玻璃进行紫外臭氧处理15min；
(2)制备电子传输层：在空气中，使用旋涂仪，在ITO导电玻璃上旋涂一层厚度约为20nm 的氧化锌前驱体；然后，将旋涂了氧化锌前驱体的ITO导电玻璃放置到加热板上，在200℃的条件下退火60min；紧接着将旋涂了氧化锌前驱体的ITO导电玻璃传入氮气手套箱内，等待使用；
(3)制备三元有机活性层：用高精度电子天平称量PTB7(Solarmer,>99％)10.0mg、用于拥有较弱结晶性给体体系的PC71BM(Solarmer,>99％)15mg、聚丙烯(sigma Aldrich,Mw≈12000,Mn≈5000)10mg；之后，将称好的用于PTB7:PC71BM体系的PTB7和PC71BM倒入一号样品瓶中，在惰性气体(N2)氛围下，往一号样品瓶中加入900ul高纯氯苯，随后将一号样品瓶放置到磁力加热搅拌器上在40℃的条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解好的溶液；将聚丙烯倒入二号样品瓶中，并在惰性气体(N2)氛围下往其中加入1mL高纯氯苯，之后将其放置在磁力加热搅拌器上在110℃的条件下加热搅拌至少1h，得到充分溶解好的溶液；然后，在惰性气体(N2)氛围下，从二样品瓶中取100ul溶液和30ulDIO加入到一号样品瓶中。随后将一号样品瓶放置到磁力加热搅拌器上在 40℃的条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；最后，在惰性气体(N2)氛围下，使用旋涂仪将充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm 的三元有机活性层。
(4)制备空穴传输层：在2.0×10-6Torr的真空度下，蒸镀7.5nm的MoO3。
(5)制备金属电极：在2.0×10-6Torr的真空度下，蒸镀100nm的Ag，即得；
在AAA太阳光模拟器下，对本实施例制备的器件效率进行测试，光谱分布为AM1.5G，光照强度为1000毫瓦/平方厘米，测试结果见表1；
本实施例中在PTB7:PC71BM中掺入4wt％聚丙烯后的100nm有机活性层的二维GIWAXS和 GISAXS示意图分别参见图2和图3。
实施例5
实施例3所述一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构的制备方法，包括：
(1)清洗透明导电衬底：将ITO导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇分别超声清洗20min，用工业氮气吹干，然后对ITO导电玻璃进行紫外臭氧处理15min；
(2)制备电子传输层：在空气中，使用旋涂仪，在ITO导电玻璃上旋涂一层厚度约为20nm 的氧化锌前驱体；然后，将旋涂了氧化锌前驱体的ITO导电玻璃放置到加热板上，在200℃的条件下退火60min；紧接着将旋涂了氧化锌前驱体的ITO导电玻璃传入氮气手套箱内，等待使用；
(3)制备三元有机活性层：用高精度电子天平称量PBDB-T(Solarmer,>99％)10mg、用于拥有较强结晶性给体体系的PC71BM(Solarmer,>99％)10mg、聚丙烯(sigma Aldrich,Mw≈12000,Mn≈ 5000)10mg；之后，将用于PBDB-T:PC71BM体系的PBDB-T和PC71BM倒入一号样品瓶中，在惰性气体(N2)氛围下，往一号样品瓶中加入960ul高纯氯苯，随后将一号样品瓶放置到磁力加热搅拌器上在40℃的条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解好的溶液；将聚丙烯倒入二号样品瓶中，并在惰性气体(N2)氛围下往其中加入1mL高纯氯苯，之后将其放置在磁力加热搅拌器上在110℃的条件下加热搅拌至少1h，得到充分溶解好的溶液；然后，在惰性气体(N2)氛围下，从二号样品瓶中取40ul溶液和30ulDIO加入到一号样品瓶中，随后将一号样品瓶放置到磁力加热搅拌器上在40℃的条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；最后，在惰性气体(N2)氛围下，使用旋涂仪将充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm 的三元有机活性层，再将旋有掺杂聚丙烯的PBDB-T:PC71BM活性层的ITO导电玻璃置于加热台上，在氮气的保护下进行120℃，10min的退火处理。
(4)制备空穴传输层：在2.0×10-6Torr的真空度下，蒸镀7.5nm的MoO3。
(5)制备金属电极：在2.0×10-6Torr的真空度下，蒸镀100nm的Ag，即得；
在AAA太阳光模拟器下，对本实施例制备的器件效率进行测试，光谱分布为AM1.5G，光照强度为1000毫瓦/平方厘米，测试结果见表1；
本实施例中在PBDB-T:PC71BM中掺入2wt％聚丙烯后的100nm有机活性层的二维GIWAXS和 GISAXS示意图分别参见图6和图7；
对比例1
根据实施例4所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其区别在于：
步骤(3)中，制备两种不同的二元有机活性层：用高精度电子天平称量 PTB7(Solarmer,>99％)10.0mg、用于拥有较弱结晶性给体体系(PTB7:PC71BM)的 PC71BM(Solarmer,>99％)15mg；之后，将称好的用于PTB7:PC71BM体系的PTB7和PC71BM倒入一号样品瓶中，在惰性气体(N2)氛围下，往一号样品瓶中加入1mL高纯氯苯和30ulDIO，随后将一号放置到磁力加热搅拌器上在40℃的条件下加热搅拌至少12h，得到充分溶解好的溶液；最后，在惰性气体(N2)氛围下，使用旋涂仪将充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/ 分钟，得到厚度为100-350nm的二元有机活性层，再将旋涂有PBDB-T:PC71BM活性层的ITO导电玻璃置于加热台上，在氮气的保护下进行120℃，10min的退火处理。
在AAA太阳光模拟器下，对本对比例制备的器件效率进行测试，测试结果见表1；
表1
通过对比表1中的数据可以看出，在基于不同体系的100nm有机活性层中加入适量的聚丙烯后，器件的光电转换效率并没有明显的改变；在PTB7:PC71BM体系中，随着厚度的增加，掺杂聚丙烯的三元有机光伏的填充因子和光电转换效率在同一厚度下有所提升，其中光电转换效率的提升都在 11％以上，但是，随着厚度的增加而导致光电转换效率减小的趋势没有改变。
本对比例中PTB7:PC71BM的100nm二元有机活性层的二维GIWAXS和GISAXS示意图分别参见图4和图5；
通过对比图2和图3，可以看出，对较弱结晶性的PTB7给体来说，聚丙烯的掺入并没有明显地改变其结晶性；对比图4和图5，可以看出，掺入了适量聚丙烯的100nm三元有机活性层的PC71BM 的聚集体尺寸相比于100nm二元有机活性层来说有一个明显的减小。
对比例2
根据实施例5所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其区别在于：
步骤(3)中，制备二元有机活性层：用高精度电子天平称量PBDB-T(Solarmer,>99％)10mg、用于拥有较强结晶性给体体系(PBDB-T:PC71BM)的PC71BM(Solarmer,>99％)10mg；之后，将称好的用于PBDB-T:PC71BM体系的PBDB-T和PC71BM倒入一号样品瓶中，在惰性气体(N2)氛围下，往一号样品瓶中加入1mL高纯氯苯和30ulDIO，随后将二号样品瓶放置到磁力加热搅拌器上在40℃的条件下加热搅拌至少12h，得到充分溶解好的溶液；最后，在惰性气体(N2)氛围下，使用旋涂仪将充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm的二元有机活性层，再将旋涂有PBDB-T:PC71BM活性层的ITO导电玻璃置于加热台上，在氮气的保护下进行120℃，10min的退火处理。
在AAA太阳光模拟器下，对本对比例制备的器件效率进行测试，测试结果见表2；
表2
通过对比表2中的数据可以看出，在基于不同体系的100nm有机活性层中加入适量的聚丙烯后，器件的光电转换效率并没有明显的改变；对于PBDB-T:PC71BM体系，掺入适量的聚丙烯有利于同一厚度下填充因子的提高，与PTB7:PC71BM体系不同的是，其光电转换效率会随着厚度的增加而增加，最终在280nm时达到最大值(7.46％)，实现了大厚度活性层下的高效有机太阳能电池。
本对比例中在PBDB-T:PC71BM的100nm有机活性层的二维GIWAXS和GISAXS示意图分别参见图8和图9；
对比图6和图7可知，PBDB-T作为一种拥有较强结晶性的给体，聚丙烯的掺入明显提升了其结晶性。这也是随着厚度的增长，两种不同体系展现出来的不同的光电转换效率变化趋势的原因。对比图4和图5，以及图8和图9，可以看出，掺入了适量聚丙烯的100nm三元有机活性层的PC71BM 的聚集体尺寸相比于100nm二元有机活性层来说有一个明显的减小。图2-图9中，qxy是指Q空间中水平方向上的坐标，qz是指Q空间中垂直方向上的坐标。

Claims (8)

1.一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，其特征在于，由下至上分别为透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，所述三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和聚丙烯；
所述高分子聚合物为PTB7或PBDB-T，所述富勒烯衍生物为PC71BM；
所述PTB7、所述PC71BM、所述聚丙烯的质量比为1：1.5：0.1；所述PBDB-T、所述PC71BM、所述聚丙烯的质量比为1：1：0.04。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述聚丙烯与所述三元有机活性层的质量比为1-6wt％。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述聚丙烯与二元富勒烯体系PTB7:PC71BM的质量比为4wt％，所述聚丙烯与二元富勒烯体系PBDB-T:PC71BM的质量比为2wt％，当高分子聚合物为PTB7，富勒烯衍生物为PC71BM时，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成二元富勒烯体系PTB7:PC71BM；当高分子聚合物为PBDB-T，富勒烯衍生物为PC71BM时，高分子聚合物、富勒烯衍生物形成二元富勒烯体系PBDB-T:PC71BM。
4.根据权利要求1所述的一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃；所述电子传输层为氧化锌；所述空穴传输层为三氧化钼；所述金属电极为Ag电极。
5.权利要求1-4任一所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在透明导电衬底上旋涂电子传输层；
(2)制备三元有机活性层，包括：将给体材料高分子聚合物、受体材料富勒烯衍生物、溶解于高纯氯苯溶剂中的聚丙烯混合后，溶解于高纯氯苯溶剂中，并在30-50℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；将充分溶解的溶液和旋涂有电子传输层的透明导电衬底移入惰性气体氛围中，将充分溶解的溶液旋涂在电子传输层上；
(3)在三元有机活性层上蒸镀空穴传输层；
(4)在空穴传输层上蒸镀金属电极。
6.根据权利要求5所述的所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在40℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液。
7.根据权利要求5所述的所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)，制备三元有机活性层，包括：
a、称量高分子聚合物10.0-20.0mg、富勒烯衍生物10.0-30.0mg、聚丙烯10.0-20.0mg；
b、将高分子聚合物、富勒烯衍生物倒入一号样品瓶中，在惰性气体氛围下，往一号样品瓶中加入900-1800ul高纯氯苯，在40-60℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解好的溶液；将聚丙烯倒入二号样品瓶中，并在惰性气体氛围下，往二号样品瓶中加入1-2ml高纯氯苯，在100-120℃的温度条件下加热搅拌至少1h，得到充分溶解好的溶液；
c、在惰性气体氛围下，从二号样品瓶中取100-200ul溶液和30-60ulDIO加入到一号样品瓶中；在30-50℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；
d、在惰性气体氛围下，使用旋涂仪将步骤c得到的充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm的三元有机活性层；
e、置于加热台上，在氮气的保护下，在90-140℃的温度条件下，退火处理5-15min。
8.根据权利要求5所述的所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)，制备三元有机活性层，包括：
a、称量高分子聚合物10.0mg、富勒烯衍生物10mg、聚丙烯10mg；
b、将高分子聚合物、富勒烯衍生物倒入一号样品瓶中，在惰性气体氛围下，往一号样品瓶中加入900ul高纯氯苯，在40℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解好的溶液；将聚丙烯倒入二号样品瓶中，并在惰性气体氛围下，往二号样品瓶中加入1ml高纯氯苯，在110℃的温度条件下加热搅拌至少1h，得到充分溶解好的溶液；
c、在惰性气体氛围下，从二号样品瓶中取100ul溶液和30ulDIO加入到一号样品瓶中；在40℃的温度条件下加热搅拌至少7h，得到充分溶解的溶液；
d、在惰性气体氛围下，使用旋涂仪将步骤c得到的充分溶解好的溶液旋涂在电子传输层上，转速为400-2100转/分钟，得到厚度为100-350nm的三元有机活性层；
e、置于加热台上，在氮气的保护下，在120℃的温度条件下，退火处理10min。
CN201811357751.3A 2018-11-15 2018-11-15 一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法 Active CN109449297B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811357751.3A CN109449297B (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811357751.3A CN109449297B (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109449297A CN109449297A (zh) 2019-03-08
CN109449297B true CN109449297B (zh) 2019-08-09

Family

ID=65553520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811357751.3A Active CN109449297B (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109449297B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109935702A (zh) * 2019-03-13 2019-06-25 太原理工大学 一种太阳能电池板的制备方法
CN112014909A (zh) * 2020-08-05 2020-12-01 山东大学 一种基于一维光子晶体的室内有机太阳能电池显色性调控装置及应用
CN112259687A (zh) * 2020-10-12 2021-01-22 常州大学 一种三元富勒烯有机太阳能电池
CN112420932B (zh) * 2020-11-19 2023-07-04 山东大学 一种适用于室内热光源照明环境下光电转换的有机光伏器件及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102945925A (zh) * 2012-12-13 2013-02-27 河北大学 提高有机太阳能电池光电转换效率的方法
WO2015042609A1 (en) * 2013-09-23 2015-03-26 The Regents Of The University Of California Multiple donor/acceptor bulk heterojunction solar cells
CN105140404A (zh) * 2015-07-21 2015-12-09 南京邮电大学 一种体异质结有机薄膜太阳能电池及其制备方法
CN106206954A (zh) * 2016-07-28 2016-12-07 太原理工大学 一种倒置体异质结有机太阳能电池
CN106410040A (zh) * 2016-11-16 2017-02-15 太原理工大学 一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池及其制作方法
CN106410041A (zh) * 2016-11-16 2017-02-15 电子科技大学 聚合物太阳能电池及制备方法
CN108365098A (zh) * 2018-01-10 2018-08-03 浙江大学 一种高效率的三元有机太阳电池

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102945925A (zh) * 2012-12-13 2013-02-27 河北大学 提高有机太阳能电池光电转换效率的方法
WO2015042609A1 (en) * 2013-09-23 2015-03-26 The Regents Of The University Of California Multiple donor/acceptor bulk heterojunction solar cells
CN105140404A (zh) * 2015-07-21 2015-12-09 南京邮电大学 一种体异质结有机薄膜太阳能电池及其制备方法
CN106206954A (zh) * 2016-07-28 2016-12-07 太原理工大学 一种倒置体异质结有机太阳能电池
CN106410040A (zh) * 2016-11-16 2017-02-15 太原理工大学 一种掺入金属纳米颗粒的正置体异质结有机太阳能电池及其制作方法
CN106410041A (zh) * 2016-11-16 2017-02-15 电子科技大学 聚合物太阳能电池及制备方法
CN108365098A (zh) * 2018-01-10 2018-08-03 浙江大学 一种高效率的三元有机太阳电池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Organic Semiconductor: Insulator Polymer Ternary Blends for Photovoltaics;Toby A. M. Ferenczi等;《Advanced Materials》;20110915;第25卷(第35期);第4093-4097页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109449297A (zh) 2019-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109449297B (zh) 一种基于聚丙烯作为第三元的有机太阳能电池结构及其制备方法
Yan et al. Hole‐transporting materials in inverted planar perovskite solar cells
CN105789444B (zh) 一种基于真空蒸发镀膜法的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN105765753B (zh) 反向聚合物太阳能电池及制造其的方法
CN104124295A (zh) 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
Zhen et al. An ethanolamine-functionalized fullerene as an efficient electron transport layer for high-efficiency inverted polymer solar cells
CN106549105B (zh) 一种共轭富勒烯/石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法
CN106256029B (zh) 有机太阳能电池及其制造方法
CN107359243B (zh) 一种三元共混有机聚合物太阳能电池器件
CN109860399B (zh) 一种自密性钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN108288674A (zh) 三元有机太阳能电池的制备方法
KR20200004769A (ko) 광안정성이 강화된 이중층 형태의 전하수송층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조방법
CN110235263A (zh) 具有倒置结构的聚合物光伏电池及其制备工艺
CN103311440A (zh) 一种用于有机太阳能电池空穴传输层的层状半导体材料及其制备方法
CN105810831A (zh) 一种铅锡混合钙钛矿薄膜、其制备方法及应用
CN109786555A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN107611262B (zh) 一种柔性介电薄膜及由其制备的有机场效应晶体管
CN110400880B (zh) 有机自由基及其衍生物在光伏器件中的应用
CN108550699A (zh) 一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构及其制备方法
CN107425121A (zh) 钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法
CN106025078A (zh) 一种新型平面异质结钙钛矿光伏电池及其制备方法
CN101835709A (zh) 能够进行湿式工序的多功能金属氧化物溶液、其制造方法、以及使用它的有机太阳电池
CN110392939A (zh) 基于温度依赖性聚集的共轭聚合物的高效有机太阳能电池的顺序加工制造工艺
CN107742673A (zh) 电子传输层及其制备方法、钙钛矿电池及其制备方法
CN114023886B (zh) 一种硫化铅量子点/聚合物杂化太阳能电池及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant