CN109524549A

CN109524549A - 双功能层全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池

Info

Publication number: CN109524549A
Application number: CN201811300018.8A
Authority: CN
Inventors: 唐骅; 陆仕荣
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2038-11-02
Also published as: CN109524549B

Abstract

本发明提供一种双功能层全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池，该电池从下自上依次包括基底、活性层、空穴传输层、金属电极层。本发明的双功能层单步制备工艺有效简化电池结构，缩短电池制备时间，降低电池制作成本，提升电池效率，解决叠层电池中基于界面相溶及腐蚀的一系列问题，有利于推进未来有机光伏电池的产业化进程，具有无限的商业潜力。

Description

双功能层全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池

技术领域

本发明涉及有机半导体薄膜太阳能电池领域，特别是涉及一种基于全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池及其新型双功能层单步制备方法。

背景技术

通过溶液法制备加工的有机光伏电池是一种极具潜力的新型薄膜光伏电池。由于其原材料成本低廉、轻便、易于实现大面积与柔性化、对环境污染小等优势，有机光伏电池已经成为学术界和产业界的研究热点之一。在最近几年，有机小分子太阳能得到了十分快速的发展，特别是有机小分子与聚合物给体相比具有许多明显的优点，例如结构确定、易提纯、无批次差别等。此外，小分子也避免了链以及链端缺陷，因此发展迅速。如南开大学最先报道了一系列基于BDT为核或者联噻吩为核、同染料为端基的小分子给体材料，光电转化效率首先突破9％；华南理工大学报道了一系列宽吸收的卟啉材料，光电转化效率超过9％；国家纳米中心报道了以双氟代BT为核的小分子材料，光电转化效率超过9％；北京理工大学报道了IDT为核的小分子，光电转化效率也超过9％。虽然有机太阳能电池光电转化效率有了显著提升，但是这些有机小分子太阳能电池大多搭配富勒烯受体。尽管富勒烯受体有着各向同性的电子传输性能以及高电子迁移率，但是由于可见光部分吸收很少，结构修饰等对最低未占据分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO)可调范围窄，富勒烯易扩散和聚集的特性会引起光伏活性层形貌的不稳定，并存在成膜性差等缺陷，严重地限制了光伏效率的进一步提高以及在大面积器件制备中的应用。此外，现有的高效有机小分子太阳能电池均采用正置器件结构，稳定性通常低于倒置器件结构。最后，其相对复杂的叠层结构和较长的制备时间也严重阻碍了有机光伏电池大面积产业化的进程。

有鉴于此，寻求兼具高效能和高经济性的新型有机光伏电池结构具有巨大的科学价值和现实意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双功能层全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池，用于解决现有技术中有机太阳能电池活性层形貌不稳定、成膜性差、叠层机构复杂、制备时间长等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于全小分子非富勒烯体系的有机太阳能电池，从下自上依次包括基底、活性层、空穴传输层、金属电极层。

在本发明的一些实施例中，所述基底包括透明衬底、透明导电电极。

在本发明的一些实施例中，所述透明导电电极的材料选自锡铟氧化物(ITO)、含氟透明导电电极材料(FTO)中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述活性层包含给体和受体，所述给体、受体均为非富勒烯小分子。

在本发明的一些实施例中，所述给体选自DRCN5T。

在本发明的一些实施例中，所述受体选自IDIC-4F。

在本发明的一些实施例中，所述给体与受体的质量比为(7:3)～(6:4)，优选为6:4。

在本发明的一些实施例中，所述活性层还包括电子传输材料。

在本发明的一些实施例中，所述给体和受体总质量与所述电子传输材料的质量之比为20：(0.025～2)，优选为20：(0.025～1)，更优选为20：(0.025～0.4)。

在本发明的一些实施例中，所述电子传输材料选自DPO。

在本发明的一些实施例中，所述活性层的厚度为100～130nm。

在本发明的一些实施例中，所述空穴传输层的厚度为7～10nm，优选为8nm。

在本发明的一些实施例中，所述空穴传输层的材料选自MoO₃。

在本发明的一些实施例中，所述金属电极层的厚度为80～110nm，优选为100nm。

在本发明的一些实施例中，所述金属电极层的材料选自Ag。

本发明第二方面提供上述有机太阳能电池的制备方法，包括：在基底上旋涂活性层，然后退火处理，再在所述活性层上蒸镀空穴传输层，最后在所述空穴传输层上蒸镀金属电极层。

在本发明的一些实施例中，旋涂活性层时，旋涂溶液中给体与受体的总浓度为20mg/ml。

在本发明的一些实施例中，旋涂活性层时，旋涂溶液的溶剂选自氯仿(CF)、氯苯(CB)、邻二氯苯(ODCB)中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，旋涂活性层时，旋涂溶液中电子传输材料的浓度为0.025～2mg/ml。

在本发明的一些实施例中，活性层旋涂结束之后，退火处理温度为120℃～130℃，时间为10min。

如上所述，本发明的一种基于全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池及其新型双功能层单步制备方法，具有以下有益效果：本发明首次将电子传输材料与给体、受体融合为一层，不再单独旋涂传输层，有效简化电池结构，缩短电池制备时间，降低电池制作成本，提升电池效率，并且有效解决叠层电池中基于界面相溶及腐蚀所造成的一系列问题，有利于推进未来有机光伏电池的产业化进程，具有无限的商业潜力。

附图说明

图1显示为全小分子非富勒烯有机太阳能器件结构的演变过程图。

图2显示为本发明实施例中的有机太阳能器件结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明的发明目的在于：针对现有全小分子非富勒烯体系有机太阳能电池器件制备技术，解决制备“ITO电极-界面传输层-活性层”常出现的载流子提取和注入的壁垒，及ITO电极与界面层材料、活性层材料与界面层材料接触不良、互溶等一系列问题，旨在引入一种新型有机薄膜太阳能电池器件制备工艺，将界面层材料掺杂至活性层材料中，取消原有ITO电极上界面层材料的制备，采用一步法同时制备兼具界面层与活性层两种功能层的自组装活性层，有效提升入射至活性层的太阳光透光率，并通过工艺手段(针对不同小分子非富勒烯体系使用热退火、溶剂退火、紫外光照射等方法)使混入活性层材料中的界面层材料自上而下进行自组装，使靠近ITO电极的一边获得较大浓度的界面材料，从而使活性层兼具界面层的功能，进而获得与传统器件相比光电转化率相当或更优的有机太阳能电池。

与传统有机薄膜太阳能电池制备工艺相比，本发明的新型双功能层单步制备法具有巨大的优势，不仅解决现有电池存在的界面缺陷，包括载流子在界面处由于不同材料的能级不匹配造成的载流子注入及提取困难的问题，不同界面层材料由于其各自独特的化学性质而产生的互溶、相互腐蚀等一系列难题，还能减小入射太阳光光程，提升入射光透过率，促进活性层的吸收效率，有效提升有机薄膜太阳能电池性能。此外，活性层由于界面层材料的加入，在原有活性层材料形成的互穿网络结构体系中加入了更多传输路径，使解离后的载流子寻找到一条直通ITO电极的优化路径的几率大大升高，同时界面层的加入也极大缩短了载流子的传输距离，有效降低了载流子的复合概率。非富勒烯受体在可见光及近红外区域吸收强，LUMO/HOMO能级可调范围大，针对不同全小分子非富勒烯材料体系，界面层材料的加入各有不同，但总体保持不破坏活性层材料主体结构的原则。最后，由于此种工艺取消一层界面层的制备，并保持甚至取得更优的光电转化效率，在未来产业化过程中具有无限的商业潜力，有望替代传统有机太阳能器件结构，成为主流的有机太阳能电池。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1～2及对照例、实施例对本发明进行进一步详细说明。本发明旨在提供一种通用的基于全小分子非富勒烯有机太阳能电池的双功能层单步制造工艺，选取倒置器件结构，负极材料选取Indiumtin oxide(ITO)，电子传输材料选取phenyl(2-naphthyl)diphenylphosphine oxide(DPO)，活性层选取DRCN5T为给体和IDIC-4F为受体，空穴传输层选取MoO₃，正极材料选取Ag。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

DRCN5T是从CalOS公司购买得到，Cat.#DSM0101 Lot.B-01，IDIC-4F是从Solarmer上购得。

对照例1

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液、去离子、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在充满氮气的手套箱中旋涂DPO(2000rpm,20s)至ITO电极上制备电子传输层；在DPO电子传输层上采用旋涂的方法制备活性层(按质量计，DRCN5T:IDIC-4F＝6:4，20mg/ml，3000rpm，45s，旋涂液溶剂为氯仿)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表1所示。

表1

实施例1

图1显示为全小分子非富勒烯有机太阳能器件结构的演变过程图，图2显示为有机太阳能器件结构图，该有机太阳能器件从下自上依次包括基底、活性层、空穴传输层、金属电极层。

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在经过臭氧处理过的ITO基板上采用旋涂的方法制备活性层(DRCN5T:IDIC-4F＝6:4,20mg/ml，3000rpm,45s，旋涂液溶剂为氯仿)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表2所示。

表2

实施例2

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液，去离子水，丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在充满氮气的手套箱中上旋涂活性层(DRCN5T:IDIC-4F＝6:4(20mg/ml)+DPO(2mg/ml)，3000rpm，45s，溶剂为氯仿),将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表3所示。

表3

V<sub>oc</sub>(v)	J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>)	FF(％)	PCE(％)
				0.75	11.14	34.10	2.87

实施例3

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液，去离子水，丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在充满氮气的手套箱中上旋涂活性层(DRCN5T:IDIC-4F＝6:4(20mg/ml)+DPO(1mg/ml)，3000rpm，45s，溶剂为氯仿),将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表4所示。

表4

V<sub>oc</sub>(v)	J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>)	FF(％)	PCE(％)
				0.76	14.42	43.86	4.77

实施例4

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液，去离子水，丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在充满氮气的手套箱中上旋涂活性层(DRCN5T:IDIC-4F＝6:4(20mg/ml)+DPO(0.4mg/ml)，3000rpm，45s，溶剂为氯仿),将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表5所示。

表5

V<sub>oc</sub>(v)	J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>)	FF(％)	PCE(％)
				0.76	14.87	45.12	5.09

实施例5

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液，去离子水，丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在充满氮气的手套箱中上旋涂活性层(DRCN5T:IDIC-4F＝6:4(20mg/ml)+DPO(0.05mg/ml)，3000rpm，45s，溶剂为氯仿),将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表6所示。

表6

V<sub>oc</sub>(v)	J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>)	FF(％)	PCE(％)
				0.75	15.23	46.24	5.28

实施例6

对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板分别用清洗液，去离子水，丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将基板放入臭氧清洗机中处理20min后移入手套箱中，在充满氮气的手套箱中上旋涂活性层(DRCN5T:IDIC-4F＝6:4(20mg/ml)+DPO(0.025mg/ml)，3000rpm，45s，溶剂为氯仿),将得到的活性层薄膜在手套箱中进行热退火处理(120℃，10min)；在活性层上蒸镀空穴传输层MoO₃(8nm)，然后在空穴传输层上蒸镀Ag电极(100nm)；在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm²)检测，其结果如表7所示。

表7

V<sub>oc</sub>(v)	J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>)	FF(％)	PCE(％)
				0.70	15.65	52.62	5.73

综上所述，本发明的双功能层单步制备工艺有效简化电池结构，不再单独旋涂电子传输层，缩短电池制备时间，降低电池制作成本，提升电池效率，解决叠层电池中存在界面相溶、腐蚀等一系列问题，有利于推进未来有机光伏电池的产业化进程，具有无限的商业潜力。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于全小分子非富勒烯体系的有机太阳能电池，其特征在于，从下自上依次包括基底、活性层、空穴传输层、金属电极层。

2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述基底包括透明衬底、透明导电电极，优选地，所述透明导电电极的材料选自ITO、FTO中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述活性层包含给体和受体，所述给体、受体均为非富勒烯小分子。

4.根据权利要求3所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述给体选自DRCN5T；

和/或，所述受体选自IDIC-4F。

5.根据权利要求3所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述给体与受体的质量比为(7:3)～(6:4)。

6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述活性层还包括电子传输材料。

7.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述给体和受体总质量与所述电子传输材料的质量之比为20：(0.025～2)，优选为20：(0.025～1)，更优选为20：(0.025～0.4)；

和/或，所述电子传输材料选自DPO。

8.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于：所述活性层的厚度为100～130nm；和/或，所述空穴传输层的厚度为7～10nm；

和/或，所述空穴传输层的材料选自MoO₃；

和/或，所述金属电极层的厚度为80～110nm；

和/或，所述金属电极层的材料选自Ag。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：在基底上旋涂活性层，然后退火处理，再在所述活性层上蒸镀空穴传输层，最后在所述空穴传输层上蒸镀金属电极层。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：旋涂活性层时，旋涂溶液中给体材料与受体材料的总浓度为20mg/ml；

和/或，旋涂活性层时，旋涂溶液的溶剂选自氯仿、氯苯、邻二氯苯中的至少一种；

和/或，旋涂活性层时，旋涂溶液中电子传输材料的浓度为0.025～2mg/ml；

和/或，活性层旋涂结束之后，退火处理温度为120℃～130℃，时间为10min。