CN109585658A - 一种高效率的基于聚（3-己基噻吩）的有机太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率的基于聚(3‑己基噻吩)的有机太阳电池，它包括衬底、阴极、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极，其中活性层为电子给体和电子受体的共混膜，电子给体是聚(3‑己基噻吩)(P3HT)，电子受体是非富勒烯受体DFPCBR。利用中心单元大的π共轭体系和强的给电子性，DFPCBR具有高的HOMO能级和LUMO能级，与P3HT的能级形成良好的匹配，抑制了能量损失，使太阳电池具有较高的开路电压。同时，DFPCBR的分子内电荷转移作用(ICT)增强，缩小了带隙，拓宽了吸收光谱。因此，本发明制备的有机太阳电池获得了较高的能量转换效率(PCE)，最高为5.34％。同时，本发明制备的有机太阳电池在活性层较厚的情况下依然能保持较高的PCE，有利于今后的实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池。
背景技术
聚(3-己基噻吩)，简称P3HT，是早期有机太阳电池最广泛使用和研究最为深入的电子给体，合成简单，成本低，而且能适应大面积印刷工艺，因此基于P3HT的有机太阳电池具有良好的商业化应用前景。但是，由于P3HT能级的较高，最高占有分子轨道(HOMO)能级和最低未占有分子轨道(LUMO)能级分别为-4.76eV和-2.74eV，而当初与P3HT匹配的富勒烯电子受体如PC61BM的LUMO能级很低(-3.91eV)，造成很大的能量损失，导致相应的太阳电池的开路电压(VOC)较低(～0.6V)。另外，P3HT的带隙较宽(～2.0eV)，只能吸收波长低于650nm的太阳光，同时富勒烯受体的吸光也普遍较弱，使电池对太阳光的吸收利用不足，短路电流密度(JSC)较小(～10mA/cm2)。这些都限制了基于P3HT和PC61BM的有机太阳电池的能量转换效率(PCE)的提高，PCE最高为4％左右(Nature Materials,2005,4,864–868)。因此，近年来，研究人员致力于设计合成能级易调、在长波长区域有良好吸收的非富勒烯受体，来与P3HT匹配制备太阳电池。
例如，浙江大学施敏敏等人以螺芴为中心单元，四边接上吡咯并吡咯二酮(DPP)，并以苯基封端，合成了非富勒烯受体SF(DPPB)4。SF(DPPB)4的高能级(HOMO＝-5.26eV，LUMO＝-3.51eV)使其与P3HT共混制备的有机太阳电池的VOC高达1.14V，尽管JSC偏小(8.29mA/cm2)，PCE仍最高达到5.16％(Energy&Environmental Science,2016,9,604–610)。北京大学的占肖卫等人以引达省并二噻吩(IDT)为中心单元，两边与吸电子性的苯并噻二唑和罗丹宁单元相连，合成出了新型非富勒烯受体IDT-2BR。IDT-2BR的HOMO为-5.52eV，LUMO为-3.30eV，与P3HT形成了较好的能级匹配，制备的有机太阳电池VOC达到了0.84V。但由于IDT-2BR的吸收带边仅为736nm，电池的JSC较小(8.91mA/cm2)，PCE最高为5.12％(Energy&Environmental Science,2015,8,3215–3221)。英国的Holliday等人将IDT-2BR的IDT中心单元上的苯基侧链改为正辛基侧链，合成了新型非富勒烯受体O-IDTBR，有效增强了分子间的π-π堆积，拓宽了分子的吸光范围，吸收带边达到800nm左右，同时也提高了载流子迁移率，使电池的JSC大幅提高至13.9mA/cm2，PCE最高为6.4％。但由于O-IDTBR的LUMO能级较低(-3.88eV)，电池的VOC最高仅为0.72V(Nature Communications,2016,7,11585)。
以上非富勒烯受体都没有同时解决能级较低和吸光范围窄两大问题。另外，以上受体均使用稠环基团为中心单元，合成困难，成本高，不利于今后有机太阳电池的大面积推广应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种材料容易合成的、能有效拓宽吸光范围和提高开路电压的、高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池。
高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池包括衬底、阴极、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极，所述的活性层为电子给体和电子受体的共混膜。
所述的电子给体为聚(3-己基噻吩)，简称P3HT；电子受体为DFPCBR，化学结构式为：
所述的活性层中P3HT与DFPCBR的重量比为0.8:1～1.75:1，活性层的厚度为80～400nm。
所述的活性层经过退火处理，退火温度为80～200℃，退火时间为5～30min。
所述的衬底为玻璃；所述的阴极为ITO；所述的阴极修饰层为ZnO和PFN；所述的阳极修饰层为MoO3；所述的阳极为Ag。
本发明的优点在于采用DFPCBR作为有机太阳电池的电子受体。DFPCBR的中心单元是二氟苯与两个环戊双噻吩基团通过单键相连，利用苯环上氟原子与噻吩环上氢原子的氢键作用，就可以达到全稠环体系IDT良好分子平面性的效果。由于采用了结构简单的廉价化学原料，以及不须经过闭环反应，因此DFPCBR容易合成、成本低。另外，DFPCBR的中心单元π共轭体系大，给电子能力强，可以有效地提高分子的LUMO能级，有利于提高太阳电池的VOC。同时，中心单元强的给电子能力可以增强分子内的电荷转移(ICT)作用，缩小分子带隙，增强在长波长区域的吸光能力。因此，以DFPCBR为电子受体，以P3HT为给体的有机太阳电池，同时获得了较高的VOC(0.80V)和JSC(10.39mA/cm2)，最高PCE达到5.34％。此外，本发明中的电池效率对活性层的膜厚不敏感，当活性层膜厚增加到320nm时，器件仍能保持最高效率的～78％，这对今后的实际应用具有非常重要的意义。
附图说明
图1电子给体和受体的吸收光谱。P3HT在薄膜状态下、DFPCBR在氯仿溶液中和薄膜状态下的吸收光谱。
图2有机太阳电池在光照下的电流-电压曲线。两电池的活性层厚度均为120nm，对于未经退火的电池(as-cast)，活性层中P3HT与DFPCBR的重量比为1.5:1，对于经过退火的电池(annealed)，活性层中P3HT与DFPCBR的重量比为1.5:1，且经过10min的120℃退火处理。
图3有机太阳电池在光照下的外量子效率(EQE)曲线。两电池的活性层厚度均为120nm，对于未经退火的电池(as-cast)，活性层中P3HT与DFPCBR的重量比为1.5:1，对于经过退火的电池(annealed)，活性层中P3HT与DFPCBR的重量比为1.5:1，且经过10min的120℃退火处理。
具体实施方式
实施例1
DFPCBR是由化合物1经过三步反应制得，合成路线如下所示：
其中，化合物1根据中国专利201710409496.1公开的方法合成，DFPCBR具体的合成方法为：
在氩气保护下，在-78℃条件下，向化合物1(1.5g，1.63mmol)的30mL四氢呋喃(THF)溶液中，逐滴缓慢加入正丁基锂(n-BuLi)溶液(2mL，2.4M，4.8mmol)。将混合物在-78℃条件下搅拌2小时，然后加入三甲基氯化锡溶液(9.6mL，1M，9.6mmol)。将混合物缓慢升至室温并搅拌过夜。再向混合物中加入30mL去离子水，然后将混合物用二氯甲烷(DCM)萃取。将合并的有机相用水洗涤三次，用无水MgSO4干燥，旋蒸除去溶剂，得到化合物2(橙色油状物，1.6g，80％)。粗产物无需进一步纯化直接用于下一步反应。
将上一步制得的化合物2(1.4g，1.13mmol)、7-溴苯并[c][1,2,5]噻二唑-4-甲醛(687mg，2.83mL)，N,N'-二甲基甲酰胺(DMF，3mL)溶于30mL甲苯中。在氩气保护下，将四-(三苯基膦)钯(100mg，0.084mmol)快速加入到溶液中，在110℃下回流24小时，冷却至室温后，用DCM萃取，将合并的有机相用水洗涤三次，用无水MgSO4干燥，旋蒸除去溶剂，将粗产物通过硅胶柱色谱法纯化，用DCM作为洗脱剂，得到化合物3(深紫色固体，1.2g，85％)。
在氩气保护下，向化合物3(1.1g，0.89mmol)和3-乙基罗丹宁(1.43g，8.9mmol)在30mL氯仿(CHCl3)的溶液中缓慢加入哌啶(0.1mL)。将混合物在65℃下搅拌12小时，然后倒入甲醇中。沉淀滤出后，通过硅胶柱色谱法纯化，用DCM作为洗脱剂，得到终产物DFPCBR(深紫色固体，855mg，63％)。
用循环伏安(CV)方法测得DFPCBR的LUMO能级为-3.59eV，HOMO能级为-5.12eV，相应的电化学带隙为1.53eV，与P3HT形成很好的能级匹配。
用吸收光谱测得DFPCBR在CHCl3溶液中，吸收峰位于647nm处；薄膜状态下，DFPCBR的吸收峰位于689nm处，吸收带边为782nm，光学带隙为1.59eV。
图1给出了P3HT在薄膜状态下和DFPCBR在氯仿溶液中及薄膜状态下的吸收光谱。可以看出，P3HT和DFPCBR的吸收互补，有利于增强相应太阳电池的光吸收，提高JSC。
实施例2
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为0.8:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行110℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.63V，短路电流密度为9.68mA/cm2，填充因子为46.50％，能量转换效率为2.79％。
实施例3
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行110℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.66V，短路电流密度为9.06mA/cm2，填充因子为48.55％，能量转换效率为2.86％。
实施例4
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.25:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行110℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.70V，短路电流密度为8.91mA/cm2，填充因子为54.87％，能量转换效率为3.39％。
实施例5
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行110℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.81V，短路电流密度为9.50mA/cm2，填充因子为61.50％，能量转换效率为4.78％。
实施例6
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.75:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行110℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.70V，短路电流密度为8.66mA/cm2，填充因子为52.65％，能量转换效率为3.24％。
实施例7
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行120℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.80V，短路电流密度为10.39mA/cm2，填充因子为64.39％，能量转换效率为5.34％。
图2给出了该电池在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。
图2说明，电池的活性层经过退火后，短路电流密度和填充因子都较未退火电池有了明显提高，光电转化效率大幅提高。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的外量子效率(EQE)曲线，如图3所示，电池经退火后，EQE值大幅提高。
实施例8
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为13mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层100nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行120℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.79V，短路电流密度为9.77mA/cm2，填充因子为60.48％，能量转换效率为4.80％。
实施例9
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1100rpm的转速，旋涂60秒，得到一层180nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行120℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.79V，短路电流密度为9.46mA/cm2，填充因子为63.48％，能量转换效率为4.87％。
实施例10
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以800rpm的转速，旋涂60秒，得到一层240nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行120℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.78V，短路电流密度为9.40mA/cm2，填充因子为61.39％，能量转换效率为4.56％。
实施例11
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为30mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1000rpm的转速，旋涂60秒，得到一层320nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行120℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.78V，短路电流密度为9.50mA/cm2，填充因子为54.57％，能量转换效率为4.14％。
实施例12
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为30mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以800rpm的转速，旋涂60秒，得到一层400nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行120℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.78V，短路电流密度为7.95mA/cm2，填充因子为56.02％，能量转换效率为3.53％。
实施例13
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行80℃退火处理10min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.81V，短路电流密度为8.63mA/cm2，填充因子为50.32％，能量转换效率为3.62％。
实施例14
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行80℃退火处理15min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.78V，短路电流密度为9.74mA/cm2，填充因子为57.43％，能量转换效率为4.41％。
实施例15
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR氯苯溶液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行80℃退火处理30min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.76V，短路电流密度为8.94mA/cm2，填充因子为55.38％，能量转换效率为3.78％。
实施例16
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR混合液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行150℃退火处理5min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.75V，短路电流密度为8.47mA/cm2，填充因子为51.56％，能量转换效率为3.29％。
实施例17
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR混合液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。紧接着，对活性层进行200℃退火处理5min。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.71V，短路电流密度为6.34mA/cm2，填充因子为40.37％，能量转换效率为1.83％。
对比实施例1
将表面刻蚀有条状ITO(阴极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层ZnO，转速为3500rpm，旋涂时间为60秒，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将PFN的甲醇溶液(0.4mg/mL)以3000rpm的转速，旋涂30s。再将重量比为1.5:1、总浓度为20mg/mL的P3HT:DFPCBR混合液，以1300rpm的转速，旋涂60秒，得到一层120nm厚的活性层。最后，用蒸镀仪分别蒸镀一层10nm厚的MoO3界面层和100nm厚的Ag电极(阳极)，从而得到一个有效面积为6mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.83V，短路电流密度为3.65mA/cm2，填充因子为38.72％，能量转换效率为1.21％。
图2给出了该电池在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流-电压曲线。
图2说明，电池的活性层经过退火后，短路电流密度和填充因子都较未退火器件有了明显提高，能量转换效率大幅提高。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该电池的外量子效率(EQE)曲线，如图3所示，电池经退火后，EQE值大幅提高。
Claims (5)
1.一种高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池，包括衬底、阴极、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极，其特征在于，所述的活性层为电子给体和电子受体的共混膜。
2.根据权利要求1所述的一种高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池，其特征在于，所述的电子给体为聚(3-己基噻吩)，简称P3HT；电子受体为DFPCBR，化学结构式为：
3.根据权利要求1所述的一种高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池，所述的活性层中P3HT与DFPCBR的重量比为0.8:1～1.75:1，活性层的厚度为80～400nm。
4.根据权利要求1所述的一种高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池，其特征在于，所述的活性层经过退火处理，退火温度为80～200℃，退火时间为5～30min。
5.根据权利要求1所述的一种高效率的基于聚(3-己基噻吩)的有机太阳电池，所述的衬底为玻璃；所述的阴极为ITO；所述的阴极修饰层为ZnO和PFN；所述的阳极修饰层为MoO3；所述的阳极为Ag。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| NING WANG等: "A non-fullerene acceptor enables efficient P3HT-based organic solar cells with small voltage loss and thickness insensitivity", 《CHINESE CHEMICAL LETTERS》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110690349A (zh) * | 2019-10-09 | 2020-01-14 | 浙江大学 | 一种基于非富勒烯受体合金的高效三元有机太阳电池 |
Also Published As
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|---|---|
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