CN111430545A - 一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池及其制备方法，涉及有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，本发明包括从下到上依次层叠设置的衬底层、透明导电阴极ITO、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层和金属阳极；光活性层的重量百分比组成为：电子给体39‑39.5％，电子受体57‑60％，虾青素0.5‑4％；本发明在光活性层中加入虾青素，虾青素作为一种断链抗氧化剂，具有极强的抗氧化能力，拥有淬灭单线态氧和捕捉自由基的能力，降低光活性层中陷阱态密度，提高电荷在光活性层中的载流子迁移率，从而提升了器件的光电转换性能和寿命。具有光电转换性能高、寿命长、制备工艺简单、制程短、成本低的优点。

Description

一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，更具体的是涉及一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
伴随着经济快速的发展，能源的需求越来越大，当今世界经济和政治的动荡不安多半是伴随着能源的争夺而产生的。太阳能作为新型清洁能源，取之不尽，用之不竭，分布广泛。根据材料的不同，太阳能电池主要分为两类，有机太阳能电池和无极太阳能电池，近年来，有机太阳能电池因为其独有的一些优势受到了广大研究人员的关注。而这其中，有机薄膜太阳能电池又因其器件制备工艺简单，还有材料易合成和分子化学结构容易修饰的优点，得到了快速的发展。
近年来，有机薄膜太阳能电池的效率不断提升，问题也随之而来，如何解决其寿命问题，如何降低光活性层中缺陷态密度，提升载流子迁移率，这些问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于：如何延长太阳能电池寿命、如何降低光活性层中缺陷态密度、如何提升载流子迁移率的技术问题，本发明提供一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池及其制备方法，虾青素拥有淬灭单线态氧和捕捉自由基的能力，能够降低光活性层中陷阱态密度，提高电荷在光活性层中的载流子迁移率，从而提升了器件的光电转换性能和寿命。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，该太阳能电池采用反型结构，包括从下到上依次层叠设置的衬底层、透明导电阴极ITO、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层和金属阳极；光活性层4为PTB7:PC71BM:虾青素光活性层；
进一步地，所述光活性层中，电子给体材料为PTB7。
进一步地，所述光活性层中，电子受体材料为PC71BM。
进一步地，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2中的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1-20nm。
进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15-50nm。
进一步地，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100-300nm。
进一步地，所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、由透明衬底层1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2、在经过步骤1处理的透明导电阴极ITO 2表面旋转涂覆ZnO制备阴极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火；
步骤3、在阴极缓冲层3上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素光活性层4；
步骤4、在光活性层4表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层5；
步骤5、在阳极缓冲层5上蒸镀金属阳极6。
光活性层4的重量百分比组成为：电子给体39-39.5％、电子受体57-60％和虾青素0.5-4％。
本发明的有益效果如下：
1、本发明结构简单，通过掺入虾青素添加剂到有机太阳能电池的光活性层，虾青素分子结构中的共轭双键链，及共轭双键链末端的不饱和酮基和羟基，能吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而清除自由基，降低了光活性层中的缺陷态密度，从而使光活性层中载流子迁移率得到了提升，提升了器件的性能和寿命。
2、基于虾青素添加剂的有机太阳能电池光电转换性能高、寿命长、制备工艺简单、制程短、成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明所采用的电子给体材料PTB7、电子给体材料PC71BM、虾青素添加剂的分子结构示意图；
图3为实施例1和对比例中所述器件在AM 1.5强度为100mW/cm2照射下的电流密度-电压特性曲线图；
图4为实施例1和对比例中所述器件d的归一化能量转换效率-时间特性曲线图；
附图标记：1-衬底层，2-透明导电阴极ITO，3-阴极缓冲层，4-光活性层，5-阳极缓冲层，6-金属阳极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1所示，本实施例提供一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，包括从下到上依次层叠的衬底层1、透明导电阴极ITO2、阴极缓冲层3、光活性层4、阳极缓冲层5和金属阳极6；光活性层4的重量百分比组成为：电子给体39-39.5％、电子受体57-60％和虾青素0.5-4％。
所述阴极缓冲层3的材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2中的一种或多种，阴极缓冲层3厚度范围为1-20nm。
所述光活性层4中，电子给体材料为PTB7。
所述光活性层4中，电子受体材料为PC71BM。
所述阳极缓冲层5材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15-50nm。
所述金属阳极6的材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100-300nm。
所述衬底层1的材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
实施例1：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素(39％:60％:1％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.74V，短路电流(JSC)＝14.8mA/cm2，填充因子(FF)＝0.52，光电转换效率(PCE)＝6.04％。30天后，测得其PCE为5.51％。
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阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素(39.5％:59％:1.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.72V，短路电流(JSC)＝15.6mA/cm2，填充因子(FF)＝0.60，光电转换效率(PCE)＝6.73％。30天后，测得其PCE为5.58％。
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阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素(39.5％:60％:0.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.70V，短路电流(JSC)＝15.2mA/cm2，填充因子(FF)＝0.67，光电转换效率(PCE)＝7.16％。30天后，测得其PCE为5.72％。
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阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素(39.5％:60％:0.5％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.73V，短路电流(JSC)＝14.2mA/cm2，填充因子(FF)＝0.64，光电转换效率(PCE)＝6.70％。30天后，测得其PCE为5.46％。
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阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素(39％:57％:4％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.75V，短路电流(JSC)＝14.9mA/cm2，填充因子(FF)＝0.52，光电转换效率(PCE)＝6.50％。30天后，测得其PCE为5.20％。
对照例
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC71BM(40％:60％)光活性层(1200rpm,50s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s,30nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下(AM1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.71V，短路电流(JSC)＝10.6mA/cm2，填充因子(FF)＝0.52，光电转换效率(PCE)＝4.09％。30天后，测得其PCE为2.39％。

Claims (9)

1.一种基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，包括从下到上依次层叠的衬底层1、透明导电阴极ITO 2、阴极缓冲层3、光活性层4、阳极缓冲层5和金属阳极6，光活性层4为PTB7:PC71BM:虾青素光活性层。
2.根据权利要求1所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层3的材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2中的一种或多种，阴极缓冲层3厚度范围为1-20nm。
3.根据权利要求1所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，所述光活性层4中，电子给体材料为PTB7。
4.根据权利要求1所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，所述光活性层4中，电子受体材料为PC71BM。
5.根据权利要求1所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层5材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15-50nm。
6.根据权利要求1所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极6的材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100-300nm。
7.根据权利要求1所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池，其特征在于，所述衬底层1的材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、由透明衬底层1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2、在经过步骤1处理的透明导电阴极ITO 2表面旋转涂覆ZnO制备阴极缓冲层3，并将所形成的薄膜进行热退火；
步骤3、在阴极缓冲层3上采用旋涂制备PTB7:PC71BM:虾青素光活性层4；
步骤4、在光活性层4表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层5；
步骤5、在阳极缓冲层5上蒸镀金属阳极6。
9.根据权利要求8所述的基于虾青素添加剂的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，光活性层4的重量百分比组成为：电子给体39-39.5％、电子受体57-60％和虾青素0.5-4％。
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