CN112259687A - 一种三元富勒烯有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三元富勒烯有机太阳能电池，属于光伏技术领域。在聚合物给体材料(PTB7‑Th)与富勒烯受体材料(PC71BM)组成的二元富勒烯本体异质结有机太阳能电池的活性层中，加入基于非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'‑D)2A型小分子给体材料(TiC8)，构建了一类高效稳定的具有PTB7‑Th：TiC8：PC71BM活性层的三元富勒烯有机太阳能电池，器件的能量转换效率达到了10.40％，且在氮气气氛中放置4500h后，器件的能量转换效率仍然维持在原来的81％。与二元富勒烯有机太阳能电池相比，该三元富勒烯有机太阳能电池不仅能量转换效率提升了18.3％，而且稳定性也得到了显著提升。

Description

一种三元富勒烯有机太阳能电池
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种包含聚合物给体材料、小分子给体材料与富勒烯受体材料的高效稳定的三元富勒烯有机太阳能电池。
背景技术
富勒烯有机太阳能电池是一类新型光伏电池。相对于传统无机太阳能电池而言，它具有高效、清洁、无污染、重量轻、成本低、制备简单、可卷对卷加工、柔性大面积制备等优点，是一类发展前景好的绿色可再生能源技术，已成为国际新能源领域研究的热点。但富勒烯受体材料吸光能力差，使得激子的产生过程只能依赖于聚合物给体的光激发。为了克服富勒烯受体材料的固有缺陷，拓宽光活性层的光谱吸收，促进电荷的产生和传输，提高富勒烯有机太阳能电池的短路电流密度和能量转换效率，近年，通过引入第三组分，发展了三元共混有机太阳能电池技术，电池的能量转换效率超过了17％，然而，电池的稳定性差。如何发展高效稳定的有机太阳能电池已成为迫在眉睫需要解决的关键问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明通过在聚合物给体材料(PTB7-Th)(制备方法参见：K.Zhang,Z.Hu,F.Huang,Y.Cao,2015,Adv.Mater.27,3607-3613.6)与富勒烯受体材料(PC71BM)组成的二元富勒烯本体异质结有机太阳能电池的活性层中，引入一种基于非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料(TiC8)或(TiC12)(制备方法参见：CN201810407358.4基于噻吩并异苯并吡喃的zigzag型中宽带隙小分子电子给体材料及其应用)，提供了一种由两个给体材料和一个富勒烯受体材料构建的高效稳定的三元共混富勒烯有机太阳能电池。
非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料，不仅能拓宽光活性层的光谱吸收，而且能诱导光活性层形成微结晶，减少晶界缺陷，改善相分离，抑制双分子电荷重组，促进电荷产生和传输，提高载流子迁移率。因此，这种三元共混富勒烯有机太阳能电池不仅具有显著提高的短路电流和能量转换效率，而且具有显著提升的器件稳定性。器件的能量转换效率提升了18.3％，器件在氮气气氛中放置4500h后，器件的能量转换效率仍然维持在原来81％水平。
本发明提供的一种高效稳定三元富勒烯有机太阳能电池构建技术是将非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料(TiC8)作为第三组分，引入到二元富勒烯有机太阳能电池的光活性层，构建高效稳定的三元富勒烯有机太阳能电池。引入的非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料(TiC8)或(TiC12)，不仅可以拓宽光活性层光谱吸收，而且可以诱导光活性层形成微结晶，减少晶界缺陷，改善相分离，抑制双分子电荷重组，促进电荷的产生和传输，最终导致器件的短路电流密度、能量转换效率和稳定性的全面提升。
本发明提供的三元富勒烯有机太阳能电池采用本体异质结正向结构，依次为：衬底层、透明导电阳极、阳极缓冲层、光活性层、阴极缓冲层和金属阴极。
光活性层中，给体材料包含非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料TiC8或TiC12和窄带隙聚合物给体材料PTB7-Th。
受体材料为富勒烯受体材料PC71BM。
光活性层中，TiC8或TiC12，PTB7-Th和PC71BM的重量百分比组成为0.05-0.3:0.7-0.95:1.5。
非对称噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料(TiC8)的分子结构如式1所示：
Figure BDA0002718956660000031
(TiC12)的分子结构如式2所示：
Figure BDA0002718956660000032
聚合物给体材料PTB7-Th的分子结构如式3所示：
Figure BDA0002718956660000033
富勒烯受体材料(PC71BM)的分子结构如式4所示：
Figure BDA0002718956660000041
阳极缓冲层材料为具有空穴传输能力或电子阻挡能力的聚合物(PEDOT:PSS)或金属氧化物(MOO3)，该膜层厚度范围为1～40nm。
阴极缓冲层材料为具有电子传输能力或空穴阻挡能力的聚合物(如PFN、PDINO)、金属氧化物(如ZnO)或金属Ca，该膜层厚度范围为l～20nmo
衬底层材料是以玻璃为基底，氧化铟锡(ITO)为导电阳极。
阴极为低功函金属Al。
本发明提供的高效稳定的三元富勒烯有机太阳能电池优势如下：
1)基于非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料的三元富勒烯有机太阳能电池光电转换效率高，制备工艺简单，成本低，容易加工成型。
2)非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料在三元富勒烯有机太阳能电池中可诱导光活性层形成微结晶，减少晶界缺陷，弥补富勒烯体系稳定性差这一缺陷，极大提高器件的稳定性能。
3)非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料在三元富勒烯有机太阳能电池中可拓宽活性层光谱吸收，改善相分离，抑制双分子电荷重组，促进电荷产生和传输，提高载流子迁移率，提高器件的短路电流，最终提升器件的光电转换性能。
附图说明
图1为本发明高效稳定的三元富勒烯有机太阳能电池器件结构示意图。
图2为实施例2和对比实施例1、对比实施例2所述器件在AM 1.5(强度为l00mW/cm2)照射情况下的电流密度-电压特性曲线图。
图3为实施例2和对比实施例1、对比实施例2所述器件的外量子效率。
图4为实施例2和对比实施例1、对比实施例2所述器件放置在氮气环境中的时间稳定性。
图5为实施例2和对比实施例1、对比实施例2所述器件放置在氮气环境、100℃高温下的热稳定性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
PTB7-Th：TiC8：PC71BM(质量比＝0.7:0.3:1.5)三元富勒烯有机太阳能电池的制备。
将洁净透明的导电阳极ITO紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备PEDOT:PSS(4800rpm，40s，30nm)阳极缓冲层，并进行热退火处理(150℃，15min)；再在阳极缓冲层上旋涂制备PTB7-Th:TiC8:PC71BM光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比为0.7:0.3:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积为0.16cm2。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的Voc＝0.782V，Jsc＝15.63mA/cm2，FF＝74.8％，PCE＝9.14％。
实施例2
PTB7-Th：TiC8：PC71BM(质量比＝0.8:0.2:1.5)三元富勒烯有机太阳能电池的制备。
将洁净透明的导电阳极ITO紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备PEDOT:PSS(4800rpm，30s，30nm)阳极缓冲层，并进行热退火处理(150℃，15min)；再在阳极缓冲层上旋涂PTB7-Th:TiC8:PC71BM光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比为0.8:0.2:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积为0.16cm2。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压Voc＝0.789V，Jsc＝18.2mA/cm2，FF＝72.4％，PCE＝10.40％。
当器件面积为0.06cm2时，在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压Voc＝0.789V，Jsc＝19.4mA/cm2，FF＝72.1％，PCE＝11.12％。
实施例3
PTB7-Th：TiC8：PC71BM(质量比＝0.9:0.1:1.5)三元富勒烯有机太阳能电池的制备。
将洁净透明的导电阳极ITO紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备PEDOT:PSS(4800rpm，40s，30nm)阳极缓冲层，并进行热退火处理(150℃，15min)；再阳极缓冲层上旋涂制备PTB7-Th:TiC8:PC71BM光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比0.9:0.1:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积0.16cm2。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的Voc＝0.785V,Jsc＝17.41mA/cm2，FF＝72.3％，PCE＝9.88％。
实施例4
PTB7-Th:TiC8:PC71BM(质量比＝0.95:0.05:1.5)三元富勒烯有机太阳能电池的制备。
将洁净透明的导电阳极ITO紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备PEDOT:PSS(4800rpm，40s，30nm)阳极缓冲层，并进行热退火处理(150℃，15min)；再在阳极缓冲层上旋涂制备PTB7-Th:TiC8:PC71BM光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比为0.95:0.05:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积为0.16cm2。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的Voc＝0.798V，Jsc＝16.89mA/cm2，FF＝68.3％，PCE＝9.21％。
实施例5
PTB7-Th:TiC12:PC71BM(质量比＝0.8:0.2:1.5)二元富勒烯有机太阳能电池的制备。
将洁净透明的导电阳极氧化铟锡(ITO)紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备聚二已基噻吩聚对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(4800rpm，40s,30nm)，并进行热退火处理(150℃，15min)；再在阳极缓冲层上旋涂制备PTB7-Th:TiC12:PC71BM光活性层(2000rpm,60s,95nm)，质量比为0.8:02:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积为0.06cm2。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(Voc)＝0.790V，短路电流(Jsc)＝17.92mA/cm2，填充因子(FF)＝73.6％，能量转换效率(PCE)＝10.42％。
对比实施例1
PTB7-Th:PC71BM(质量比＝1:1.5)二元富勒烯有机太阳能电池的制备。
将洁净透明的导电阳极氧化铟锡(ITO)紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备聚二已基噻吩聚对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(4800rpm，40s,30nm)，并进行热退火处理(150℃，15min)；再在阳极缓冲层上旋涂制备PTB7-Th:PC71BM光活性层(2000rpm,60s,95nm)，质量比为1:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积为0.16cm2。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(Voc)＝0.793V，短路电流(Jsc)＝16.72mA/cm2，填充因子(FF)＝66.3％，能量转换效率(PCE)＝8.79％。
对比实施例2
TiC8:PC71BM(质量比＝1:1.5)二元富勒烯有机太阳能电池的制备
将洁净透明的导电阳极氧化铟锡(ITO)紫外臭氧处理15min。在其表面旋涂制备聚二已基噻吩聚对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)阳极缓冲层(4800rpm，40s,30nm)，并进行热退火处理(150℃，15min)；再在阳极缓冲层上旋涂制备TiC8:PC71BM光活性层(2000rpm,60s,95nm)，质量比为1:1.5；然后在光活性层上依次蒸镀金属Ca(20nm)和Al(100nm)，器件面积为0.16cm2。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(Voc)＝0.918V，短路电流(Jsc)＝9.13mA/cm2，填充因子(FF)＝54.1％，能量转换效率(PCE)＝4.53％。
图2为对比实施例1，对比实施例2和实施例2中所述器件在AM 1.5(强度为l00 mW/cm2)照射情况下的电流密度一电压特性曲线图，结果显示：在PTB7-Th:PC71BM二元富勒烯有机太阳能电池中，引入非对称的噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料TiC8可提升器件的填充因子和短路电流，以及器件的能量转化效率。并且在PTB7-Th:TiC8:PC71BM比例为0.8:0.2:1.5时，器件的效率最高。
尽管结合了优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，应当理解所附权利要求概括了本发明的范围。在本发明构思的指导下，本领域的技术人员应当意识到，对本发明的各实施例方案所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。

Claims (8)

1.一种三元富勒烯有机太阳能电池，该电池采用传统的本体异质结正向结构，其特征在于，所述三元富勒烯有机太阳能电池结构为：衬底层/透明导电阳极/阳极缓冲层/光活性层/阴极缓冲层/低功函金属阴级；光活性层由窄带隙聚合物给体材料(PTB7-Th)、富勒烯受体材料(PC71BM)和非对称噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料(TiC8)或TiC12组成。
2.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述三元富勒烯有机太阳能电池的光活性层中，(A'-D)2A型小分子给体材料TiC8或TiC12，聚合物给体材料PTB7-Th和富勒烯受体材料PC71BM的重量比为0.05-0.3:0.7-0.95:1.5。
3.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述非对称噻吩并异苯并吡喃的(A'-D)2A型小分子给体材料TiC8的分子结构如式1所示：
Figure FDA0002718956650000011
TiC12的分子结构如式2所示：
Figure FDA0002718956650000012
4.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述聚合物给体材料PTB7-Th的分子结构如式3所示：
Figure FDA0002718956650000021
5.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述富勒烯受体材料(PC71BM)的分子结构如式4所示
Figure FDA0002718956650000022
6.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层为具有空穴传输能力或电子阻挡能力的聚合物(PEDOT:PSS)或金属氧化物(MOO3)，该膜层厚度范围为1～40nm。
7.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层为具有电子传输能力或空穴阻挡能力的聚合物(如PFN、PDINO)、金属氧化物(如ZnO)或金属Ca，该膜层厚度范围为l～20nm。
8.根据权利要求1所述的三元富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，所述衬底层材料是以玻璃为基底，氧化铟锡(ITO)为导电阳极；阴极为低功函金属Al。
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