CN112885967B - 一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池领域，包括自下而上依次设置的基底、阴极电极、电子传输层、活性层、激子补给层、空穴传输层和阳极电极，活性层为由给体材料和受体材料混合而成的体异质结材料，激子补给层包括延迟荧光材料。制备方法为：先在基底上依次制备阴极电极、电子传输层和活性层，再制得延迟荧光材料的浓度为0.5～2g/L的激子补给层溶液，旋涂于活性层上，经热退火后得到激子补给层；之后制备空穴传输层和阳极电极。本发明利用延迟荧光材料中三重态激子的反向系间窜越，提高活性层中激子的数量和寿命；激子补给层优化活性层界面形貌，促进界面形成良好接触。

Description

一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法。

背景技术

化石能源是当今世界上利用最多的能源，2020年世界能源统计报告指出，化石燃料占全球一次性能源消费的84％，中国在2019年的能源消费增长量占世界增长量的四分之三。但是，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的。但是化石能源在使用过程中会新增大量温室气体，同时产生一些有污染的烟气，威胁全球生态。因此，发展新能源，向多能源结构过渡是解决化石能源威胁生态环境问题的必然趋势。

太阳能作为一种绿色清洁能源，资源丰富且分布广泛，是唯一用之不竭的能量资源。目前，人类对于太阳能的利用主要集中在三个方面：太阳能转化为化学能、太阳能转换为热能以及太阳能转化为电能。其中太阳能转化为电能因其广泛的社会应用价值，被认为是解决能源短缺问题最有前途的方法之一。

有机太阳能电池由于具有材料来源广、成本低、质量轻、制备工艺简单、环境友好、可实现柔性、大面积生产等优点，受到越来越多的科研工作者的关注。有机太阳能电池的工作原理主要分为以下几个步骤：(1)激子的形成：太阳光照射在活性层上，能量大于禁带宽度的光子被活性层吸收，形成激子；(2)激子的扩散与分离：材料中不同位置激子浓度存在差异，激子在材料中扩散，当激子扩散到给体和受体界面时，就会在静电势的作用下分离；激子的分离几率受激子的寿命以及扩散长度的影响；在激子的扩散与分离过程中，会发生激子的复合过程，这一过程会降低器件的光电转换效率；(3)载流子的传输：激子分离成自由电子和空穴后，在内部电场的作用下向两极传输；(4)电子和空穴的收集：电子和空穴传输到电极界面时，分别被正负电极收集。在有机太阳能电池中，活性层材料吸收光子产生的激子为单重态激子，单重态激子的扩散长度通常为5～10nm，会大大提高激子的复合几率。而有机半导体三重态激子的寿命通常比单重态激子的寿命长约6个数量级，因此，引入三重态激子，可以使激子有足够的时间扩散到给受体界面发生解离，提高激子利用率，进而提高器件的性能。

利用有机半导体三重态激子的寿命长这一特性，本发明创新性的提出一种将延迟荧光材料作为活性层激子补给层运用到有机太阳能电池的方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法，解决有机太阳能电池因激子利用率低而存在的器件性能低的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，包括自下而上依次设置的基底、阴极电极、电子传输层、活性层、激子补给层、空穴传输层和阳极电极，所述活性层为由给体材料和受体材料混合而成的体异质结材料，所述激子补给层包括延迟荧光材料。

进一步地，所述延迟荧光材料为APDC-DTPA、2CzPN、4CzIPN或4CzFCN，激子补给层的厚度为5～15nm。

进一步地，所述活性层中的给体材料为PBDB-T、PTB7-Th、PTO2、PM6、PM7或BTR-Cl，受体材料为N2200、IEICO-4F、IT-4F、Y6、BTP-eC9、PC₇₁BM或ITIC。

进一步地，所述体异质结材料中给体材料和受体材料的质量比为0.8～2.2:1，活性层的厚度为70～140nm。

进一步地，所述阴极电极为ITO；电子传输层为ZnO，厚度为20～30nm；空穴传输层为MoO₃，厚度为10nm；阳极电极为Ag、Al、Au或Cu等金属，厚度为100～160nm。

一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在基底上依次制备阴极电极、电子传输层和活性层；

步骤2：将延迟荧光材料溶于溶剂中，充分搅拌后，得到延迟荧光材料的浓度为0.5～2g/L的激子补给层溶液；

步骤3：将步骤3所得激子补给层溶液在氮气环境下旋涂于活性层上，经80～120℃的热退火后，得到激子补给层；

步骤4：在步骤4所得激子补给层上依次制备空穴传输层和阳极电极，最终制得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池。

进一步地，步骤2中溶剂不溶解活性层。

进一步地，步骤3中旋涂的条件为以3000～7000rpm的转速旋涂20～60s。

进一步地，步骤2中延迟荧光材料为APDC-DTPA、2CzPN、4CzIPN或4CzFCN。

进一步地，步骤1中制备活性层的具体步骤如下：

1)将质量比为0.8～2.2:1的给体材料和受体材料溶于溶剂中，充分搅拌后，得到给体材料和受体材料的总浓度为10～25g/L的活性层溶液；

2)将活性层溶液旋涂于电子传输层上，经80～120℃的热退火后，得到活性层。

进一步地，步骤1中活性层中的给体材料为PBDB-T、PTB7-Th、PTO2、PM6、PM7或BTR-Cl，受体材料为N2200、IEICO-4F、IT-4F、Y6、BTP-eC9、PC₇₁BM或ITIC。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及其制备方法，在活性层和空穴传输层之间引入采用延迟荧光材料的激子补给层，延迟荧光材料在吸收光子后，单重态激子系间窜越产生的三重态激子会经历反向系间窜越的过程转化回单重态激子，由于三重态激子转化得到的单重态激子的寿命长于普通的单重态激子，将延迟荧光材料中长寿命单重态激子传递至活性层后，会提高活性层中激子的数量和寿命，使更多的激子扩散到给受体相界面发生解离，提高激子利用率，促进有机太阳能电池的短路电流和填充因子的提升；

2、引入的激子补给层可以优化活性层的界面形貌，促进空穴传输层和活性层界面形成良好接触，减少光生空穴在界面处的损失，提高有机太阳能电池的开路电压。

附图说明

图1为本发明采用的PBDB-T给体材料、N2200受体材料和APDC-DTPA材料的分子结构示意图；

图2为本发明实施例1所得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池的结构图；

图3为本发明实施例1所得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池和对比例所得不含有激子补给层的有机太阳能电池的J-V曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。

实施例1

本实施例提出了一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，如图2所示，包括自下而上依次设置的玻璃基底、ITO阴极电极、ZnO电子传输层、PBDB-T:N2200活性层、APDC-DTPA激子补给层、MoO₃空穴传输层和Ag阳极电极；其中，PBDB-T:N2200活性层为由PBDB-T给体材料、N2200受体材料混合而成的体异质结材料，APDC-DTPA激子补给层采用的是APDC-DTPA，分子式为C₅₂H₃₂N₆；PBDB-T给体材料、N2200受体材料和APDC-DTPA的分子结构如图1所示；

本实施例所得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池中，ZnO电子传输层的厚度为25nm；PBDB-T:N2200活性层的厚度为105nm；APDC-DTPA激子补给层的厚度为10nm；MoO₃空穴传输层的厚度为10nm；Ag阳极电极的厚度为150nm。

本实施例还提出了一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用表面附着ITO的玻璃基片，即ITO导电玻璃，ITO的方阻为15Ω/cm²，先用无水乙醇预超声ITO导电玻璃，再依次用玻璃清洗液、超纯水、无水乙醇、丙酮、无水乙醇进行超声清洗，用氮气枪吹干，之后将吹干后的ITO导电玻璃进行等离子臭氧(U-V)处理30min，得到处理后的ITO导电玻璃；

步骤2：制备ZnO电子传输层：称取110mg的醋酸锌和31mg的乙醇胺，置于溶液瓶中，再加入1mL的二甲氧基乙醇作溶剂，在室温下搅拌10h后，得到ZnO溶液；将ZnO溶液在大气环境下以5000rpm的转速旋涂于处理后的ITO导电玻璃上，旋涂时间为30s，之后将旋涂有ZnO溶液的ITO导电玻璃置于200℃的加热平台上退火1h，制得ZnO电子传输层；

步骤3：制备PBDB-T:N2200活性层：称取4mg的聚合物给体材料PBDB-T和2mg的聚合物受体材料N2200溶于500μL的氯苯溶剂中，在40℃下搅拌12h后，得到PBDB-T:N2200活性层溶液；在氮气环境下以1500rpm的转速将PBDB-T:N2200活性层溶液旋涂于ZnO电子传输层上，旋涂40s，并置于110℃的加热平台上退火10min，制得PBDB-T:N2200活性层；

步骤4：制备APDC-DTPA激子补给层：称取2mg的APDC-DTPA材料溶于2ml的氯仿溶剂中，在室温下搅拌12h后，得到APDC-DTPA激子补给层溶液；在氮气环境下以5000rpm的转速将APDC-DTPA激子补给层溶液旋涂于PBDB-T:N2200活性层上，旋涂40s，并置于110℃的加热平台上退火10min，制得APDC-DTPA激子补给层；

步骤5：制备MoO₃空穴传输层和Ag阳极电极：将依次制备有ZnO电子传输层、PBDB-T:N2200活性层和APDC-DTPA激子补给层的ITO导电玻璃置于有机气相沉积系统的蒸镀仓中，真空抽至5×10^-4Pa以下，先以0.3A/s的速率蒸镀10nm的MoO₃空穴传输层，再以1A/s蒸镀150nm的Ag阳极电极，最终制得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池。

对比例

本对比例提出了一种不含有激子补给层的有机太阳能电池，包括自下而上依次设置的玻璃基底、ITO阴极电极、ZnO电子传输层、PBDB-T:N2200活性层、MoO₃空穴传输层和Ag阳极电极；制备过程与实施例1相比，仅将删去了步骤4，其余步骤不变。

采用光谱分布AM1.5G、光照强度为1000w/m²的Zolix SS150太阳光模拟器作光源，对实施例1所得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池和对比例所得不含有激子补给层的有机太阳能电池进行光电性能测试，通过Keithly2400型数字源表进行测量得出J-V曲线，如图3所示，进而得到光电性能测试参数，见表1：

表1光电性能测试参数

由表1可知，实施例1所得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，相比于对比例所得不含有激子补给层的有机太阳能电池，由于引入了激子补给层，使得开路电压、短路电流、填充因子均得到提升。

Claims (7)

1.一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，包括自下而上依次设置的基底、阴极电极、电子传输层、活性层、激子补给层、空穴传输层和阳极电极，所述活性层为由给体材料和受体材料混合而成的体异质结材料，所述激子补给层包括延迟荧光材料；

所述双层有机太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

步骤1：在基底上依次制备阴极电极、电子传输层和活性层；

步骤2：将延迟荧光材料溶于溶剂中，搅拌后得到延迟荧光材料的浓度为0.5～2g/L的激子补给层溶液；

步骤3：将激子补给层溶液在氮气环境下旋涂于活性层上，经80～120℃的热退火后，得到激子补给层；

步骤4：在激子补给层上依次制备空穴传输层和阳极电极，最终制得基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池。

2.根据权利要求1所述基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，所述延迟荧光材料为APDC-DTPA、2CzPN、4CzIPN或4CzFCN，激子补给层的厚度为5～15nm。

3.根据权利要求1所述基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层中的给体材料为PBDB-T、PTB7-Th、PTO2、PM6、PM7或BTR-Cl，受体材料为N2200、IEICO-4F、IT-4F、Y6、BTP-eC9、PC₇₁BM或ITIC。

4.根据权利要求1所述基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，所述体异质结材料中给体材料和受体材料的质量比为0.8～2.2:1，活性层的厚度为70～140nm。

5.根据权利要求1所述基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，所述阴极电极为ITO；电子传输层为ZnO，厚度为20～30nm；空穴传输层为MoO₃，厚度为10nm；阳极电极为Ag、Al、Au或Cu，厚度为100～160nm。

6.根据权利要求1所述基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤3中旋涂的条件为以3000～7000rpm的转速旋涂20～60s。

7.根据权利要求1所述基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤1中制备活性层的具体步骤如下：

1)将质量比为0.8～2.2:1的给体材料和受体材料溶于溶剂中，搅拌后得到给体材料和受体材料的总浓度为10～25g/L的活性层溶液；

2)将活性层溶液旋涂于电子传输层上，经80～120℃的热退火后，得到活性层。

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