CN113594369B - 一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机太阳能电池活性层及其制备方法和应用，具体涉及一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层及其制备方法和应用，属于有机光伏器件领域。在有机太阳能电池活性层中添加少量的硼Lewis酸，对活性层中的有机半导体材料起到掺杂效果，提升了载流子浓度和迁移率，减少共混薄膜中的缺陷，减弱电荷复合，增强短路电流和填充因子，并保持开路电压不衰减，提升器件的能量转换效率。

Description

一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层及其制备方法和应用。
背景技术
有机太阳能电池是一种以有机半导体材料作为光活性层，将太阳光能转换为电能的器件。若能将这种器件推广应用，将是解决能源与环境危机的重要途径之一。有机太阳能电池具有质量轻、加工工艺简单、柔性可折叠等优点，不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。但是，与当前成熟的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池的光电转换效率还是偏低。需进一步提高其光电转换效率，才能加快其产业化进程。
有机太阳能电池的效率是由短路电流、填充因子和开路电压三个参数共同决定。活性层是影响有机太阳能电池效率的重要组分。活性层材料的选择及加工工艺的优化从根本上决定了器件效率。目前，在电子给体、电子受体共混物中添加第三组分是一种提高器件性能的有效工艺。目前，1,8-二碘辛烷和氯萘是两种最常用的添加剂。通过添加这类高沸点溶剂，减缓活性层溶剂挥发过程，可以改善器件形貌，从而提高器件性能。然而，这两种添加剂通常无法同时提高短路电流、填充因子和开路电压。往往一个参数提高伴随着另一个参数降低，使得效率增长幅度有限。此外，这种添加加工溶剂的工艺，添加剂比例较高，通常为主溶剂体积的1％左右。这类高沸点溶剂容易残留在活性层中，在器件使用过程中，缓慢挥发，影响器件使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服目前现有技术有机太阳能电池活性层存在的不足之处，采用微量的固态硼Lewis酸作为添加剂，提供一种有机太阳能电池活性层及其制备方法，可同时提高短路电路和填充因子，并保持开路电压不衰减，从而有效提高光伏器件性能，解决背景技术中存在的问题。
本发明的技术方案之一在于提供了一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，所述的活性层包括电子给体、电子受体和硼Lewis酸，所述的硼Lewis酸为均三氟苯基硼，分子结构为：
Figure GDA0004206439520000021
所述的电子给体和电子受体的质量比例为1:1-1.5；所述的硼Lewis酸与电子给体、电子受体总质量比为1:10000-1000。
在本发明一较佳实施例中，所述的电子给体为主链骨架含有以下结构单元的共轭聚合物：
Figure GDA0004206439520000022
式中，m为0-10的整数，x为0-20的整数，y为1-20的整数。
在本发明一较佳实施例中，所述的电子受体为以下非富勒烯小分子受体中的一种：
Figure GDA0004206439520000031
在本发明一较佳实施例中，所述的活性层厚度为80-200nm。
本发明的技术方案之二在于提供了一种含有用硼Lewis酸掺杂的活性层的有机太阳能电池。
在本发明一较佳实施例中,所述的有机太阳能电池为夹心式的正装或倒装结构中的一种，自下而上包括阳极导电层、阳极修饰层、活性层、电子传输层和金属阴极。
在本发明一较佳实施例中,所述的阳极导电层材料为氧化铟锡(ITO)，厚度为10-20nm；所述的阳极修饰层材料为聚二氧乙基噻吩-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)，厚度为10-30nm；所述电子传输层材料为钙或氟化锂，厚度为1-10nm；所述的金属阴极材料为铝，厚度为80-100nm。
本发明的技术方案之三在于提供了一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)超声清洗附着有ITO导电层的基底，然后在烘箱中干燥，再经臭氧等离子体表面处理3-7min；
(2)将PEDOT：PSS溶液旋涂于步骤(1)处理过的ITO导电层表面，旋涂转速为3000-5000rpm，旋涂时间20-40s，然后在130-170℃退火处理20-40min得到厚度为10-30nm的阳极修饰层；
(3)将电子给体与电子受体溶解于有机溶剂中，然后加入均三氟苯基硼，形成掺杂共混溶液；
(4)将上述共混溶液在40-60℃搅拌10-14h，以1000-3000rpm的转速，旋转涂膜附着在步骤(2)得到的阳极修饰层上；再在140～160℃温度下，退火处理5～30min，即可得到硼Lewis酸掺杂的活性层。
在本发明一较佳实施例中,所述的溶剂为氯仿和氯苯中的一种。
在本发明一较佳实施例中,所述的电子给体和电子受体在溶剂中的总浓度为15-20mg/mL。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用均三氟苯基硼对骨架含芳香氮聚合物给体的掺杂作用，显著提高载流子密度和迁移率，减少活性层中的缺陷，可同时提高短路电流和填充因子，并保持开路电压不衰减，从而提高有机太阳能电池的性能。
2.本发明掺杂剂用量少，添加电子给体、电子受体总质量的1/10000的比例即可实现性能提升，具有经济、环保的优点。
附图说明
图1为实施例1中电子给体P1、电子受体Y6和不同比例添加剂均三氟苯基硼制备的器件I-V曲线图；
图2为实施例2中电子给体P2、电子受体Y6和不同比例添加剂均三氟苯基硼制备的器件I-V曲线图；
图3为实施例3中电子给体P3、电子受体ITIC和不同比例添加剂均三氟苯基硼制备的器件I-V曲线图；
图4为实施例4中电子给体P4、电子受体IT-4F和不同比例添加剂均三氟苯基硼制备的器件I-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楚明白，下面将通过实施例对本发明的内容进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
下面结合具体的实施例和附图对本发明技术方案作进一步详细说明。
实施例1
一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，包括电子给体P1、电子受体Y6和硼Lewis酸。
具体制备方法如下：
(1)将附着有ITO导电层的玻璃基底依次用洗洁精水、去离子水、丙酮、异丙醇各超声15min，然后在80℃烘箱中干燥，再进行臭氧等离子体表面处理5min；
(2)将PEDOT：PSS溶液旋涂于处理过的上述ITO导电层表面，其中旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s，然后在150℃退火处理30min形成阳极修饰层，阳极修饰层厚度为10～20nm；将电子给体与电子受体按照1:1.2的质量比溶解于氯仿或氯苯中，然后分别添加电子给体与电子受体总重量0.00％，0.02％，0.05％和0.10％的均三氟苯基硼，形成四种共混溶液；所用的电子给体P1和电子受体Y6及添加剂均三氟苯基硼的分子结构如下：
Figure GDA0004206439520000061
(3)将上述四种共混溶液以2000rpm的转速分别旋涂于ITO/PEDOT：PSS阳极修饰层表面，150℃热退火10min，即可得到四种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层。
实施例2
一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，包括电子给体P2、电子受体Y6和硼Lewis酸。
本实施例中，电子给体材料P2和电子受体Y6质量比为1:1.2，均三氟苯基硼添加量为电子给体和电子受体总重量的0.00％，0.02％，0.05％和0.10％；所用的电子给体P2和电子受体Y6及添加剂均三氟苯基硼的分子结构如下：
Figure GDA0004206439520000062
按照实施例1的制备方法制得四种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层。
实施例3
一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，包括电子给体P3、电子受体ITIC和硼Lewis酸。
本实施例中，电子给体材料P3和电子受体ITIC质量比为1:1，均三氟苯基硼添加量为电子给体和电子受体总重量的0.00％，0.02％，0.05％和0.10％；所用的电子给体P3和电子受体ITIC及添加剂均三氟苯基硼的分子结构如下：
Figure GDA0004206439520000071
按照实施例1的制备方法制得四种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层。
实施例4
一种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，包括电子给体P4、电子受体IT-4F和硼Lewis酸。
本实施例中，电子给体材料P4和电子受体IT-4F质量比为1:1.5，均三氟苯基硼添加量为
电子给体
和电子受体总重量的0.00％，0.02％，0.05％和0.10％的均三氟苯基硼；所用的电子给体P4和电子受体IT-4F及添加剂均三氟苯基硼的分子结构如下：
Figure GDA0004206439520000072
按照实施例1的制备方法制得四种用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层。
实施例5
一种有机太阳能电池，含有实施例1中的活性层，太阳能电池的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P1:Y6:均三氟苯基硼/Ca/Al；具体制备方法是在活性层表面依次真空蒸镀10nm厚度的Ca和80nm厚度的Al，制成用硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池。
在一个太阳光强(AM1.5,100mW/cm2)的标准测试条件下，测试得到器件在不同均三氟苯基硼掺杂量的光伏性能，如表1所示。
表1.基于P1:Y6活性层在不同均三氟苯基硼掺杂量下的光伏性能
Figure GDA0004206439520000081
从以上结果可以看出，在P1:Y6共混物中添加适当比例(重量分数0.05％)的均三氟苯基硼，可以显著提高短路电流和填充因子，同时开路电压略有提升，从而效率从6.07％提高至7.07％。
实施例6
一种有机太阳能电池，含有实施例2中的活性层，太阳能电池的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P2:Y6:均三氟苯基硼/Ca/Al；具体制备方法是在活性层表面依次真空蒸镀10nm厚度的Ca和80nm厚度的Al，制成Lewis酸掺杂的有机太阳能电池。
在一个太阳光强(AM1.5,100mW/cm2)的标准测试条件下，测试得到器件在不同均三氟苯基硼掺杂量的光伏性能，如表2所示。
表2.基于P2:Y6活性层在不同均三氟苯基硼掺杂量下的光伏性能
Figure GDA0004206439520000082
Figure GDA0004206439520000091
从以上结果可以看出，在P2:Y6共混物中添加适当比例(重量分数0.05％)的均三氟苯基硼，可以显著提高短路电流和填充因子，同时保持开路电压没有明显衰减，从而效率从13.10％提高至14.71％。
实施例7
一种有机太阳能电池，含有实施例3中的活性层，太阳能电池的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3:ITIC:均三氟苯基硼/Ca/Al；具体制备方法是在活性层表面依次真空蒸镀10nm厚度的Ca和80nm厚度的Al，制成Lewis酸掺杂的有机太阳能电池。
在一个太阳光强(AM1.5,100mW/cm2)的标准测试条件下，测试得到器件在不同均三氟苯基硼掺杂量的光伏性能，如表3所示。
表3基于P3:ITIC活性层在不同均三氟苯基硼掺杂量下的光伏性能
Figure GDA0004206439520000092
从以上结果可以看出，在P3:ITIC共混物中添加适当比例(重量分数0.05％)的均三氟苯基硼，可以显著提高短路电流和填充因子，同时开路电压略有提升，从而效率从8.80％提高至10.30％。
实施例8
一种有机太阳能电池，含有实施例4中的活性层，太阳能电池的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P4:IT-4F:均三氟苯基硼/Ca/Al；具体制备方法是在活性层表面依次真空蒸镀10nm厚度的Ca和80nm厚度的Al，制成Lewis酸掺杂的有机太阳能电池。
在一个太阳光强(AM1.5,100mW/cm2)的标准测试条件下，测试得到器件在不同均三氟苯基硼掺杂量的光伏性能，如表4所示。
表4.基于P4:IT-4F活性层在不同均三氟苯基硼掺杂量下的光伏性能
Figure GDA0004206439520000101
从以上结果可以看出，在P4:IT-4F共混物中添加适当比例(重量分数0.05％)的均三氟苯基硼，可以显著提高短路电流和填充因子，同时开路保持不变，从而效率从11.18％提高至12.85％。
实施例的结果表明，通过添加少量硼Lewis酸制备有机太阳能电池光活性层，可以同时提高短路电流和填充因子，并保持开路电压不变或略有提升，从而提高光电转换效率。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，其特征在于，所述的活性层包括电子给体、电子受体和硼Lewis酸，所述的硼Lewis酸为均三氟苯基硼，分子结构为：
Figure FDA0004206439510000011
所述的电子给体和电子受体的质量比例为1:1-1.5；
所述的硼Lewis酸与电子给体、电子受体总质量比为1:10000-1000；
所述的电子给体为主链骨架含有以下结构单元的共轭聚合物中的一种：
Figure FDA0004206439510000012
式中，m为0-10的整数，x为0-20的整数，y为1-20的整数；
所述的电子受体为以下非富勒烯小分子受体中的一种：
Figure FDA0004206439510000013
2.根据权利要求1所述的一种硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层，其特征在于，所述的活性层厚度为80-200nm。
3.一种有机太阳能电池，其特征在于，含有权利要求1或2所述的硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层。
4.根据权利要求3所述的一种有机太阳能电池，其特征在于，所述的有机太阳能电池为夹心式的正装或倒装结构中的一种，自下而上包括阳极导电层、阳极修饰层、活性层、电子传输层和金属阴极。
5.根据权利要求4所述的一种有机太阳能电池，其特征在于，所述的阳极导电层材料为ITO，厚度为10-20nm；所述的阳极修饰层材料为PEDOT：PSS，厚度为10-30nm；所述电子传输层材料为钙或氟化锂中的一种，厚度为5-15nm；所述的金属阴极材料为铝，厚度为70-90nm。
6.一种根据权利要求1或2所述的硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层的制备方法，包括如下步骤：
S1：超声清洗附着有ITO导电层的基底，经烘箱干燥后再经臭氧等离子体表面处理3-7min；
S2：将PEDOT：PSS溶液旋涂于步骤S1处理过的ITO导电层表面，旋涂转速为3000-5000rpm，旋涂时间20-40s，然后在130-170℃退火处理20-40min得到厚度为10-30nm的阳极修饰层；
S3：将电子给体与电子受体溶解于有机溶剂中，然后加入均三氟苯基硼，形成掺杂共混溶液；
S4：将上述共混溶液在40-60℃搅拌10-14h，以1000-3000rpm的转速，旋转涂膜附着在步骤S2得到的阳极修饰层表面；再在140-160℃温度下，退火处理5-30min，得到硼Lewis酸掺杂的活性层。
7.根据权利要求6所述的一种硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层的制备方法,其特征在于，所述的溶剂为氯仿或氯苯中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种硼Lewis酸掺杂的有机太阳能电池活性层的制备方法,其特征在于，所述的电子给体和电子受体在溶剂中的总浓度为15-20mg/mL。
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