CN113838984A - 基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法 - Google Patents

基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，属于有机太阳能电池领域，具体为：在活性层与空穴传输层之间制备C7形貌调节层，C7形貌调节层通过在活性层表面旋涂C7溶液再退火得到，活性层以PBDB‑T为给体材料，N2200为受体材料。经C7形貌调节层调节后的活性层中含有渗透的C7，活性层表面得以优化的同时电荷传输能力也得以提升，并且降低了给受体之间接触势垒，活性层的表面费米能级差值由700ev降低至180ev，给受体之间降低的费米能级有利于获得高的短路电流，使得器件的开路电压、短路电流、填充因子、光学和热学稳定性均得到大幅度提升。

Description

基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法。
背景技术
在经济和科技高速发展的今天，人们对能源的需求量越来越大。面对化石能源的日趋减少和其消耗所带来的环境污染问题，人们在开发和利用新型能源的同时，对其绿色环保性和可持续性也更加关注。太阳能电池通过光伏效应直接把光能转化成电能，是一种有效开发和利用太阳能的手段。目前商业化的太阳能电池主要基于单晶硅、多晶硅或非晶硅材料，但是硅太阳能电池的制备成本高昂、易污染、难回收。相较于无机硅太阳能电池，有机太阳能电池具有材料无污染、可制备柔性器件、可大面积制造等优点，其具体工作过程如图1所示，当有机太阳能电池的活性层吸收光子后产生激子，激子在给体材料(或受体材料)中扩散，并在给受体的界面能级差作用下解离成电子和空穴后继续传输，电子和空穴传输到对应电极被成功收集后实现对外供电。有机太阳能电池从给受体材料上可分为全聚合、全小分子和聚合物与小分子混合三种类型。相比于其他类型，全聚合物有机太阳能电池具有优异的稳定性，但效率略低、批次差异大，其中PBDB-T与N2200是常见的全聚合有机太阳能电池的给受体材料。然而聚合物材料之间的不为紧密的接触和不合适的主侧链的取向使其存在复杂的相分离，这导致开路电压(VOC)、短路电流(JSC)、填充因子(FF)都不能获得较高参数。因此提出一种可以有效调节活性层形貌的工艺方法十分必要。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，从开路电压、短路电流、填充因子三个方面提升全聚合物太阳能电池的性能。
本发明所采用的技术方案如下：
基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，其特征在于，在全聚合物太阳能电池活性层与空穴传输层之间制备香豆素7(C7)形貌调节层，所述C7形貌调节层通过在全聚合物太阳能电池活性层表面旋涂C7溶液再退火得到，所述全聚合物太阳能电池活性层以PBDB-T为给体材料，N2200为受体材料。
进一步地，所述旋涂条件为1000～6000rpm。
进一步地，所述C7溶液的浓度为0.5～2mg/mL。
进一步地，所述退火的条件为在110℃下退火10min。
进一步地，所述C7溶液的溶剂为氯仿(CF)。
进一步地，所述PBDB-T给体材料和N2200受体材料的质量比为2：1。
进一步地，所述全聚合物太阳能电池活性层表明经C7形貌调节层修饰后，表面费米能级差值降低至180eV。
本发明还提出了一种基于上述活性层形貌调节方法的全聚合物太阳能电池，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、C7形貌调节层、空穴传输层和阳极电极，其中C7形貌调节层中的C7渗透至活性层中。
进一步地，所述阴极电极为ITO，电子传输层为ZnO，空穴传输层为MoO3，阳极电极为金属Ag。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种以小分子C7为形貌调节剂，通过在活性层表面先旋涂C7溶液再退火的方法调节全聚合物太阳能电池活性层的形貌，调节后器件的开路电压、短路电流、填充因子、光学和热学稳定性均得到大幅度提升；
2、活性层经C7形貌调节层修饰后，其表面费米能级差值由700ev降低至180ev，给受体之间降低的费米能级有利于获得高的短路电流；并且C7逐渐渗透至活性层内部，在降低给受体之间接触势垒的同时可能形成了新的电荷传输通道，减少电压损耗。
附图说明
图1为有机太阳能电池的工作原理图；
图2为本发明实施例1提出的基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法的工艺流程图及器件结构图；
图3为本发明实施例1采用的PBDB-T、N2200和C7的分子结构图；
图4为本发明实施例1提出的全聚合物太阳能电池的制备流程图；
图5为本发明实施例1提出的全聚合物太阳能电池中活性层(PBDB-T：N2200/C7)的C3N2 -基团深度分布图；
图6为本发明实施例1提出的全聚合物太阳能电池中活性层(PBDB-T：N2200/C7)与对比例标件中活性层(PBDB-T：N2200)的表面电势分布图，其中，(a)为对比例，(b)为实施例1；
图7为本发明实施例1提出的全聚合物太阳能电池与对比例标件的稳定性折线图，其中，(a)为光稳定折线图，(b)为热稳定折线图；
图8为本发明实施例1～3提出的全聚合物太阳能电池与对比例标件的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。
对比例
本对比例采用了一种结构如图2所示的全聚合物太阳能电池，包括自下而上依次设置的ITO(氧化铟锡)导电玻璃、ZnO电子传输层、PBDB-T：N2200(BHJ)活性层(标件)、MoO3空穴传输层和Ag阳极电极。
实施例1
基于对比例采用的全聚合物太阳能电池，本实施例提出了基于香豆素7(C7)的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，工艺流程如图2所示，在PBDB-T：N2200活性层与MoO3空穴传输层之间制备C7形貌调节层，通过先在PBDB-T：N2200活性层表面以3000rpm转速旋涂浓度为0.5mg/mL的C7溶液，再在110℃下退火10min得到；其中，PBDB-T、N2200和C7的分子结构图如图3所示。
上述活性层形貌调节方法调节后，本实施例获得的全聚合物太阳能电池包括自下而上依次设置的ITO导电玻璃、ZnO电子传输层、PBDB-T：N2200活性层、C7形貌调节层、MoO3空穴传输层和Ag阳极电极，此时表面制备有C7形貌调节层的PBDB-T：N2200活性层的简称为PBDB-T：N2200/C7，制备流程如图4所示，具体包括以下步骤：
步骤1：采用方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃，先将ITO导电玻璃浸入玻璃清洗液中，用手搓洗去除表面油污，超纯水冲净后依次用超纯水、无水乙醇、丙酮、无水乙醇进行超声清洗，用氮气枪将其吹干；
步骤2：将吹干后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3：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48h后，得到ZnO溶液；将ZnO溶液在旋涂仪中以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4：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(CB)溶剂中，在40℃下搅拌24h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，之后置于110℃的加热平台上退火10min，制得PBDB-T：N2200活性层；
步骤5：制备C7形貌调节层：称量1.2mg的C7溶于600μL的CF溶剂中，在室温条件下搅拌4h后，取100μL的C7溶液并加入400μL的CF进行稀释，再在室温条件下搅拌12h以上，得到C7溶液；在氮气环境下以3000rpm的转速将C7溶液旋涂于PBDB-T：N2200活性层上，旋涂30s，之后置于110℃的加热平台上退火10min，制得C7形貌调节层；
步骤6：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C7形貌调节层的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0.2A/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，最终制得全聚合物太阳能电池。
采用飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)对本实施例全聚合物太阳能电池中PBDB-T：N2200活性层的成分进行垂直探测，由于C3N2 -是小分子C7的特定集团，因此探测C3N2 -在PBDB-T：N2200活性层中的分布，探测时间为400s时基本可以探测整个厚度的PBDB-T：N2200活性层，结果如图5所示，可知随着探测时间的增加C3N2 -的强度也缓慢增加，这说明C7逐渐渗入并渗透到PBDB-T：N2200活性层中，填充了聚合物给受体之间的间隙并可能形成了新的电荷传输通道减少了电压损耗。
实施例2
本实施例提出了基于香豆素7(C7)的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，工艺流程与实施例1相比，区别仅在于在制备PBDB-T：N2200活性层与MoO3空穴传输层之间制备C7形貌调节层时，将C7溶液的浓度调整为1mg/mL；其他步骤不变。
上述活性层形貌调节方法调节后，本实施例获得的全聚合物太阳能电池包括自下而上依次设置的ITO导电玻璃、ZnO电子传输层、PBDB-T：N2200活性层、C7形貌调节层、MoO3空穴传输层和Ag阳极电极，制备流程与实施例1相比，区别仅在于将步骤5中配得C7溶液的过程调整为：称量1.2mg的C7溶于600μL的CF溶剂中，在室温条件下搅拌4h后，取200μL的C7溶液并加入200μL的CF进行稀释，再在室温条件下搅拌12h以上，得到C7溶液；其他步骤不变。
实施例3
本实施例提出了基于香豆素7(C7)的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，工艺流程与实施例1相比，区别仅在于在制备PBDB-T：N2200活性层与MoO3空穴传输层之间制备C7形貌调节层时，将C7溶液的浓度调整为2mg/mL；其他步骤不变。
上述活性层形貌调节方法调节后，本实施例获得的全聚合物太阳能电池包括自下而上依次设置的ITO导电玻璃、ZnO电子传输层、PBDB-T：N2200活性层、C7形貌调节层、MoO3空穴传输层和Ag阳极电极，制备流程与实施例1相比，区别仅在于将步骤5中配得C7溶液的过程调整为：称量1.2mg的C7溶于600μL的CF溶剂中，在室温条件下搅拌12h以上，得到C7溶液；其他步骤不变。
实施例1提出的全聚合物太阳能电池中活性层(PBDB-T：N2200/C7)与对比例标件中活性层(PBDB-T：N2200)的表面电势分布图如图6所示，可知对比例标件中活性层(PBDB-T：N2200)的表面费米能级差值为700ev，而实施例1提出的全聚合物太阳能电池中活性层(PBDB-T：N2200/C7)的表面费米能级差值仅为180ev，有大幅降低，给受体之间降低的费米能级有利于获得高的短路电流。
采用光谱分布AM1.5G、光照强度为100mW/cm2的Zolix SS150太阳光模拟器作光源，对实施例1～3和对比例所得器件进行光电性能测试，通过Keithly2400型数字源表进行测量得出J-V曲线。
实施例1提出的全聚合物太阳能电池与对比例标件的稳定性折线图如图7所示，先对器件进行光稳定测试，在AM 1.5G 100mW/cm2照明条件下测量转换效率，由图7(a)所示结果可知全聚合物太阳能电池在工作150min后还能保持原始效率的80％，相比于对比例标件下降至70％有明显提升；然后进行热稳定测试，将器件在60℃下连续热退火150min，全聚合物太阳能电池仍能保持原始效率的80％，而对比例标件下已降至54％左右。光稳定测试和热稳定测试结果均表明，实施例1提出的形貌调节方法更有益于稳定性的提升。
实施例1～3提出的全聚合物太阳能电池与对比例标件的J-V曲线如图8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
Figure BDA0003233152430000051
由表1可知，采用实施例1～3提出的形貌调节方法，器件的开路电压、短路电流、填充因子均得到提升，C7小分子填补到聚合物给受体的间隔，使得活性层薄膜达到较好的形态，利于激子传输与解离。当旋涂0.5mg/mL的C7溶液时，器件性能最佳，器件性能随着C7溶液浓度的提升逐步下降。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但不局限于上述详细方法，既不意味着必须依赖上述详细方法才能实施。凡是利用本说明书及附图内容作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包含在本发明专利保护范围内。

Claims (5)

1.基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，其特征在于，在活性层与空穴传输层之间制备C7形貌调节层，所述C7形貌调节层通过在活性层表面旋涂C7溶液再退火得到，所述活性层以PBDB-T为给体材料，N2200为受体材料。
2.根据权利要求1所述基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，其特征在于，所述C7溶液的浓度为0.5～2mg/mL。
3.根据权利要求1所述基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，其特征在于，所述退火的条件为在110℃下退火10min。
4.根据权利要求1所述基于香豆素7的全聚合物太阳能电池活性层形貌调节方法，其特征在于，所述C7溶液的溶剂为氯仿。
5.一种基于如权利要求1～4任一所述活性层形貌调节方法的全聚合物太阳能电池，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、C7形貌调节层、空穴传输层和阳极电极，其中C7形貌调节层中的C7渗透至活性层中。
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