CN115275020A - 一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents

一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115275020A
CN115275020A CN202210893557.7A CN202210893557A CN115275020A CN 115275020 A CN115275020 A CN 115275020A CN 202210893557 A CN202210893557 A CN 202210893557A CN 115275020 A CN115275020 A CN 115275020A
Authority
CN
China
Prior art keywords
active layer
transport layer
hole transport
solar cell
acceptor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210893557.7A
Other languages
English (en)
Inventor
郝晓涛
殷航
沙孟珍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Original Assignee
Shandong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University filed Critical Shandong University
Priority to CN202210893557.7A priority Critical patent/CN115275020A/zh
Publication of CN115275020A publication Critical patent/CN115275020A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；所述活性层中添加PM6:PY‑IT。本发明选取BL‑102这一聚合物受体作为第三元材料，当第三组分的掺入量为3wt％时，在实现与主体系互补的吸收以增强了对太阳光的利用的同时，还对活性层中给受体的结晶性产生了影响，抑制了给受体的聚集，形成了更有序的分子堆积，增强了给受体的互溶性从而形成了更多的给受体互穿的纳米级渗透网络，最终在三元体系中实现了高效的激子解离与载流子输运。

Description

一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法，属于有机太阳能电池结构制备的技术领域。
背景技术
近年来，全聚合物太阳能电池(all-PSCs)因具有良好的薄膜延展性、优异的机械柔性和较好的形态稳定性，受到科研界的广泛关注。得益于“聚合小分子受体”(PSMA)策略和化学结构设计方法，聚合物受体材料取得了飞速的发展。目前，基于新型非富勒烯受体材料的all-PSCs的功率转换效率(PCE)已达到15-17％。尽管如此，由于活性层中聚合物薄膜的微观形态难以很好地调控，相对于基于小分子受体的有机太阳能电池而言，在all-PSCs中形成具有适度相分离的给受体互穿的纳米级渗透网络比较困难。所以对于全聚合物太阳能电池而言，形貌调控对器件性能的提升至关重要。
虽然通过改变溶剂，使用液体添加剂，加热退火，利用双层器件结构这四种方式可以调控活性层的形貌，但是更换溶剂需要调节溶质的浓度；添加剂在加工过程中难以去除，会导致装置稳定性变差；加热退火需要同时调控温度与时间；双层器件结构制作过程比较麻烦。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构；本发明还提供了一种采用三元策略优化活性层形貌制备高效率全聚合物有机太阳能电池的方法；
相比较于现有的通过改变溶剂，使用液体添加剂(CN,DIO)，采用加热退火，利用双层活性层结构这四种方式实现活性层形貌的调控而言，本发明通过三元策略在聚合物薄膜中引入第三组分来调节形貌是一种简便、广泛使用并且成效显著的方式。第三组分不仅可以拓宽主体系的吸收光谱，而且会影响给受体的结晶性从而改变活性层的形貌，而活性层的形貌对于激子解离以及自由载流子输运过程至关重要，所以三元策略可以实现器件性能的提升。
本发明基于PM6：PY-IT这一高效率的all-PSC，通过引入基于NDI-IDT的共聚物聚合物受体BL-102制备了三元all-PSCs。由于BL-102化学结构具有的空间位阻效应使得此受体的自聚集性差，当引入到二元体系中时可以抑制给受体的自聚集行为，形成更多的给受体互穿的网络，有利于激子解离。实验发现当引入量为3wt％时，在良好的相分离下有更好的给受体互穿网络，从而可以保证在高效的激子解离条件下同时具备理想的载流子输运过程，最终使得期间的效率提升到15.43％。说明了采用三元策略进行形貌调控对太阳能电池效率的重要性。
术语解释：
PM6，是一种聚合物光伏材料，主要作为有机太阳能电池的给体材料。
PY-IT，是一种聚合物受体材料，是D-A型共聚物受体。主要作为有机太阳能电池的受体材料。
BL-102，是一种聚合物受体材料，由吲哚二硫代噻吩(IDT)和萘二亚胺(NDI)单元共聚而成。
本发明的技术方案为：
一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；所述活性层中主给体和主受体分别是PM6、PY-IT。
根据本发明优选的，PM6:PY-IT中PM6与PY-IT质量比为1：1～1：1.2
进一步优选的，PM6:PY-IT中PM6与PY-IT质量比为1:1。
根据本发明优选的，所述活性层的材质还包括第三组分受体，PM6:PY-IT与第三组分受体的质量比为1：1；0.01～1：1：0.1。
根据本发明优选的，所述第三组分受体为BL-102。
优选的，PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.03；
优选的，PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.05；
优选的，PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.1。
根据本发明优选的，所述衬底为玻璃衬底，所述阳极为ITO，所述空穴传输层的材质为PEDOT：PSS；所述电子传输层的材质为PDINN；所述阴极为顶部金属电极。
上述有机太阳能电池结构的制备方法，包括：
在导电玻璃表面旋涂制备空穴传输层；
氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，制备活性层；
在活性层表面旋涂制备电子传输层；
真空条件下，在电子传输层上制备阴极，既得；
其中，活性层材料是PM6:PY-IT。
根据本发明优选的，氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，制备活性层，包括：
在氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，转速3000-4000rpm，时间为30-40s,95-100℃退火5-10min。
进一步优选的，在氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，转速为3000rpm，时间为30s,100℃退火10min。
根据本发明优选的，导电玻璃为ITO导电玻璃；制备空穴传输层之前，执行如下操作：
将ITO导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮、无水乙醇和异丙醇超声清洗，并用氮气吹干，再用UV处理15-25min。
进一步优选的，用UV处理15min
根据本发明优选的，在导电玻璃表面旋涂制备空穴传输层，包括：
在导电玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，130-180℃退火10-20min。
进一步优选的，在导电玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，150℃退火15min。
根据本发明优选的，在活性层表面旋涂制备电子传输层，包括：
将1-2mg/mL的PDIN溶液旋涂到活性层上，转速为2000-4000rpm，时间为20-40s；
进一步优选的，将1.5mg/mL的PDIN溶液旋涂到活性层上，转速为3000rpm，时间为30s。
根据本发明优选的，真空条件下，在电子传输层上制备阴极，包括：
在2.5х10-4-5х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备80-100nm的Al电极。
进一步优选的，在4х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备100nm的Ag电极。
本发明的有益效果为：
本发明选取BL-102这一聚合物受体作为第三元材料，当第三组分的掺入量为3wt％时，在实现与主体系互补的吸收以增强了对太阳光的利用的同时，还对活性层中给受体的结晶性产生了影响，抑制了给受体的聚集，形成了更有序的分子堆积，增强了给受体的互溶性从而形成了更多的给受体互穿的纳米级渗透网络，最终在三元体系中实现了高效的激子解离与载流子输运，最终器件的短路电流和填充因子有了提高，PCE由二元本征体系的14.96％提升至15.43％。
附图说明
图1为本发明高效率全聚合物有机太阳能电池结构的结构示意图；
图2(a)为本发明PM6:PY-IT薄膜的二维GIWAXS图像示意图；
图2(b)为本发明PM6:PY-IT:BL-102(1:1:0.03)薄膜的二维GIWAXS图像示意图；
图2(c)为本发明PM6:PY-IT:BL-102(1:1:0.1)薄膜的二维GIWAXS图像示意图；
图2(d)为本发明一维GIWAXS图像示意图；
图3(a)为本发明有机太阳能电池结构的归一化的吸收光谱示意图；
图3(b)为本发明有机太阳能电池结构的J-V曲线示意图；
图4(a)为本发明PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0的AFM图像示意图；
图4(b)为本发明PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.03的AFM图像示意图；
图4(c)为本发明PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.05的AFM图像示意图；
图4(d)为本发明PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.1的AFM图像示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，如图1所示，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；活性层中主给体和主受体分别是PM6、PY-IT。
衬底为玻璃衬底，阳极为ITO，空穴传输层的材质为PEDOT：PSS；电子传输层的材质为PDINN；阴极为顶部金属电极。
实施例2
根据实施例1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其区别在于：
PM6:PY-IT中PM6与PY-IT质量比为1：1～1：1.2；
实施例3
根据实施例1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其区别在于：
PM6:PY-IT中PM6与PY-IT质量比为1:1。
实施例4
根据实施例1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其区别在于：
活性层的材质还包括第三组分受体，PM6:PY-IT与第三组分受体的质量比为1：1；0.01～1：1：0.1。
实施例5
根据实施例4所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其区别在于：
第三组分受体为BL-102。
PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.03；
实施例6
根据实施例5所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其区别在于：
PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.05；
实施例7
根据实施例5所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其区别在于：
PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.1。
有机太阳能电池的性能参数：功率转换效率(PCE)
Figure BDA0003768513540000041
式中JSC是短路电流，VOC是开路电压，FF是填充因子，Pin是入射光强(AM 1.5G)，PCE可以直接由太阳能电池J-V曲线测试系统(7-SCSpec)测试得到。
图2(a)为PM6:PY-IT薄膜的二维GIWAXS图像示意图；图2(b)为PM6:PY-IT:BL-102(1:1:0.03)薄膜的二维GIWAXS图像示意图；图2(c)为PM6:PY-IT:BL-102(1:1:0.1)薄膜的二维GIWAXS图像示意图；图2(d)为一维GIWAXS图像示意图；由图2(a)至图2(d)可以看出，BL-102加入到PM6:PY-IT中之后，并没有改变薄膜中的分子堆积方式，三个薄膜中分子的堆积方式都是face-on的，有利于载流子的提取。从图2(d)拟合得到的信息如表1所示，可以看出BL-102加入之后π-π堆积距离并没有带来大的改变，相反当PM6:PY-IT:BL-102的比例是1：1：0.03时π-π堆积的相干长度最大，说明BL-102的加入诱导分子形成了更有序的堆积。
图3(a)为有机太阳能电池结构的归一化的吸收光谱示意图；图3(b)为有机太阳能电池结构的J-V曲线示意图；由图3(a)可以看出，相较于二元薄膜，三元体系中的光吸收有了增强，特别是在300-500nm处；PM6:PY-IT:BL-102(1：1：0.03)体系的光电转换效率最高。
图4(a)为PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0的AFM图像示意图；图4(b)为PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.03的AFM图像示意图；图4(c)为PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.05的AFM图像示意图；图4(d)为PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.1的AFM图像示意图。由图4(a)至图4(d)可以看出，三元体系相较于二元体系，薄膜表面的粗糙度下降，说明加入BL-102之后，结晶性变差，给受体共混行为有了增强，形成了更好的给受体互穿的网络。
表1
Figure BDA0003768513540000061
表2
Figure BDA0003768513540000062
本发明选取BL-102这一聚合物受体作为第三元材料，当第三组分的掺入量为3wt％时，在实现与主体系互补的吸收以增强了对太阳光的利用的同时，还对活性层中给受体的结晶性产生了影响，抑制了给受体的聚集，形成了更有序的分子堆积(图2(a)至图2(d)及表1)，增强了给受体的互溶性从而形成了更多的给受体互穿的纳米级渗透网络(图4(a)至图4(d))，最终在三元体系中实现了高效的激子解离与载流子输运，如表2、图3(a)及图3(b)所示，最终器件的短路电流和填充因子有了提高，PCE由二元本征体系的14.96％提升至15.43％。
实施例8
实施例1-7任一所述有机太阳能电池结构的制备方法，包括：
在导电玻璃表面旋涂制备空穴传输层；
氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，制备活性层；
在活性层表面旋涂制备电子传输层；
真空条件下，在电子传输层上制备阴极，既得；
其中，活性层材料是PM6:PY-IT。
氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，制备活性层，包括：在氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，转速3000-4000rpm，时间为30-40s,95-100℃退火5-10min。
导电玻璃为ITO导电玻璃；制备空穴传输层之前，执行如下操作：
将ITO导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮、无水乙醇和异丙醇超声清洗，并用氮气吹干，再用UV处理15-25min。
在导电玻璃表面旋涂制备空穴传输层，包括：
在导电玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，130-180℃退火10-20min。
在活性层表面旋涂制备电子传输层，包括：
将1-2mg/mL的PDIN溶液旋涂到活性层上，转速为2000-4000rpm，时间为20-40s；
真空条件下，在电子传输层上制备阴极，包括：
在2.5х10-4-5х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备80-100nm的Al电极。
实施例9
实施例8所述有机太阳能电池结构的制备方法，其区别在于：
在氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，转速为3000rpm，时间为30s,100℃退火10min。
用UV处理15min
在导电玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，150℃退火15min。
将1.5mg/mL的PDIN溶液旋涂到活性层上，转速为3000rpm，时间为30s。
在4х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备100nm的Ag电极。

Claims (10)

1.一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其特征在于，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；所述活性层中主给体和主受体分别是PM6、PY-IT。
2.根据权利要求1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其特征在于，PM6:PY-IT中PM6与PY-IT质量比为1：1～1：1.2。
3.根据权利要求1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其特征在于，PM6:PY-IT中PM6与PY-IT质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其特征在于，所述活性层的材质还包括第三组分受体，PM6:PY-IT与第三组分受体的质量比为1：1；0.01～1：1：0.1。
5.根据权利要求1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其特征在于，所述第三组分受体为BL-102；
优选的，PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.03；
优选的，PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.05；
优选的，PM6:PY-IT:BL-102为1:1:0.1。
6.根据权利要求1所述的一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底，所述阳极为ITO，所述空穴传输层的材质为PEDOT：PSS；所述电子传输层的材质为PDINN；所述阴极为顶部金属电极。
7.权利要求1-6任一所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，包括：
在导电玻璃表面旋涂制备空穴传输层；
氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，制备活性层；
在活性层表面旋涂制备电子传输层；
真空条件下，在电子传输层上制备阴极，既得；
其中，活性层材料是PM6:PY-IT。
8.根据权利要求7所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，制备活性层，包括：
在氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，转速3000-4000rpm，时间为30-40s,95-100℃退火5-10min；
进一步优选的，在氮气氛围下，在空穴传输层上旋涂活性层材料，转速为3000rpm，时间为30s,100℃退火10min。
9.根据权利要求7所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，导电玻璃为ITO导电玻璃；制备空穴传输层之前，执行如下操作：
将ITO导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮、无水乙醇和异丙醇超声清洗，并用氮气吹干，再用UV处理15-25min；
进一步优选的，用UV处理15min
在导电玻璃表面旋涂制备空穴传输层，包括：
在导电玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，130-180℃退火10-20min；
进一步优选的，在导电玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，150℃退火15min。
10.根据权利要求7-9任一所述的有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，在活性层表面旋涂制备电子传输层，包括：
将1-2mg/mL的PDIN溶液旋涂到活性层上，转速为2000-4000rpm，时间为20-40s；
进一步优选的，将1.5mg/mL的PDIN溶液旋涂到活性层上，转速为3000rpm，时间为30s；
真空条件下，在电子传输层上制备阴极，包括：
在2.5х10-4-5х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备80-100nm的Al电极；
进一步优选的，在4х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备100nm的Ag电极。
CN202210893557.7A 2022-07-27 2022-07-27 一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法 Pending CN115275020A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210893557.7A CN115275020A (zh) 2022-07-27 2022-07-27 一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210893557.7A CN115275020A (zh) 2022-07-27 2022-07-27 一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115275020A true CN115275020A (zh) 2022-11-01

Family

ID=83770795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210893557.7A Pending CN115275020A (zh) 2022-07-27 2022-07-27 一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115275020A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115999640A (zh) * 2023-02-06 2023-04-25 广西大学 一种蔗渣纤维素基-异质结有机复合光催化剂制备方法及其应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115999640A (zh) * 2023-02-06 2023-04-25 广西大学 一种蔗渣纤维素基-异质结有机复合光催化剂制备方法及其应用
CN115999640B (zh) * 2023-02-06 2024-05-17 广西大学 一种蔗渣纤维素基-异质结有机复合光催化剂制备方法及其应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105789444B (zh) 一种基于真空蒸发镀膜法的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN109904318B (zh) 一种基于反溶液浴的钙钛矿薄膜制备方法及太阳能电池
CN108365102A (zh) 一种稳定高效二维层状钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN108091766B (zh) 一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法
CN110504371B (zh) 一种基于旋涂工艺的离心辅助光活性层分层的有机太阳能电池及其制备方法
CN109786555B (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN112542549B (zh) 一种宽带隙钙钛矿太阳能电池及其制备和应用
CN113437222B (zh) 一种无铅锡基钙钛矿薄膜、无铅锡基钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN110335945B (zh) 一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用
CN111446369B (zh) 钙钛矿光伏电池器件及其制造方法
CN115241386A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN115275020A (zh) 一种高效率全聚合物有机太阳能电池结构及其制备方法
CN114784193A (zh) 一种基于金属诱导有机界面层的有机光电器件及制备方法
CN110649165A (zh) 一种以四苯基联苯二胺衍生物为空穴传输材料的钙钛矿电池
CN113540362A (zh) 一种无电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN113233508B (zh) 一种α-MoO3溶液的制备方法及其应用
CN115232291A (zh) 一种改性空穴传输材料及其在钙钛矿太阳能电池中的应用
CN115835753A (zh) 一种钙钛矿薄膜及其制备方法、一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN115172609A (zh) 钙钛矿光敏层及其制备用组合物、制备方法和应用
CN115172591A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN115172593A (zh) 一种基于无机/有机双层复合空穴传输材料的有机太阳能电池及其制备方法和应用
CN110931644B (zh) 一种三元有机太阳能电池及其制备方法
CN114824101A (zh) 一种基于星型分子的三元有机太阳能电池及其制备方法
CN110311042B (zh) 一种自组装单分子层和钙钛矿太阳能电池的制备方法及钙钛矿太阳能电池
CN114583061A (zh) 三维结构的无铅锡基钙钛矿薄膜及其太阳能电池的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination