CN116249360A - 一种有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种有机太阳能电池及其制备方法，所述有机太阳能电池包括活性层，所述活性层包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H‑苯并[1,2,3]三唑类化合物。本发明通过在活性层中添加H‑苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂，即可对活性层形貌进行整体调控，提升活性层形貌的稳定性，降低活性层形貌等亚稳态状态，提升了有机太阳能电池的稳定性，并提升了有机太阳能电池的光电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及有机半导体薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
作为一种极具发展前景的太阳能电池，有机太阳能电池于近几年的发展极为迅猛，这归功于有机太阳能电池的低成本、轻量化、半透明以及易于实现大面积制备和环境友好等特性受到广泛的关注。此外，有机光电材料在吸收系数上可调、原材料丰富、成本较低，在可穿戴制备和物联网供电等方面有巨大的市场前景。通过相关报道得知，有机太阳能电池的光电转换效率短短几年时间已突破19％的大关，叠层效率更是达到20％，这使其有望成为光伏领域产业化发展的最优选择之一。
有机太阳能电池的光电转换效率得到不断提升一方面除了光电材料的持续更新之外，调控薄膜形貌的工艺进步也是其关键因素之一。薄膜形貌的优劣性决定了给受体相分离，薄膜的相分离形貌严重影响着激子解离、电荷的传输和复合以及电荷的收集效率等，这是制约薄膜形貌和效率提升的关键所在。而其中采用外添加组分对有机太阳能电池的形貌进行调控诚然是有机太阳能电池领域中最重要的一项工艺手段，对降低电荷复合特别是陷阱辅助复合、提升电荷提取效率、延长载流子寿命，最终提升有机太阳能电池效率起到了至关重要的作用。外添加组分的选择也随着众多研究者的开发，逐渐得到扩展，目前已报道的外添加组分可分为可挥发性的溶剂和固体添加剂等，以及不可挥发性的光电材料、纳米颗粒和掺杂材料等。而其中可挥发性外添加组分在有机太阳能电池中应用最多，如CN、DIO、DPE等溶剂添加组分和DTT、DIB、An等固体添加组分等，都能促使薄膜的形貌得到改善，并提升光电转换效率。然而，诸如此类的添加组分对微观形貌起到良好的调控作用，但是薄膜稳定性相对较差，被调控的薄膜形貌处于亚稳态，在放置一定时间和光电性能测试后，薄膜中的给受体相会因达到能量最低原则而移动，最终导致器件稳定性会极速降低，这极大的限制了有机太阳能电池的产业化应用和发展。
鉴于此，寻求能够调控有机太阳能电池微观形貌，实现形貌稳定性的方法具有巨大的科学和现实意义。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有机太阳能电池及其制备方法，旨在解决现有的外添加组分对有机太阳能电池活性层微观形貌起到良好的调控作用，但是活性层稳定性较差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用一种全新的基于2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂调控并稳定有机太阳能电池活性层形貌的策略，实现了有机太阳能电池的活性层形貌稳定性，从而提升了有机太阳能电池性能的稳定性，并提升了有机太阳能电池的光电转化效率。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池包括活性层，其中，所述活性层包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物。
可选地，所述有机太阳能电池包括依次设置的透明衬底层、透明导电电极、空穴传输层、活性层、电子传输层及金属阴极。
可选地，所述2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物选自以下结构式中的一种或多种：
可选地，按质量百分比计，所述活性层中，以所述电子给体材料和电子受体材料的总质量为基准，所述电子给体材料的质量占比为45％～46％，所述电子受体材料的质量占比为54％～55％；
所述2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物占所述电子给体材料和电子受体材料的总质量的6％～12％。
可选地，所述活性层的厚度为110nm～400nm。
可选地，所述电子给体材料为PM6、PBDB-T、PCE10(PTB7-Th)、BTR、BTR-Cl中的至少一种，所述电子受体材料为非富勒烯小分子Y6、N3、BTP-ec9、BTP-m4Cl、BO-4Cl、L8-BO中的至少一种。
本发明的第二方面，提供一种如本发明所述的有机太阳能电池的制备方法，包括制备活性层的步骤，其中，所述制备活性层的步骤包括：
提供活性材料溶液，所述活性材料溶液包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物；
沉积所述活性材料溶液，得到活性层。
可选地，所述有机太阳能电池的制备方法包括步骤：
提供基板，所述基板由透明衬底层和设置于所述透明衬底层上的透明导电电极组成；
在所述透明导电电极上制备空穴传输层；
在所述空穴传输层上制备活性层；
在所述活性层上制备电子传输层；
在所述电子传输层上制备金属阴极。
可选地，所述活性材料溶液的制备方法包括步骤：
将电子给体材料和电子受体材料溶解于溶剂中，得到混合溶液；
在所述混合溶液中加入2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物，并搅拌，得到所述活性材料溶液；
其中，所述溶剂选自氯仿(CF)、氯苯(CB)、邻二氯苯(o-DCB)、邻二甲苯、甲苯中的一种或多种。
可选地，所述活性材料溶液中2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物的浓度为1.0-2.0mg/mL。
可选地，所述沉积所述活性材料溶液的步骤中，所述沉积的方法为旋涂法，所述旋涂的参数包括：转速为1500～4000r/s，时间为40s。
有益效果：本发明提供了一种有机太阳能电池及其制备方法，本发明通过在活性层中添加2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂，优化了活性层中的相分离尺度，固化活性层的形貌以及结晶性区域大小，可对太阳能电池活性层形貌进行整体调控，提升活性层形貌的稳定性，降低活性层形貌等亚稳态状态，以简易的工艺提升了有机太阳能电池器件性能的稳定性，并提升了有机太阳能电池的光电转化效率。
附图说明
图1是本发明实施例中一种正置结构的有机太阳能电池的结构示意图。
图2是电子给体材料PM6和电子受体材料Y6的分子结构式。
图3是本发明实施例1-4中所制备的有机太阳能电池在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)的电流密度-电压特性曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种有机太阳能电池及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池包括活性层，其中，所述活性层包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物。
与传统的提升有机太阳能电池稳定性的方法相比(如活性层材料设计，器件工程，封装及界面修饰等)，本实施例提供的活性层形貌稳定性调控的方法具有巨大的优势，仅通过在有机太阳能电池的活性层中引入2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂，优化了活性层中的相分离尺度(给体相和受体相的移动变化大小)，固化活性层的形貌以及结晶性区域大小，从而提升活性层形貌的稳定性，降低活性层形貌等亚稳态状态，进而提升了有机太阳能电池性能的稳定性，并有效提高了有机太阳能电池的光电转化效率。
本实施例仅通过在活性层中引入2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂，即可实现对活性层形貌的调控，并有效的解决了活性层形貌稳定性，提升了有机太阳能电池性能的稳定性和光电转化效率，且该调控方法具有成本投入低的优势，在未来产业化过程中具有无限的商业潜力，有望替代现有的形貌调控方法，成为主流的实现有机太阳能电池效率提升和稳定性提升的方法。
在一种实施方式中，所述有机太阳能电池为正置结构的有机太阳能电池，如图1所示，所述正置结构的有机太阳能电池包括依次设置的透明衬底层1、透明导电电极2、空穴传输层3、活性层4、电子传输层5及金属阴极6，所述活性层4包括电子给体材料7、电子受体材料8和光稳定剂9，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物。
在一种实施方式中，所述2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物可以选自以下结构式中的一种或多种：
在一种实施方式中，以所述电子给体材料和电子受体材料的总质量为基准，所述电子给体材料的质量占比为45％～46％，所述电子受体材料的质量占比为54％～55％；
所述2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物占所述电子给体材料和电子受体材料的总质量的6％～12％。
在一种实施方式中，所述电子给体材料为PM6、PBDB-T、PCE10(PTB7-Th)、BTR、BTR-Cl中的至少一种，所述电子受体材料为非富勒烯小分子Y6、N3、BTP-ec9、BTP-m4Cl、BO-4Cl、L8-BO中的至少一种。
在一种实施方式中，所述活性层的厚度为110nm～400nm。
在一种实施方式中，所述透明衬底层为玻璃，所述透明导电电极为ITO电极。
在一种实施方式中，所述空穴传输层的材料可以为PEDOT:PSS等，但不限于此。
在一种实施方式中，所述电子传输层的材料可以为PDINN(N、N'-双{3-[3-(二甲氨基)丙基氨基]丙基}苝-3,4,9,10-四羧酸二亚胺)等，但不限于此。
在一种实施方式中，所述金属阴极的材料可以为Ag等，但不限于此。
本实施例在有机太阳能电池的活性层中引入2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂，采用一种全新的2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂调控并稳定有机太阳能电池活性层形貌的策略，优化了活性层中的相分离尺度，固化活性层的形貌以及结晶性区域大小，对活性层形貌进行整体调控，提升活性层形貌的稳定性，降低活性层形貌等亚稳态状态，从而提升了有机太阳能电池性能的稳定性，并有效提高了有机太阳能电池的光电转化效率。
本发明实施例提供一种有机太阳能电池的制备方法，包括制备活性层的步骤，其中，所述制备活性层的步骤包括：
提供活性材料溶液，所述活性材料溶液包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物；
沉积所述活性材料溶液，得到活性层。
本实施例在有机太阳能电池的活性层中添加2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂，采用该光稳定剂与电子给体材料、电子受体材料共混沉积后调控活性层形貌的方法中，仅需加入2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂后进行旋涂等溶液法沉积的工艺，不需要采取后处理工艺，实现了以简化的工艺步骤优化活性层中的相分离尺度，固化活性层的形貌以及结晶性区域大小，对有机太阳能电池活性层形貌进行整体调控，提升活性层形貌的稳定性，降低活性层形貌等亚稳态状态，进一步实现了有机太阳能电池器件性能的稳定性的提升，以及有机太阳能电池光电转化效率的提升。
在一种实施方式中，所述沉积所述活性材料溶液的步骤中，所述沉积的方法为旋涂法，所述旋涂的参数包括：转速为1500～4000r/s，时间为40s。
在一种实施方式中，所述有机太阳能电池的制备方法包括步骤：
提供基板，所述基板由透明衬底层和设置于所述透明衬底层上的透明导电电极组成；
在所述透明导电电极上制备空穴传输层；
在所述空穴传输层上制备活性层；
在所述活性层上制备电子传输层；
在所述电子传输层上制备金属阴极。
在一种实施方式中，所述活性材料溶液的制备方法包括步骤：
将电子给体材料和电子受体材料溶解于溶剂中，得到混合溶液；
在所述混合溶液中加入2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物，并搅拌，得到所述活性材料溶液；
其中，所述溶剂选自氯仿(CF)、氯苯(CB)、邻二氯苯(o-DCB)邻二甲苯、甲苯中的一种或多种。
在一种实施方式中，所述活性材料溶液中2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物的浓度为1.0-2.0mg/mL。
在一种实施方式中，在所述透明导电电极上制备空穴传输层的步骤之前，还包括步骤：对所述基板依次进行清洗处理、吹干处理和臭氧处理。其中，所述清洗处理、吹干处理的步骤可以为：依次采用清洗液、清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇进对所述基板进行超声清洗，然后用氮气吹干。
在一种实施方式中，在所述透明导电电极上制备空穴传输层的步骤包括：将空穴传输材料溶液涂布于透明导电电极上，经热退火处理，得到所述空穴传输层。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
对照例1
1、活性材料溶液的制备步骤如下：
将电子给体材料PM6称量1mg和电子受体材料Y6称量1.2mg溶解于氯仿(CF)溶剂中，搅拌均匀，得到活性材料溶液；
其中，电子给体材料PM6和电子受体材料Y6的分子结构式如图2所示。
2、有机太阳能电池的制备步骤如下：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板依次用清洗液、清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将吹干后的基板放入臭氧清洗机中处理30min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT:PSS(旋涂转速4000rpm，旋涂时间20s)，随后在空气中于150℃下热退火处理10min，形成PEDOT:PSS空穴传输层；随后将含有PEDOT:PSS空穴传输层的基板传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT:PSS空穴传输层上采用旋涂的方法旋涂活性材料溶液，然后放置在手套箱中干燥30min，得到活性层(活性层厚度约为110nm)；随后在活性层上旋涂电子传输层PDINN(旋涂转速3000rpm，旋涂时间20s)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(厚度110nm)。
采用稳态校准后的太阳光模拟器，在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，对对照例1制备得到的有机太阳能电池进行测试，测试结果见表1。
表1
实施例1
1、活性材料溶液的制备步骤如下：
将电子给体材料PM6称量1mg和电子受体材料Y6称量1.2mg溶解于氯仿(CF)溶剂中，得到混合溶液；
在所述混合溶液中加入结构式d所示的2H-苯并[1,2,3]三唑对甲苯酚化合物(0.14mg)，搅拌均匀，得到活性材料溶液；
其中，所述活性材料溶液中2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂的浓度为1mg/mL。
2、有机太阳能电池的制备步骤如下：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电电极ITO所组成的基板依次用清洗液、清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将吹干后的基板放入臭氧清洗机中处理30min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT:PSS(旋涂转速4000rpm，旋涂时间20s)，随后在空气中进行于150℃下热退火处理10min，形成PEDOT:PSS空穴传输层；随后将含有PEDOT:PSS空穴传输层的基板传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT:PSS空穴传输层上采用旋涂的方法旋涂活性材料溶液，然后放置在手套箱中干燥30min，得到活性层(活性层厚度约为110nm)；随后在活性层上旋涂电子传输层PDINN(旋涂转速3000rpm，旋涂时间20s)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(厚度110nm)。
采用稳态校准后的太阳光模拟器，在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，对实施例1制备得到的有机太阳能电池进行测试，测试结果见表2。
表2
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，区别之处仅在于：活性材料溶液中的2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂浓度为1.5mg/mL。
采用稳态校准后的太阳光模拟器，在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，对实施例2制备得到的有机太阳能电池进行测试，测试结果见表3。
表3
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，区别之处仅在于：活性材料溶液中的2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂浓度为2mg/mL。
采用稳态校准后的太阳光模拟器，在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，对实施例3制备得到的有机太阳能电池进行测试，测试结果见表4。
表4
从表1-4可知，与对照组1中未添加2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)的有机太阳能电池相比，实施例1-3中添加2H-苯并[1,2,3]三唑类(BT)光稳定剂的有机太阳能电池的所有性能指标均有明显的提升。如图3所示，实施例2所制备的有机太阳能电池表现出最优的性能，有机太阳能电池的光电转化效率(PCE)达17.24％。
综上所述，本发明提供的一种有机太阳能电池及其制备方法，通过在有机太阳能电池的活性层中添加2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂，该2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物光稳定剂具有调控有机太阳能电池活性层微观形貌、稳定微观形貌和控制有机太阳能电池稳定性的特点，所制备的有机太阳能电池具有较高的抗水氧能力、较快的电荷提取和电荷传输能力，从而提高有机太阳能电池的光电转换效率和长期稳定性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池包括活性层，其特征在于，所述活性层包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池包括依次设置的透明衬底层、透明导电电极、空穴传输层、活性层、电子传输层及金属阴极。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物选自以下结构式中的一种或多种：
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，以所述电子给体材料和电子受体材料的总质量为基准，所述电子给体材料的质量占比为45％～46％，所述电子受体材料的质量占比为54％～55％；
所述2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物占所述电子给体材料和电子受体材料的总质量的6％～12％。
5.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层的厚度为110nm～400nm；
所述电子给体材料为PM6、PBDB-T、PCE10(PTB7-Th)、BTR、BTR-Cl中的至少一种，所述电子受体材料为非富勒烯小分子Y6、N3、BTP-ec9、BTP-m4Cl、BO-4Cl、L8-BO中的至少一种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的有机太阳能电池的制备方法，包括制备活性层的步骤，其特征在于，所述制备活性层的步骤包括：
提供活性材料溶液，所述活性材料溶液包括电子给体材料、电子受体材料和光稳定剂，所述光稳定剂为2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物；
沉积所述活性材料溶液，得到活性层。
7.根据权利要求6所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述有机太阳能电池的制备方法包括步骤：
提供基板，所述基板由透明衬底层和设置于所述透明衬底层上的透明导电电极组成；
在所述透明导电电极上制备空穴传输层；
在所述空穴传输层上制备活性层；
在所述活性层上制备电子传输层；
在所述电子传输层上制备金属阴极。
8.根据权利要求6所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述活性材料溶液的制备方法包括步骤：
将电子给体材料和电子受体材料溶解于溶剂中，得到混合溶液；
在所述混合溶液中加入2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物，并搅拌，得到所述活性材料溶液；
其中，所述溶剂选自氯仿、氯苯、邻二氯苯、邻二甲苯、甲苯中的一种或多种。
9.根据权利要求6所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述活性材料溶液中2H-苯并[1,2,3]三唑类化合物的浓度为1.0-2.0mg/mL。
10.根据权利要求6所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述沉积所述活性材料溶液的步骤中，所述沉积的方法为旋涂法，所述旋涂的参数包括：转速为1500～4000r/s，时间为40s。
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