CN116634786B - 一种电流-电压测试用有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机太阳能电池检测技术领域，具体涉及一种电流‑电压测试用有机太阳能电池及其制备方法。公开的电流‑电压测试用有机太阳能电池，包括带有预设ITO图案的基片，其中带有预设ITO图案基片上的ITO作为阳极层，依次层叠空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极层，形成太阳能电池。本发明中基片设计有若干个电池位置，每个电池均有独立的阴极测试位点和阳极测试位点，避免测试过程中电池之间相互影响，提高测试效率；每个电池的测试位点与电池之间的距离保持相同且距离够短；电池在基片上呈离散式均匀分布。本发明对基片利用率高、测试数据准确且平行性好，大幅度提升了电池测试效率，并有利于评估大面积范围内活性层成膜的均匀性。

Description

一种电流-电压测试用有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池检测技术领域，具体涉及一种电流-电压测试用有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机太阳能电池（organic solar cells, OSCs）是一种有潜力的绿色光电转换技术，其具有加工制备成本低，量轻、柔性、半透明，可以印刷大面积生产，集发电与可穿戴于一体，实用与美观共融，面向未来重要产业，装备一体化设备等一系列优点。OSCs的光电转换效率（power conversion efficiency, PCE）是评价电池好坏的重要参数，其与开路电压（open-circuit voltage, VOC）、短路电流密度（short-circuit current density, JSC）和填充因子（fill factor, FF）的乘积成正比。其中电极与活性层接触的接触电阻，属于串联电阻。因此，我们希望太阳能电池的串联电阻越小越好，这样在电池工作时被串联电阻分掉的光生电压就小，本身的内耗也会很小。有机太阳能电池串联电阻对电池的短路电流（JSC）、开路电压（VOC）和填充因子（FF）有直接的影响。
国内外研发团队最常用“一”字型分布电池。所有电池共用一个ITO电极，因为ITO电导率较低，电池效率随探针与电池距离变长而衰减，降低电池的可使用效率；其次，传统基片上的若干个有效电池呈“一”字型分布，且均位于基片中线位置，有效测试单元分布情况较为单一，某种程度上会增大测试的偶然误差。传统“一”字型的基片各单元测试时，共用一个ITO电极，因此每个单元与探针正极与负极相对位置均不相同，导致电池效率随探针与电池距离变长而衰减，造成测量误差；某单元测试时，测试电流对其余单元有影响，造成其余单元电池效率衰减。因此实验数据的准确性降低，同时实验数据平行性不高，准确度偏差较大。
因此，开发一种具有高度可操作性，效率高、平行性好、准确度高的测试电池成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有高度可操作性，效率高、平行性好、准确度高的测试电池，该电池通过改变传统电池“一”字型分布方式，将每个电池均设计成具有独立电极，避免因共用电极引起的测试误差；测试位点与电池距离相同且足够短，避免测试过程中电池之间相互影响，提升测试效率；电池离散式均匀分布，改变传统电池“一”字型分布方式，提高电池测试效率和准确性，有利于评估大面积范围内活性层成膜的均匀性，为制备大面积电池体系奠定基础。
为了实现上述目的，本发明的第一个目的在于提供一种电流-电压测试用有机太阳能电池。采用如下技术方案：
一种电流-电压测试用有机太阳能电池，依次包括基片S0、阳极层S1、空穴传输层S2、活性层S3、电子传输层S4和电极镀层S5，其特征在于，所述基片S0上带有预设ITO图案。
优选的，所述基片S0为正方形玻璃材质。
进一步优选的，带有预设ITO图案的基片S0的ITO涂层为阳极层S1，ITO涂层区域为长方形N1，长边为L1，宽边为M1，离散式均匀分布于基片表面的若干位置。
值得说明的是，“一”字型分布电池。所有电池共用一个ITO电极，因为ITO电导率较低，电池效率随探针与电池距离变长而衰减，降低电池的可使用效率；其次，传统基片上的若干个有效电池呈“一”字型分布，且均位于基片中线位置，有效测试单元分布情况较为单一，某种程度上会增大测试的偶然误差。传统“一”字型的电池各单元测试时，共用一个ITO电极，因此每个单元与探针正极与负极相对位置均不相同，导致电池效率随探针与电池距离变长而衰减，造成测量误差；某单元测试时，测试电流对其余单元有影响，造成其余单元电池效率衰减。因此实验数据的准确性降低，同时实验数据平行性不高，准确度偏差较大。
本发明通过图案化的ITO涂层设计，改变传统电池“一”字型分布方式，每个电池均有独立电极，且测试位点与电池距离相同，避免因共用电极和ITO电阻引起的测试误差，基片利用率高、测试数据平行性好。
更进一步优选的，基片S0上垂直于ITO方向平行的边缘处布设无阳极层S1、空穴传输层S2、活性层S3及电子传输层S4涂层的长方形区域N2以暴露ITO层；所述无涂层长方形区域N2垂直于长方形ITO 区域N1的长边L1、平行于长方形ITO 区域N1的宽边M1，与电流-电压测试电极位置一一对应。
为了空穴传输层能够有效地阻挡电子，帮助空穴顺利地被 ITO 收集，优选的，所述空穴传输层S2为PEDOT:PSS。
优选的，所述活性层S3包括给体材料和受体材料，所述给体材料包括PM6、D18或B1；所述受体材料包括Y6、BO-4Cl、BTP-eC9、L8-BO或OSe。由此，本发明活性层材料由给体材料和受体材料共混制备，在光照射条件下，活性层材料会捕获光子并吸收光子的能量，产生电子-空穴对。电子和空穴最终迁移至相应的电极被收集，形成电路通路。
优选的，所述电子传输层S4为PDIN、PDINN或PNDIT-F3N。本发明公开的电子传输层在阻挡空穴的同时还能提升电子的传输效率。
进一步优选的，所述电极镀层S5包括L形区域N3和长方形区域N4，离散式均匀分布于基片表面，所述长方形区域N4与阳极层S1的长方形区域N1一一对应；且，
所述长方形区域N4的长边L4＜长方形区域N1的长边L1，长方形区域N4的宽边M4与长方形区域N1的宽边M1相等；
所述L形区域N3由长方形N31和长方形N32组成，且所述长方形区域N4的宽边M4＜N31的长边L311≤N32的长边L321，N31的宽边M311与长方形区域N4的宽边M4相等；N32的宽边M321≤长方形区域N1的宽边M1，长方形区域N4的长边L4＜N32的长边L321≤长方形区域N1的长边L1。
更进一步优选的，所述L形区域N3和长方形区域N4极性相反；且，
L形区域N3为有机太阳能电池的阴极层；长方形区域N4与ITO导通，共同作为有机太阳能电池的阳极。
更进一步优选的，所述无涂层长方形区域N2的长边L2与基片S0边长相等，无涂层长方形区域N2的宽边M2≤长方形区域N4的长边L4。
更进一步优选的，所述电池的布设区域Q1为带有预设ITO图案的基片S0上的阳极层ITO S1、空穴传输层S2、活性层S3、电子传输层S4及阴极层N3重叠的区域。
值得说明的是，本发明通过布设区域Q1，使得电池在基片上的分布均匀分散，而不是集中在一条线，进而便于评估活性层制备工艺的成膜均匀性，以及提升电池测试的准确性。
值得说明的是，长方形区域N2与带有预设ITO图案的基片S0的ITO涂层S1及银电极涂层S5中长方形N4重叠区域Q2作为空穴通路，主要目的是为了Q1中活性层S3受光照产生的空穴传输，Q1中的活性层S3产生空穴，经过Q1中的空穴传输层S2到达Q1中的ITO涂层S1，空穴经过Q2被电流-电压测试装置的正极接收。无涂层长方形区域N2与银电极涂层S5中L形N3重叠区域Q3作为电子通路，主要目的是为了Q1中活性层S3受光照产生的电子传输，Q1中的活性层S3产生电子，经过Q1中的电子传输层S4到达Q1中的银电极涂层S5中L形区域Q3，电子经过Q3被电流-电压测试装置的负极接收。
本发明的第二个目的是提供一种如上所述的电流-电压测试用有机太阳能电池的制备方法。
一种如上所述的电流-电压测试用有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
I、超声清洗法和紫外臭氧法对带有预设ITO图案的基片S0进行清洗和处理；
II、在所述基片S0的表面通过旋涂法依次制备空穴传输层S2、活性层S3和电子传输层S4，旋涂面积即为基片S0大小；
III、在所述基片S0的表面垂直于ITO方向平行的边缘向基片S0表面的内部去掉部分涂层，形成无涂层长方形区域N2；
IV、对步骤III得到的基片真空蒸镀法结合带有预设图案的掩膜板在基片上蒸镀金属银电极S5，得到所述电流-电压测试用有机太阳能电池。
值得说明的是，步骤I利用超声法清洗主要是去除基片上的灰尘、油脂和杂质；利用紫外臭氧处理主要是有助于优化ITO的表面物理性能，如功函数、表面能、电导率等。
与现有技术相比，本发明公开的电流-电压测试用有机太阳能电池，包括带有预设ITO图案的基片，其中带有预设ITO图案基片上的ITO作为阳极层，依次层叠空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极层，形成太阳能电池。首先将带有预设ITO图案的基片进行清洗和处理，其次在带有预设ITO图案的基片上依次旋涂制备空穴传输层、活性层和电子传输层，然后在基片上垂直于ITO方向平行的两条边一定距离处且垂直于长方形ITO S1的长边L1平行于宽边M1往里刮掉一定宽度的涂层露出ITO层，其与电流-电压测试电极位置一一对应，最后利用真空蒸镀法结合带有预设图案的掩膜板在所述基片上蒸镀阴极层。本发明中基片设计若干个电池位置，每个电池均有独立的阴极测试位点和阳极测试位点，避免测试过程中电池之间相互影响，提高测试效率；每个电池的测试位点与电池之间的距离保持相同且距离够短；电池在基片上呈离散式均匀分布。本发明对基片利用率高、数据准确定高且平行性好，大幅度提升了电池测试效率，并有利于评估大面积范围内活性层成膜的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明预设ITO图案的基片S0及阳极层S1示意图。
图2为本发明无涂层区域N2在预设ITO图案基片上的示意图。
图3为本发明电极镀层S5示意图。
图4为本发明电池布设区域Q1的示意图。
图5 为本发明无涂层区域N2在太阳能电池上的示意图。
图6为本发明电流-电压测试用有机太阳能电池的立体示意图。
图7为本发明电流-电压测试用有机太阳能电池的轴向立体示意图。
图8为本发明电流-电压测试用有机太阳能电池的另一轴向立体示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
实施例1
超声清洗法和紫外臭氧法对带有预设ITO图案的基片S0（如图1所示）进行清洗和处理。具体为先在清洁剂中超声清洗2 h并用去离子水冲洗5次，然后用去离子水在超声中清洗3次，最后放入无水乙醇中超声清洗15 min，然后用氮气枪吹干附着在洗好的基片表面的无水乙醇，然后将其放入UVO中臭氧处理15 min。将带有预设图案ITO基片置于匀胶机上旋涂空穴传输层，材料为PEDOT:PSS, 旋涂时间为40 s，转速为5000 RPM，空穴传输层厚度约为30 nm，然后放到加热台150℃温度后热退火处理10 min，将退火完成后的基片移入充满高纯氮的手套箱内，冷却至室温。在所得基片上用匀胶机上旋涂活性层S3。给体材料为PM6，受体材料为BO-4Cl，按照质量比1：1.2称取，按给体浓度10 mg/mL用CB溶剂溶解，在磁力加热台上75℃加热搅拌3 h。旋涂时间为30 s，转速为3000 RPM，膜厚度在110 nm。将所得基片置于加热台上，80℃热退火处理10 min。然后将所得基片置于匀胶机上旋涂电子传输层S4，材料为PDIN，旋涂时间为30 s，转速为5000 RPM。厚度约为100 nm。在所得基片的平行的两边的边缘往里一定的距离处，且垂直于长方形ITO S1的长边L1，平行于宽边M1刮掉一定宽度的涂层露出ITO层(如图2和图5所示)，其与电流-电压测试电极位置一一对应，。所述基片真空蒸镀法结合带有预设图案的掩膜板在基片上蒸镀金属银电极S5（如图3所示）。带有预设ITO图案的基片S0上的阳极层ITO S1、空穴传输层S2、活性层S3、电子传输层S4及阴极层N4重叠的区域为电池，电池区域为方形Q1（如图4所示）。将形成的Glass/ITO/PEDOT:PSS/PM6:BO-4Cl/ PDIN/ Ag有机太阳能电池进行电流-电压曲线采集。其结果如表1所示。
为将实施例更好说明，利用传统“一”字型电池及配套测试夹具进行同一体系的电池性能参数测量。如表2。
表1. PM6:BO-4Cl体系基于本测试基片的电池性能参数
PM6:BO-4Cl JSC[mA cm-2] VOC[V] FF[%] PCE[%]
1 26.41 0.852 77.95 17.54
2 26.29 0.852 78.61 17.61
3 26.44 0.851 78.00 17.55
4 26.25 0.853 77.83 17.42
5 26.37 0.853 78.12 17.57
6 26.34 0.854 78.05 17.56
（注：每个表中的数据均来自同一基片上的有效测试单元）
表2. PM6:BO-4Cl体系基于传统“一”字型ITO基片的电池性能参数
PM6:BO-4Cl JSC[mA cm-2] VOC[V] FF[%] PCE[%]
1 26.39 0.851 78.45 17.61
2 26.18 0.853 77.29 17.26
3 26.09 0.851 75.76 16.82
4 25.88 0.853 73.18 16.16
（注：每个表中的数据均来自同一基片上的有效测试单元）
由表1可知，来自同一基片的六组数据值较为一致，其六组数据的PCE最高值为17.61%，最低值为17.42%，PCE平均值为17.54%，标准偏差为0.059。由表2 中可以看出，来自同一基片上的四组数据中，最高的PCE为17.61%，最低的PCE为16.16%，四组数据的PCE平均值为16.16%，标准偏差为0.54。由此可以看出，基于本发明基片的电池制备效率和实验成功率大大提高，数据准确、稳定且平行性好。
实施例2
超声清洗法和紫外臭氧法对带有预设ITO图案的基片S0（如图1所示）进行清洗和处理。具体为先在清洁剂中超声清洗2 h并用去离子水冲洗5次，然后用去离子水在超声中清洗3次，最后放入无水乙醇中超声清洗15 min，然后用氮气枪吹干附着在洗好的基片表面的无水乙醇，然后将其放入UVO中臭氧处理15 min。将带有预设图案ITO基片置于匀胶机上旋涂空穴传输层，材料为PEDOT:PSS, 旋涂时间为35 s，转速为5000 RPM，空穴传输层厚度约为30 nm，然后放到加热台150℃温度后热退火处理15 min，将退火完成后的基片移入充满高纯氮的手套箱内，冷却至室温。在所得基片上用匀胶机上旋涂活性层S3。给体材料为PM1，受体材料为OSe，按照质量比1：1.25称取，按给体浓度8.8 mg/mL用CF溶剂溶解，在磁力加热台上45℃加热搅拌2.5 h。旋涂时间为30 s，转速为3000 RPM，膜厚度在110 nm。将所得基片置于加热台上，80℃热退火处理5 min。然后将所得基片置于匀胶机上旋涂电子传输层S4，材料为PDIN，旋涂时间为30 s，转速为6000 RPM。厚度约为100 nm。在所得基片的平行的两边的边缘往里一定的距离处，且垂直于长方形ITO S1的长边L1，平行于宽边M1刮掉一定宽度的涂层露出ITO层(如图2和图5所示)，其与电流-电压测试电极位置一一对应。所述基片真空蒸镀法结合带有预设图案的掩膜板在基片上蒸镀金属银电极S5（如图3所示）。带有预设ITO图案的基片S0上的阳极层ITO S1、空穴传输层S2、活性层S3、电子传输层S4及阴极层N4重叠的区域为电池，电池区域为方形Q1（如图4所示）。将形成的Glass/ITO/PEDOT:PSS/PM1:OSe/PDIN/Ag有机太阳能电池进行电流-电压曲线采集。其结果如表3所示。
为将实施例更好说明，利用传统“一”字型电池及配套测试夹具进行同一体系的电池性能参数。如表4。
表3. PM1:OSe体系基于本测试基片的电池性能参数
PM1：OSe JSC[mA cm-2] VOC[V] FF[%] PCE[%]
1 25.96 0.870 75.28 17.00
2 25.92 0.870 76.95 17.35
3 25.77 0.869 76.33 17.09
4 25.71 0.869 77.08 17.22
5 25.91 0.868 76.90 17.29
6 25.95 0.867 75.60 17.01
（注：每个表中的数据均来自同一基片上的有效测试单元）
表4. PM1:OSe体系基于传统“一”字型ITO基片的电池性能参数
PM1:OSe JSC[mA cm-2] VOC[V] FF[%] PCE[%]
1 25.99 0.867 76.32 17.20
2 25.97 0.866 74.80 16.82
3 25.94 0.865 73.31 16.45
4 25.71 0.864 71.40 15.86
（注：每个表中的数据均来自同一基片上的有效测试单元）
由表3可知，来自同一基片的六组数据值较为一致，其六组数据的PCE最高值为17.35%，最低值为17.00%，PCE平均值为17.16%，标准偏差为0.148。由表4 中可以看出，来自同一基片上的四组数据中，最高的PCE为17.20%，最低的PCE为15.86%，四组数据的PCE平均值为16.58%，标准偏差为0.571。由此可以看出，基于本发明基片的电池制备效率和实验成功率大大提高，数据准确、稳定且平行性好。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电流-电压测试用有机太阳能电池，依次包括基片S0、阳极层S1、空穴传输层S2、活性层S3、电子传输层S4和电极镀层S5，其特征在于，所述基片S0上带有预设ITO图案；且，所述带有预设ITO图案的基片S0的ITO涂层为阳极层S1，ITO涂层区域为多个长方形N1，长边为L1，宽边为M1，离散式均匀分布于基片表面的若干位置；
基片S0上垂直于ITO方向平行的边缘处布设无空穴传输层S2、活性层S3及电子传输层S4涂层的长方形区域N2以暴露ITO层；所述长方形区域N2垂直于长方形ITO区域N1的长边L1、平行于长方形ITO区域N1的宽边M1，与电流-电压测试电极位置一一对应。
2.根据权利要求1所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述基片S0为正方形玻璃材质。
3.根据权利要求1所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层S2为PEDOT:PSS。
4.根据权利要求1所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层S3包括给体材料和受体材料，所述给体材料包括PM6、D18或B1；所述受体材料包括Y6、BO-4Cl、BTP-eC9、L8-BO或OSe。
5.根据权利要求1所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层S4为PDIN、PDINN或PNDIT-F3N。
6.根据权利要求1所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述电极镀层S5包括L形区域N3和长方形区域N4，离散式均匀分布于基片表面，所述长方形区域N4与阳极层S1的长方形区域N1一一对应；且，
所述长方形区域N4的长边L4＜长方形区域N1的长边L1，长方形区域N4的宽边M4与长方形区域N1的宽边M1相等；
所述L形区域N3由长方形N31和长方形N32组成，且长方形区域N4的宽边M4＜N31的长边L311≤N32的长边L321，N31的宽边M311与长方形区域N4的宽边M4相等；N32的宽边M321≤长方形区域N1的宽边M1，长方形区域N4的长边L4＜N32的长边L321≤长方形区域N1的长边L1。
7.根据权利要求6所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述L形区域N3和长方形区域N4极性相反；且，
L形区域N3为有机太阳能电池的阴极层；长方形区域N4与ITO导通，共同作为有机太阳能电池的阳极。
8.根据权利要求6所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述长方形区域N2的长边L2与基片S0边长相等，所述长方形区域N2的宽边M2≤长方形N4的长边L4。
9.根据权利要求7所述的电流-电压测试用有机太阳能电池，其特征在于，所述电池的布设区域Q1为带有预设ITO图案的基片S0上的阳极层ITO S1、空穴传输层S2、活性层S3、电子传输层S4及阴极层N3重叠的区域。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的电流-电压测试用有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
I、超声清洗法和紫外臭氧法对带有预设ITO图案的基片S0进行清洗和处理；
II、在所述基片S0的表面通过旋涂法依次制备空穴传输层S2、活性层S3和电子传输层S4，旋涂面积即为基片S0大小；
III、在所述基片S0的表面垂直于ITO方向平行的边缘向基片S0表面的内部去掉旋涂涂层，形成无旋涂涂层长方形区域N2；
IV、对步骤III得到的基片真空蒸镀法结合带有预设图案的掩膜板在基片上蒸镀金属银电极S5，得到所述电流-电压测试用有机太阳能电池。
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