基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池及其制備方法，屬于有機聚合物光伏器件或有機半導體薄膜太陽能電池領(lǐng)域。該電池采用反型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為：襯底層，透明導電陰極ITO，陰極緩沖層，光活性層，陽極緩沖層，金屬陽極；光活性層的重量百分比組成為：電子給體39?39.5％，電子受體58?60％，有機小分子添加劑0.5?3％。在光活性層中加入有機小分子添加劑，增強了電子給體聚合物鏈間的共軛聚集，抑制了電子受體的團聚，提高光活性層的光吸收能力，提高空穴在光活性層中的載流子遷移率，從而提升了器件的光電轉(zhuǎn)換性能和壽命?；谟袡C小分子添加劑的有機太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)換性能高、壽命長、制備工藝簡單、制程短、成本低的優(yōu)點。
【專利說明】
基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于有機聚合物光伏器件或有機半導體薄膜太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及一種有機薄膜太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球能源需求的急劇增長，能源危機己經(jīng)成為各國經(jīng)濟發(fā)展所要面臨的首要難題。由于太陽能具有清潔無污染、分布廣泛、取之不盡用之不竭等特點，研究太陽能光伏發(fā)電解決能源危機成為可再生能源領(lǐng)域研究的重點與熱點。目前，根據(jù)組成太陽能電池的光活性層材料的不同，可以將太陽能電池分為無機太陽能電池和有機太陽能電池。與無機太陽能電池相比，有機太陽能電池不僅具有器件制備工藝簡單，還有材料易合成和分子化學結(jié)構(gòu)容易修飾的優(yōu)點，可以滿足成本低、耗能少、大面積制作容易的要求。從20世紀90年代起，隨著薄膜技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝制備的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能得到大幅度的提高。
[0003]與大規(guī)模生產(chǎn)的無機太陽能電池的相比，有機太陽能電池由于其光電轉(zhuǎn)換效率還相對較低，其實用化還尚需時日。有機太陽能電池的光活性層是決定器件光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。經(jīng)典的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)替代了原有的雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，使得電子給體與受體材料在光活性層中均勻的混合，從而增大了給體受體的接觸面積，為載流子傳輸提供了大量的通道，從而極大的提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004]然而，傳統(tǒng)的有機太陽能電池的光活性層仍然存在以下問題:光活性層中電子給體聚合物鏈間的共軛聚集度較低，電子受體的團聚較嚴重，從而導致了光活性層的光吸收較弱，空穴在光活性層的載流子迀移率較低，從而限制了有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能和壽命的提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，克服傳統(tǒng)的有機太陽能電池的光活性層中電子給體聚合物鏈間的共軛聚集度低和電子受體團聚較嚴重導致了光活性層的光吸收較弱，空穴在光活性層的載流子迀移率較低，從而限制了有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能和壽命的提高的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，該太陽能電池采用反型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為:襯底層，透明導電陰極ΙΤ0，陰極緩沖層，光活性層，陽極緩沖層，金屬陽極；光活性層的重量百分比組成為:電子給體39-39.5%，電子受體58-60%，有機小分子添加劑0.5-3%；所述有機小分子添加劑為苯-1，4-二硫醇、聯(lián)苯-4，4’ - 二硫醇、對三聯(lián)苯-4，4” - 二硫醇中的一種或多種。
[0007]進一步地，所述光活性層中，電子給體材料為PTB7。
[0008]進一步地，所述光活性層中，電子受體材料為PC71BM。
[0009]進一步地，所述陰極緩沖層材料為了?8丨、80?、8?1^11^193、2110或1102中的一種或多種，陰極緩沖層厚度范圍為l_20nmo
[0010]進一步地，所述陽極緩沖層材料為PEDOT: PSS，陽極緩沖層厚度為15-50nm。
[0011]進一步地，所述金屬陽極材料為Ag、Al或Cu中的一種或多種，金屬陽極厚度為100-300nmo
[0012]進一步地，所述襯底層材料為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹脂或聚丙烯酸中的一種或多種。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0014]1、通過摻入有機小分子添加劑到有機太陽能電池的光活性層，有機小分子添加劑上的硫醇基團能和電子給體上的氟基團形成氫鍵，增強電子給體聚合物鏈間的共軛聚集，降低電子受體的團聚，提高光活性層的光吸收能力，提高了空穴在光活性層中的載流子迀移率，從而提升了器件的光電轉(zhuǎn)換性能和壽命。
[0015]2、基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池器件超薄，除去襯底層厚度外，器件總厚度不超過200nmo
[0016]3、基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能高、壽命長、制備工藝簡單、制程短、成本低。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明所采用的電子給體材料PTB7、電子給體材料PC71BM、有機小分子添加劑的分子結(jié)構(gòu)不意圖。
[0019]圖3為實施例1和實施例2中所述器件在AM1.5(強度為lOOmW/cm2)照射下的電流密度-電壓特性曲線圖。
[0020]圖4為實施例1和實施例2中所述器件d的歸一化能量轉(zhuǎn)換效率-時間特性曲線圖。[0021 ]圖中標記:1-襯底層，2-透明導電陰極ITO，3-陰極緩沖層，4-光活性層，5_陽極緩沖層，6-金屬陽極。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，如圖1所示，該太陽能電池采用反型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為:襯底層，透明導電陰極ΙΤ0，陰極緩沖層，光活性層，陽極緩沖層，金屬陽極;光活性層的重量百分比組成為:電子給體39-39.5%，電子受體58-60%，有機小分子添加劑0.5-3%；所述有機小分子添加劑為苯-1，4-二硫醇、聯(lián)苯_4，4’-二硫醇、對三聯(lián)苯-4，4”-二硫醇中的一種或多種。所述光活性層中，電子給體材料為PTB7，電子受體材料為PC71BMο所述陰極緩沖層材料為TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或T12中的一種或多種，陰極緩沖層厚度范圍為l-20nm。所述陽極緩沖層材料為聚PED0T:PSS，陽極緩沖層厚度為15-50nm。所述金屬陽極材料為Ag、Al或Cu中的一種或多種，金屬陽極厚度為100-300nm。所述襯底層材料為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹脂或聚丙烯酸中的一種或多種。
[0025]實施例1
[0026]對照組:
[0027]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7: PCtiBM( 40 %:60% )光活性層(1200rpm ,50s, lOOnm)；在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆 PEDOT:?35溶液制備陽極緩沖層(3000印111，608，3011111)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，100mW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) = 0.70V，短路電流(Jsc)=10.5mA/cm2，填充因子(FF) =0.42，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = S-Og^idO天后，測得其PCE為1.39%,較之前的性能下降了 55 %。
[0028]實施例2:
[0029]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7: PCtiBM:苯-1，4-二硫醇(39 %: 58 %: 3 % )光活性層(1200rpm ,50s, lOOnm)；在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)。在標準測試條件下(AM 1.5, 10mff/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc)=
0.73V，短路電流(Jsc) = 14.9mA/cm2，填充因子(FF) =0.62，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =6.74%。30天后，測得其PCE為5.53%，較之前的性能下降了 18 %。
[0030]實施例3:
[0031]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7:PCtiBM:苯-1，4-二硫醇(39.5%: 59%: 1.5% )光活性層(1200rpm,50s, 10nm)；在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)0在標準測試條件下(AM 1.5，100mff/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) =0.72V，短路電流(Jsc) = 15.5mA/cm2，填充因子(FF) =0.60，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =6.70%o 30天后，測得其PCE為5.56%,較之前的性能下降了 17 %。
[0032]實施例4:
[0033]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7:PCtiBM:苯-1，4-二硫醇(39.5%:60%:0.5% )光活性層(1200rpm,50s, 10nm)；在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)0在標準測試條件下(AM 1.5，100mff/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc)=0.72V，短路電流(Jsc) = 15.1mA/cm2，填充因子(FF) =0.66，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =7.18%。30天后，測得其PCE為5.74%，較之前的性能下降了20%。
[0034]實施例5:
[0035]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7: PCtiBM:聯(lián)苯 _4，4，- 二硫醇(39%:58%:3% )光活性層(1200rpm ,50s, lOOnm)；在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PEDOT: PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)0在標準測試條件下(AM 1.5，100mff/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) =0.72V，短路電流(Jsc) = 14.1mA/cm2，填充因子(FF) =0.64，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =
6.50%。30天后，測得其PCE為5.46%，較之前的性能下降了 16 %。
[0036]實施例6:
[0037]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7:PCtiBM:聯(lián)苯_4，4，-二硫醇(39.5%:59%: 1.5% )光活性層(1200rpm，50s，10nm);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60S，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) = 0.74V，短路電流(Jsc) = 14.9mA/cm2，填充因子(FF) =0.59，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =
6.51%。30天后，測得其PCE為5.40%，較之前的性能下降了17%。
[0038]實施例7:
[0039]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7: PCtiBM:聯(lián)苯_4，4，-二硫醇(39.5 %: 60 %: 0.5 % )光活性層(1200rpm，50s，10nm);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60S，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) = 0.73V，短路電流(Jsc) = 15.1mA/cm2，填充因子(FF) =0.63，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =6.94%。30天后，測得其PCE為5.62%，較之前的性能下降了19%。
[0040]實施例8:
[0041]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備PTB7: PCtiBM:對三聯(lián)苯 _4，4” - 二硫醇(39%:58%:3% )光活性層(1200rpm ,50s, lOOnm)；在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60S，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(10nm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) = 0.74V，短路電流(Jsc) = 15.7mA/cm2，填充因子(FF) =0.68，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =7.90%o 30天后，測得其PCE為6.72%,較之前的性能下降了 15 %。
[0042]實施例9:
[0043]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備卩丁87:卩07181:對三聯(lián)苯-4，4”-二硫醇(39.5%:59%:1.5% )光活性層(1200rpm, 50s，lOOnm);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(lOOnm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) =0.74V，短路電流(Jsc) = 15.1mA/cm2，填充因子(FF) =0.69，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) = 7.71 %。30天后，測得其PCE為6.32%,較之前的性能下降了 18 %。
[0044]實施例10:
[0045]對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干;在透明導電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆ZnO (5000rpm，40s，15nm)制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火(200°C，60min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備卩丁87:卩07181:對三聯(lián)苯-4，4”-二硫醇(39.5%:59%:1.5% )光活性層(1200rpm, 50s，lOOnm);在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層(3000rpm，60s，30nm)，；在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag(lOOnm)。在標準測試條件下(AM 1.5，lOOmW/cm2)，測得器件的開路電壓(Voc) =0.74V，短路電流(Jsc) = 15.4mA/cm2，填充因子(FF) =0.66，光電轉(zhuǎn)換效率(PCE) =7.52 %。30天后，測得其PCE為6.02%，較之前的性能下降了 20 %。
[0046]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，該太陽能電池采用反型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為:襯底層，透明導電陰極ITO，陰極緩沖層，光活性層，陽極緩沖層，金屬陽極;光活性層的重量百分比組成為:電子給體39-39.5%，電子受體58-60%，有機小分子添加劑0.5-3%；所述有機小分子添加劑為苯-1，4-二硫醇、聯(lián)苯-4，4，-二硫醇、對三聯(lián)苯-4，4” - 二硫醇中的一種或多種。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，所述光活性層中電子給體材料為PTB7。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，所述光活性層中的電子受體材料為PC71BM。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，所述陰極緩沖層材料為TPB1、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或T12中的一種或多種，陰極緩沖層厚度范圍為l_20nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，所述陽極緩沖層的材料為PEDOT: PSS，陽極緩沖層厚度為15-50nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，所述金屬陽極材料為Ag、Al或Cu中的一種或多種，金屬陽極厚度為100-300nm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池，其特征在于，所述襯底層材料為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹脂或聚丙烯酸中的一種或多種。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池的制備方法，其特征在于，步驟如下: (1)對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干； (2)在透明導電陰極ITO表面旋涂制備陰極緩沖層，并將所形成的薄膜進行熱退火； (3)在陰極緩沖層上采用旋涂制備光活性層； (4)在光活性層表面旋轉(zhuǎn)涂覆制備陽極緩沖層； (5)在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于有機小分子添加劑的有機太陽能電池的制備方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)對表面粗糙度小于Inm的由透明襯底層及透明導電陰極ITO所組成的基板進行清洗，清洗后用氮氣吹干； (2)在透明導電陰極ITO表面旋涂ZnO制備陰極緩沖層，旋涂參數(shù)為:5000rpm,40s,15nm，并將所形成的薄膜進行熱退火，熱退火參數(shù)為:2000C，60min; (3)在陰極緩沖層上采用旋涂制備光活性層，光活性層材料為PTB7、PCnBM和對三聯(lián)苯-.4，4”-二硫醇的混合溶液，？了87:?07出1:對三聯(lián)苯-4，4”-二硫醇的重量比為39%:58%:3%，旋涂參數(shù)為:1200rpm，50s，10nm ； (4)在光活性層表面旋涂PED0T:PSS溶液制備陽極緩沖層，旋涂參數(shù)為:3000rpm，60s，30nm； (5)在陽極緩沖層上蒸鍍金屬陽極Ag，金屬陽極厚度為lOOnm。
【文檔編號】H01L51/48GK106025079SQ201610546653
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】于軍勝, 王瀚雨, 鄭丁, 鐘建
【申請人】電子科技大學