采用離子液體薄膜作中間層的反式有機太陽能電池及制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用離子液體薄膜作為中間層的反式有機太陽能電池器件及其制備方法。主要在于將離子液和光敏層的混合液制備在陽極上時自發(fā)發(fā)生垂直相分離成陰極中間層與光敏層，進(jìn)而制備出高效的反式有機太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池以其工藝簡單、柔性、低廉和可以通過卷對卷、噴墨打印等方法實現(xiàn)大面積生產(chǎn)等優(yōu)勢而備受關(guān)注。目前，研究者主要采用合成新的給體受體材料，新的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及中間層的探索等來進(jìn)一步提高有機太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。尤其在光敏層和電極之間引入中間層是制備高效太陽能電池的關(guān)鍵，中間層的引入有助于調(diào)變電極功函，使能帶位置更匹配，利于電荷收集，否則，電荷聚集和復(fù)合損失將降低有機太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。目前，一系列的陰極界面材料包括金屬氧化物、金屬碳酸鹽和水溶性的氨基及銨鹽的聚電解質(zhì)等已被成功的應(yīng)用到有機太陽能電池中。但是金屬氧化物、金屬碳酸鹽需要通過真空蒸鍍、濺射等方法進(jìn)行制備或溶液方法制備再進(jìn)行高溫處理，因而造成制備成本高，不利于產(chǎn)業(yè)化。聚電解質(zhì)雖然可以基于溶液過程進(jìn)行制備，但它有效厚度只有幾納米，大面積卷對卷制備這樣超薄均一膜具有挑戰(zhàn)性，而且多步法旋涂制備亦減損了有機太陽能電池工藝簡單的特點，所以急需尋找一種基于溶液、低成本且可大面積制備超薄膜的制備陰極中間層工藝。
[0003]我們利用離子液體與兩元光敏層溶液可自發(fā)的產(chǎn)生垂直相分離的現(xiàn)象一步實現(xiàn)超薄陰極中間層與光敏層的制備。這種方法主要是將含氨基的高表面能的材料與光敏層混合采用一步法制備，這樣由于表面能差異和靜電相互作用，在制備過程中，自發(fā)形成雙層結(jié)構(gòu)，即界面中間層和光敏層，大大簡化高效反式有機太陽能電池制備工藝且降低成本。目前為止，關(guān)于這種靜電自組裝一步法制備有機太陽能電池的研究仍然非常有限，而且將離子液和光敏層相混合一步法制備高效的有機太陽能電池仍然是一個空白。離子液體有較好的透光性，具有較好的電子傳輸能力，而且種類多、生產(chǎn)成本較低(專利，201410164123.9)。本發(fā)明采用離子液體與光敏層混合一步法旋涂，通過自發(fā)的垂直相分離原理可獲得高效的反式有機太陽能電池，而且一步旋涂法得到的器件的效率可類比于兩步旋涂得到器件的效率，從某種意義上來看，這種一步法制備反式有機太陽能電池對實際的大面積卷對卷產(chǎn)業(yè)化制備有機太陽能電池是非常有吸引力的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是利用離子液體作為有機太陽能電池的陰極中間層，主要制備工藝在于一步法旋涂離子液和光敏層的混合液，即可自發(fā)垂直相分離成雙層結(jié)構(gòu)的技術(shù)來制備高效的反式有機太陽能電池。目的在于提供一種低成本，易產(chǎn)業(yè)化的自組裝制備超薄膜的工藝來制備高效的反式有機太陽能電池。
[0005]本發(fā)明可將離子液體，光敏層配制成的溶液，采用旋涂、印刷、打印等卷對卷制備技術(shù)制備成薄膜，然后在離子液體薄膜上制備出有機太陽能電池。
[0006]采用離子液體薄膜作為中間層的有機太陽能電池，包括層狀相互疊合的陽極與陰極，以及在陽極與陰極之間的一光敏層，在該陽極和光敏層之間設(shè)置中間層，在所述的陰極和所述光敏層之間設(shè)置陰極中間層，所述陰極中間層為離子液體薄膜。
[0007]所述陽極中間層主要傳導(dǎo)空穴并且與所述陽極直接接觸，所述光敏層與所述陽極中間層直接接觸，光敏層的構(gòu)成材料包含配對的P型半導(dǎo)體材料與η型半導(dǎo)體材料，其質(zhì)量比為10:1-1:10 ;由P型半導(dǎo)體和η型半導(dǎo)體兩元組成，其中P型半導(dǎo)體材料和η型半導(dǎo)體材料質(zhì)量比為1:10-10:1 ;光敏層溶液的總濃度為4-100毫克/毫升；厚度范圍為
0.1nm-1OOOnmo 其中光敏層可包括 P 型半導(dǎo)體材料為 PPV、P3HT、PCDTBT、PDPP3T、PBDT-TFQ、PBDTTT-C、PBDTTT-E, PBDTTT-CF、PBDTTT-EF、PBDTTT-C-T, PBDTTT-E-T, PTB7 等、n 型半導(dǎo)體材料為 PC61BM、PC71BM, F8TBT、IC60BA, IC70BA, bisPCBM、CN-PCBM、NCBA 等。所述陰極中間層主要傳導(dǎo)電子并且與所述光敏層直接接觸，所述陰極與所述陰極中間層直接接觸。
[0008]所述陰極中間層的組成材料可包括咪唑類、吡啶類、季銨鹽類或季鱗鹽類正離子的離子液體材料，以及上述材料中兩種或兩種以上的復(fù)合物，且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01wt%?30wt%之間。
[0009]咪唑類正離子的離子液體材料為氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-芐基-3-甲基咪唑、1-芐基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、碘化1-丙基-3-甲基咪唑鹽、氯化1-辛基-3-甲基咪唑、1-辛基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、氯化1-羥乙基-3-甲基咪唑、1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、氯化1-羧甲基-3-甲基咪唑、1-羧甲基-4-甲基咪唑四氟硼酸鹽、氯化1-蒽甲基-3-甲基咪唑、1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯鹽、1-烷基(羥基)-3-甲基咪唑?qū)撬峄郾揭蚁}、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、碘化1-乙基-3-甲基咪唑、溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑、1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-十六烷基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽、1-丁基-3-甲基咪唑甲磺酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二丁酯鹽、1-丁基-3-甲基咪唑雙氰胺鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟銻酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑硝酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑辛硫酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑?qū)妆交撬猁}、1-羧甲基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、溴化1-羧甲基-3-甲基咪唑、4-(3-甲基-1-咪唑)-1-丁基磺酸內(nèi)鹽、4-(3-甲基-1-咪唑)-1- 丁基磺酸硫酸氫鹽、4-(3-甲基-1-咪唑)-1- 丁基磺酸三氟甲磺酸鹽、溴化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-乙酯甲基-3-甲基咪唑、1-乙酯甲基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、氫氧化1-丁基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基_2，3-二甲基咪唑、溴化1- 丁基-2，3- 二甲基咪唑、1- 丁基-2，3- 二甲基咪唑六氟磷酸鹽、1- 丁基-2，3- 二甲基咪唑四氟硼酸鹽、氯化1，3- 二亞甲基蒽咪唑、1，3- 二甲基咪唑硫酸甲酯鹽、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、溴化1，3-二芴基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑三氰甲鹽、溴化1-丁基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、溴化1-乙基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、氯化1-己基-3-甲基咪唑、溴化1-己基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、溴化1-辛基-3-甲基咪唑、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、溴化1-癸基-3-甲基咪唑、1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-癸基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-癸基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、溴化1-十二烷基-3-甲基咪唑、1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-十二烷基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-十二烷基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1-乙基_2，3- 二甲基咪唑氫溴酸鹽、1-乙基_2，3-二甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙基-2，3-二甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-乙基-2，3- 二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-乙基_2，3- 二甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1- 丁基-2，3- 二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1- 丁基_2，3- 二甲基咪唑甲磺酸鹽、1- 丁基_2，3- 二甲基咪唑辛磺酸鹽、1- 丁基_2，3- 二甲基咪唑?qū)妆交撬猁}、1- 丁基-2，3- 二甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、1- 丁基_2，3- 二甲基咪唑硫氰酸鹽、3，1-己基-2，3- 二甲基咪唑氫溴酸鹽、1-己基_2，3-二甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-己基-2，3-二甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-己基-2，3- 二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-己基_2，3- 二甲基咪唑