一種有機太陽能電池活性層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有機太陽能電池活性層及其制備方法。以羧酸類衍生物作為溶劑添加劑在有機太陽能電池中的應用，屬于有機光伏器件或有機半導體薄膜太陽能電池領域。在有機活性層中，通過加入少量的羧酸類衍生物，增強了活性層對可見光的吸收增強，電池的短路電流得到明顯提升；同時，加入溶劑添加劑能有效的促進給體和受體材料的相分離，增強載流子的傳輸，提升了器件的填充因子，提升了有機太陽能電池的效率。
【專利說明】
一種有機太陽能電池活性層及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于有機光伏器件或有機半導體薄膜太陽能電池領域，具體涉及一有機太 陽能電池活性層及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科技的發(fā)展和進步，人民生活水平的提高，對能源的需求也大大增加。我國目 前使用較廣泛的能源是石油，煤炭等，但是，這類能源不可再生且會對環(huán)境造成很大的污 染。所以，尋找更清潔的能源是很有必要的。而太陽能具有清潔可再生等優(yōu)點，是近幾年來 研究的熱點。對于太陽能的應用主要的一種途徑是通過太陽能電池來實現(xiàn)光電之間的轉(zhuǎn) 換。對于太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率是其重要參數(shù)之一。其中晶體硅以及化合物太陽能電池 雖然轉(zhuǎn)換效率相對較高，但是制備工藝復雜，且成本較高，未能得到廣泛使用。
[0003] 目前，一些新型太陽能電池得到了廣泛的關注，有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)，從下到上 依次包括玻璃襯底，透明電極ΙΤ0,陽極緩沖層（陰極緩沖層），有機活性層，陰極緩沖層（陽 極緩沖層）和金屬電極。文獻(Mihailetchi V D, Koster L J A, Hummelen J C, et al. Photocurrent generation in polymer-fullerene bulk heterojunctions[J]. Physical review letters, 2004, 93(21): 216601)報道了一種有機太陽能電池，其光敏 層材料為有機聚合物或小分子。有機太陽能電池通常采取溶液旋涂法制備，具有制備工藝 簡單，成本低等優(yōu)點。經(jīng)過短短十多年的發(fā)展，實驗室制備電池的效率已經(jīng)達到11.2%(參見 文南犬：Zhao W，Qian D，Zhang S, et al. Fullerene-Free Polymer Solar Cells with over 11% Efficiency and Excellent Thermal Stability[J]. Advanced Materials, 2016, 28(23): 4734-4739.)。為了提高太陽能電池的器件性能，通常在太陽能電池中引入 添加劑，常見的添加劑為1，8_二碘辛烷(參見文獻：Sun Y，Welch G C，Leong W L，et al. Solution-processed small-molecule solar cells with 6.7% efficiency[J]· Nature materials, 2012，11(1): 44-48·)，氯萘（參見文獻：Hoven C V，Dang X D， Coffin R C, et al. Improved performance of polymer bulk heterojunction solar cells through the reduction of phase separation via solvent additives[J]. Advanced Materials, 2010，22(8).)。現(xiàn)有的添加劑I，8-二碘辛烷等都含有鹵族元素，屬 于有毒物質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有有機太陽能電池活性層存在的不足，采用無毒性的綠色溶劑添加 劑，提供一種有機太陽能電池活性層及其制備方法，并能有效提高聚合物-聚合物太陽能電 池以及聚合物-小分子有機太陽能電池的性能。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是:一種有機太陽能電池活性層的制備方法，將電子 給體和電子受體材料混合，溶解于加入添加劑的溶劑中，將得到的溶液旋涂于陽極修飾層 上，所述的添加劑為通式R-C00H的羧酸類衍生物，其中，R為如下基團中的任意一種:氫，具 有1~30個碳原子的烷基，具有1~30個碳原子的含芳環(huán)或芳雜環(huán)的烷基。
[0006] 上述技術方案中，所述的溶劑為氯仿，羧酸類衍生物添加劑與溶劑的體積比為0.3 ~2:99.7~98。優(yōu)選地，羧酸類衍生物添加劑與溶劑的體積比為0.5:99.5。
[0007] 或者，所述的溶劑為氯苯，羧酸類衍生物添加劑與溶劑的體積比為0.05:99.95。 [0008]上述技術方案中，所述的電子給體材料為具有如下結(jié)構(gòu)式的D-A型窄帶隙共輒聚 合物中的一種，分別記作PTP8和PBDTTBDD:
[0009]所述的電子受體材料為記作P(NDI2HD-T)的具有如下結(jié)構(gòu)式的聚合物：
[00?0]或者，所述的電子受體材料為記作ITIC的具有如下結(jié)構(gòu)式的小分子：
[0011] 所述的羧酸類衍生物添加劑為下列中的一種：
[0012] 使用上述有機太陽能電池活性層的有機太陽能電池采用的正置結(jié)構(gòu)中，從下到上 依次為：玻璃襯底，透明電極ITO，陽極緩沖層PEDOT: PSS，有機活性層，陰極緩沖層LiF，金 屬電極A1。在有機活性層中加入羧酸作為添加劑。當有機活性層的溶劑為氯仿時，溶劑添加 劑羧酸與溶劑比例為〇. 5 :99.5;當有機活性層的溶劑為氯苯時，溶劑添加劑羧酸與溶劑比 例為0.05:99.95?；钚詫硬牧贤ㄟ^將電子給體和電子受體材料混合后加入添加劑旋涂于陽 極修飾層上。
[0013] 現(xiàn)有太陽能電池有機活性層溶劑添加劑所使用的1，8_二碘辛烷等含有鹵族元素， 屬有毒物質(zhì)。因此，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：以羧酸類衍生物為添加劑，羧 酸類衍生物僅含碳、氫、氧三種元素，無毒性，應用于太陽能電池有機活性層制備中溶劑的 添加劑，具有綠色、環(huán)保的特點；同時，還能有效提高聚合物-聚合物太陽能電池以及聚合 物-小分子有機太陽能電池的性能。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實施例1提供的活性層材料中加入不同比例羧酸類衍生物所對應的 有機太陽能的電池器件的J-V曲線。
[0015] 圖2是本發(fā)明實施例1提供的活性層材料中未加入羧酸類衍生物(A1、A2)器件與加 入羧酸類衍生物(BI、B2)器件的AFM對比圖。
[0016] 圖3~5依次為本發(fā)明實施例1、2和3分別提供的活性層材料中，加入與未加入羧酸 類衍生物所對應的有機太陽能的電池器件的J-V曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明技術方案作進一步說明。
[0018] 本發(fā)明的技術方案提供了 一種無毒的有機太陽能電池有機活性層的添加劑。太陽 能電池采用正置結(jié)構(gòu)，從下到上依次為：玻璃襯底，透明電極ΙΤ0,陽極緩沖層，有機活性 層，陰極緩沖層，金屬電極。有機活性層中加入羧酸類衍生物作為添加劑。
[0019] 實施例1 對玻璃透明襯底及透明電極ITO所組成的襯底分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進 行清洗。紫外臭氧30分鐘再在ITO表面旋涂一層40~45nm的PED0T:PSS，在150°C下退火10 分鐘，然后將襯底轉(zhuǎn)移到氮氣氛圍的手套箱中，旋涂有機活性層PTP8:P(NDI2HD-T)。
[0020]
[0021] 在本實施例中，將有機活性層材料均溶解于氯仿中，加入添加劑羧酸類衍生物為 反式-2癸烯酸，添加劑的加入量與有機溶劑氯仿，按體積百分比分別為0，0.3，0.5，0.8和2 ，旋涂得到的薄膜厚度約70~IOOnm (2500 rpm，40s)，有機活性層不需要加熱處理，再在有 機活性層上用熱蒸發(fā)蒸鍍修飾層LiF(0 · 6nm)及金屬電極Al( IOOnm) 〇
[0022] 參見附圖1，它是本實施例提供的在溶劑氯仿中添加不同比例的羧酸類衍生物所 對應的有機太陽能的電池器件的J-V曲線。由圖1可見，羧酸類衍生物加入的最優(yōu)比例為 0.5% 〇
[0023]參見附圖2,它是本實施例未加入羧酸類衍生物（圖Al、A2)與加入羧酸類衍生物 (圖BI、B2)的AFM對比圖。
[0024]以未加入添加劑的有機活性層(PTP8:PA-I )為對照組，在標準測試條件AM 1.5， 100mW/cm2下測得器件的開路電壓V。。= 0.9875V，短路電流Jsc= 7.79mA/cm2，填充因子 FF=O .48,光電轉(zhuǎn)換效率PCE= 3.69 %。
[0025] 加入最優(yōu)比例0.5%的羧酸類衍生物反式-2癸烯酸后，在標準測試條件下：AM 1.5，100mW/cm2器件的開路電壓V。。= 0.95V，短路電流Jsc= 9.92 mA/cm2，填充因子FF= 0.54,光電轉(zhuǎn)換效率PCE= 5.11 %。
[0026] 參見附圖3,為本實施例提供的活性層材料中，加入最優(yōu)比例0.5%羧酸類衍生物與 未加入羧酸類衍生物所對應的有機太陽能的電池器件的J-V曲線對比圖。
[0027] 實施例2 對玻璃透明襯底及透明電極ITO所組成的襯底分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進 行清洗。紫外臭氧30分鐘再在ITO表面旋涂一層40-45nm的PEDOT:PSS，在150°C下退火10 分鐘，然后將襯底轉(zhuǎn)移到氮氣手套箱中，旋涂有機活性層PBDTBDD: ITIC。
[0028]
[0029] 在本實施例中，將有機活性層材料均溶解于氯仿中，加入添加劑羧酸類衍生物為 反式-2癸烯酸，添加劑的加入量與有機溶劑氯仿，按體積百分比為0.5%;旋涂得到的薄膜厚 度約70~90nm (2000 rpm，40s)，有機活性層需要120 °C下退火10分鐘，再在有機活性層上 用熱蒸發(fā)蒸鍍修飾層LiF(0 · 6nm)及金屬電極Al( IOOnm) 〇
[0030] 以未加入添加劑的有機活性層（PBDTBDD: ITIC)為對照組，在標準測試條件AM 1.5，IOOmW/cm2下測得器件的開路電壓V。。= 0.85V，短路電流Jsc= 13.4mA/cm2，填充因 子FF=O.60,光電轉(zhuǎn)換效率PCE= 6.86 %。
[0031 ]加入最優(yōu)比例(0.5%)的羧酸類衍生物(反式-2癸烯酸)后，在標準測試條件下：AM 1.5，100mW/cm2器件的開路電壓V。。= 0.8375V，短路電流Jsc= 14.84mA/cm2，填充因子 FF=O .61，光電轉(zhuǎn)換效率PCE= 7.56 %。
[0032] 參見附圖4,它是活性層材料中未加入羧酸類衍生物添加劑與本實施例提供的活 性層材料加入最優(yōu)羧酸類衍生物濃度的電池器件J-V曲線對比圖。
[0033] 實施例3 對玻璃透明襯底及透明電極ITO所組成的襯底分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進 行清洗。紫外臭氧30分鐘再在ITO表面旋涂一層40~45nm的PED0T:PSS，在150°C下退火10 分鐘，然后將襯底轉(zhuǎn)移到氮氣手套箱中，旋涂有機活性層PBDTBDD: ITIC。
[0034] 在本實施例中，將有機活性層材料溶解于氯苯，加入羧酸類衍生物（反式-2癸烯 酸)添加劑，與氯苯按體積百分比為0.05%，旋涂得到的薄膜厚度約80~110 nm (1000 rpm, 60s)，有機活性層需要120 °C下退火10分鐘，再在有機活性層上用熱蒸發(fā)蒸鍍修飾層LiF (0.6nm)及金屬電極 Al(IOOnm) 〇
[0035]以未加入添加劑的有機活性層（PBDTBDD: ITIC)為對照組，在標準測試條件AM 1.5，10〇11^/〇112下測得器件的開路電壓￥〇〇= 0.8625￥，短路電流了8〇=13.1911^/〇112，填 充因子FF=O.64,光電轉(zhuǎn)換效率PCE= 7.28 %。
[0036] 加入最優(yōu)比例(0.05%)的羧酸類衍生物(反式-2癸烯酸)后，在標準測試條件下： AM 1.5，100mW/cm2器件的開路電壓 Voc= 0.8625V，短路電流 Jsc= 14.02mA/cm2,填充 因子FF=O.67,光電轉(zhuǎn)換效率PCE= 8.12 %。
[0037] 參見附圖5,它是活性層材料中未加入羧酸類衍生物添加劑與本實施例提供的活 性層材料加入最優(yōu)羧酸類衍生物濃度的電池器件J-V曲線對比圖。
【主權項】
1. 一種有機太陽能電池活性層的制備方法，將電子給體和電子受體材料混合，溶解于 加入添加劑的溶劑中，將得到的溶液旋涂于陽極修飾層上，其特征在于:所述的添加劑為通 式R-COOH的羧酸類衍生物，其中，R為如下基團中的任意一種:氫，具有1~30個碳原子的烷 基，具有1~30個碳原子的含芳環(huán)或芳雜環(huán)的烷基。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:所述的 溶劑為氯仿，羧酸類衍生物添加劑與溶劑的體積比為〇. 3~2:99.7~98。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:羧酸類 衍生物添加劑與溶劑的體積比為0.5:99.5。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:所述的 溶劑為氯苯，羧酸類衍生物添加劑與溶劑的體積比為〇. 05:99.95。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:所述的 電子給體材料為具有如下結(jié)構(gòu)式的D-A型窄帶隙共輒聚合物中的一種，分別記作PTP8和 PBDTTBDD：6. 根據(jù)權利要求1所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:所述的 電子受體材料為記作P(NDI2HD-T)的具有如下結(jié)構(gòu)式的聚合物：7. 根據(jù)權利要求1所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:所述的 電子受體材料為記作ITIC的具有如下結(jié)構(gòu)式的小分子：8. 根據(jù)權利要求1所述的一種有機太陽能電池活性層的制備方法，其特征在于:所述的 羧酸類衍生物添加劑為下列中的一種：9.按權利要求1制備方法得到的一種有機太陽能電池活性層。
【文檔編號】H01L51/46GK106058056SQ201610632500
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月4日
【發(fā)明人】馬萬里, 張燕南, 袁建宇, 丁冠群
【申請人】蘇州大學