一種以三元組分為活性層的有機太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種以三元組分為活性層的有機太陽能電池，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域。本發明提供的電池器件結構中，其有機活性層采用三元組分，通過引入第二種共軛分子電子受體材料，調控第二種受體的相對含量，最大程度利用可見及紅外光區太陽光，提高光生激子產生數量，提高器件的短路電流密度，最終提升基于聚合物給體和非富勒烯受體體系太陽能電池的效率。
【專利說明】
一種以三元組分為活性層的有機太陽能電池
技術領域
[0001] 本發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技術領域，具體涉 及一種以三元組分為活性層的有機太陽能電池。
【背景技術】
[0002] 隨著社會的發展和人們生活水平的提高，社會對能源的需求也越來越高。化石能 源目前仍然占據主導地位。在我國，水的勢能和核能也得到極大的利用。其它比如風力，潮 汐能，地熱，太陽能等的利用還不占主流。化石能源產生的碳排放推動著全球氣候變暖。水 電則有破壞生態平衡和造成極端氣候的危險，引起越來越多的爭議。核電出事故造成的嚴 重危害也妨礙了這一能源的廣泛商業化。在這些目前的主力能源之外，越來越多的新能源 正被研究和開發，太陽能作為可再生能源被原來越多的關注。
[0003] 目前一些新型太陽能電池得到了廣泛的關注，比如有機太陽能電池，它是基于有 機聚合物或者小分子材料，采取溶液旋涂等方法制備的。這類產品具有輕薄，可卷曲，可制 成大面積等優點。經過短短十多年的發展，實驗室制備電池的效率已經達到10%(參見文獻： Z. He, C. Zhong, S. Su, M. Xu, H. Wu, Y. Cao, #ai. /%oio/3ics 2012，6，593)。但 是有機太陽能電池中通常采用富勒烯衍生物(PCBM等)作為電子受體材料。然而，富勒烯衍 生物具有難于合成，難于提純，價格昂貴，結構難以調整的特點，因此，需要尋找適合的有機 聚合物或小分子作為電子受體來取代富勒烯衍生物（參見文獻:T. Kim，J. H. Kim，T. E. Kang, C. Y. Lee, Η. B. Kang, M. ff. Shin, C. Wang，B. ff. Ma，U· Jeong，T. S. Kim, B. J. Kim, Nat. Commun. 2015，6，8547; Η. Y. Li, Y.-J. Hwang,B. A. E. Courtright， F. N. Eberle， S. Subramaniyan， S. A. Jenekhe， Adv. Mater. 2015， 27，3266; D. Meng, D. Sun, C. M. Zhong, T. Liu, B. B. Fan, L. J. Huo, Y. Li, ff. Jiang, H. Choi, T. Kim, J. Y. Kim, Y. M. Sun, Z. H. Wang，A. J. Heeger，J. Am. Chem. Soc. 2016，138，375; C. Lee, H. Kang, ff. Lee, T. Kim, K.-H. Kim, H. Y. Woo， C. Wang， B. J. Kim， Adv. Mater. 2015， 27， 2466)。
【發明內容】
[0004] 本發明針對目前有機太陽能電池中富勒烯受體價格昂貴、光學性能較差，熱穩定 性和機械性能較差的不足，在采用聚合物材料作為主要電子受體的基礎上，提供一種通過 三元共混增強吸收的方法，將三種有機半導體材料共混制作電池器件，有效提高有機太陽 能電池性能。
[0005] 實現本發明目的的技術方案是提供一種有機太陽能電池，其結構包括透明玻璃襯 底，透明導電電極ΙΤ0,陰極緩沖層，有機活性層，陽極緩沖層和金屬電極;本發明所述的有 機活性層包括三種組分，按重量百分比，聚合物電子給體60%，聚合物電子受體20%~39%，小 分子電子受體1 %~20%; 所述的聚合物電子給體材料為寬光學帶隙PTP8，PT8或PTQ1中的任意一種，對應的 結構式分別為：
所述的聚合物電子受體材料為PA-1或N2200中的任意一種，對應的結構式分別為：
所述的小分子電子受體材料為稠環類線性共輒分子材料ITIC，其結構為：
[0006] 本發明所述有機活性層的一個優選方案是:聚合物電子受體為34%，小分子電子受 體為6%。
[0007] 本發明所述陽極緩沖層的材料為氟化鋰或鈣，陽極緩沖層厚度為0.6~10 nm。所 述陰極緩沖層的材料為PED0T:PSS，陰極緩沖層厚度為30~50 nm。所述的有機活性層厚度 范圍為80~100 nm。
[0008] 本發明在有機活性層中，通過保持給體聚合物含量不變，調控兩種受體的相對含 量，最大程度利用可見及紅外光區太陽光，提高激子產生數量，提高器件的短路電流密度， 最終提升器件的光電轉換性能。
[0009] 與現有技術相比，本發明的有益效果是： 本發明有機活性層采用三元組合體系，在非富勒烯太陽能電池中，具有效率高的特點； 通過加入小分子受體，進一步增強光的吸收，在不影響其他參數的前提下，增加短路電流， 進而提高全聚合物太陽能電池的光電轉換效率。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明所涉及的三元組分活性層有機太陽能電池的結構示意圖。
[0011]圖2是不同質量比PTP8:PA-1:ITIC三元組分活性層有機太陽能電池的光吸收譜 圖。
[0012]圖3是不同質量比PTP8:PA-1:ITIC三元組分活性層有機太陽能電池器件電流-電 壓特性曲線圖。
[0013]圖4是不同質量比PTP8:PA-1:ITIC三元組分活性層的原子力顯微鏡形貌圖。
[0014]圖5是不同質量比PT8:PA-1:ITIC三元組分活性層有機太陽能電池器件電流-電壓 特性曲線圖。
[0015]圖6是不同質量比PTQ1:N2200:ITIC三元組分活性層有機太陽能電池器件電流-電 壓特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖及實施例對本發明技術方案作進一步說明。
[0017] 實施例 本發明的技術方案提供一種不需要富勒烯及其衍生物的三元體系聚合物-非富勒烯有 機太陽能電池，其結構參見附圖1，有機太陽能電池采用正置結構，從下到上依次為：透明 玻璃襯底，透明導電陰極ΙΤ0，材料為PEDOT: PSS的陰極緩沖層，有機活性層，材料為氟化鋰 或鈣的陽極緩沖層，鋁金屬陽極。陽極緩沖層厚度為0.6~10 nm，陰極緩沖層厚度為30~50 nm〇
[0018] 對玻璃透明襯底及透明導電陰極ΙΤ0所組成的基板分別用丙酮，肥皂水，異丙 醇，丙酮進行清洗;干燥后在透明導電陰極ΙΤ0表面旋轉涂布一層40~45nm的PED0T:PSS， 并將所形成的薄膜進行退火處理（140°C，15min)。
[0019] 在陰極緩沖層上采用旋涂分別制備有機活性層樣品，按重量百分比： PTP8:PA-1:ITIC(60%:40%:0%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:36%:4%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:34%:6%)； PTP8:PA-1:1TIC(60%:3 2%:8%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:28%:12%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:15%:15%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:12%:28%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:0%:40%)〇
[0020] PTP8的結構式為：
[0021] 將有機材料溶解于氯仿中，旋涂得到的薄膜厚度約80~lOOnm (1000 rpm,40s)， 有機活性層均不需要加熱處理;在有機層上用熱蒸發蒸鍍修飾層LiF(0.6nm)及金屬電極A1 (lOOnm)〇
[0022] 參見附圖2,它是不同質量比PTP8:PA-1:ITIC三元組分活性層有機太陽能電池的 光吸收譜圖。參見附圖3,它是不同質量比PTP8:PA-1:ITIC三元組分活性層有機太陽能電池 器件電流-電壓特性曲線圖。參見附圖4,它是有機太陽能電池中不同質量比PTP8:PA-1: ITIC三元組分活性層的原子力顯微鏡形貌圖，PTP8:PA-1: ITIC分別為:A圖（60%: 40%: 0%)，B 圖（60%:34%:6%)，C圖（60%:0%:40%)。
[0023] 以P T P 8 : P A -1: ITIC有機活性層樣品為對照組，在標準測試條件下（Α Μ 1.5， 100mW/cm2)，測得器件的開路電壓ν%=0.976ν，短路電流Jsc=10.49mA/cm 2，填充因子FF= 0.57,光電轉換效率PCE=5.82%。
[0024] 對PTP8: PA-1: ITIC(60%: 34%: 6%)有機活性層樣品，在標準測試條件下(AM 1.5， 100mW/cm2)，測得器件的開路電壓ν%=0.976ν，短路電流Jsc=11.56mA/cm 2，填充因子FF= 0.57，光電轉換效率PCE=6.43%。該有機活性層的工藝條件為最優。
[0025] 實施例2 對玻璃透明襯底及透明導電陰極ITO所組成的基板分別用丙酮，肥皂水，異丙醇，丙 酮進行清洗;干燥后在透明導電陰極ITO表面旋轉涂布一層40~45nm的PEDOT:PSS，并將 所形成的薄膜進行退火處理（140°C，15min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備有機活性 層分別制備樣品： PT8:PA-1:ITIC(60%:40%:0%)； PTP8:PA-1:ITIC(60%:34%:6%)〇 [0026] PT8的結構式為：
[0027]有機材料均溶解于氯仿，旋涂得到的薄膜厚度約80~100nm (1000rpm，40s)，有機 活性層均不需要加熱處理；在有機層上用熱蒸發蒸鍍修飾層LiF(0.6nm)及金屬電極A1 (100nm)〇
[0028] 對照組 PT8:PA-1:ITIC(60%:40%:0%)，在標準測試條件下：AM 1.5，100mW/cm2,測 得器件的開路電壓Voc-l.OlV，短路電流Jsc=7.77mA/cm 2,填充因子FF=0.53,光電轉換效 率 PCE=4.16%。
[0029] 最優工藝條件為？了8:?4-1:111(：(60% :34%:6%)。在標準測試條件下^11.5， 100mW/cm2,測得器件的開路電壓V QC=1.03V，短路電流Jsc=8.44mA/cm2，填充因子FF= 0.60,光電轉換效率PCE=5.32 %。
[0030] 參見附圖5,它是不同質量比PT8:PA-1:ITIC三元太陽能電池器件電流-電壓特性 曲線圖。
[0031] 實施例3 對玻璃透明襯底及透明導電陰極ΙΤ0所組成的基板分別用丙酮，肥皂水，異丙醇，丙 酮進行清洗;干燥后在透明導電陰極ΙΤ0表面旋轉涂布一層40~45nm的PED0T:PSS，并將 所形成的薄膜進行退火處理（140°C，15min);在陰極緩沖層上采用旋涂制備有機活性層 分別制備樣品： PTQ1:N2200:ITIC(60%:40%:0%); PTQ1:N2200:ITIC(60%:34%:6%)。
[0032] PTQ1的結構式為：
[0033] 有機材料均溶解于氯仿，旋涂得到的薄膜厚度約80~lOOnm (1000rpm，40s)，有機 活性層均不需要加熱處理；在有機層上用熱蒸發蒸鍍修飾層LiF(0.6nm)及金屬電極A1 (lOOnm)〇
[0034] 對照組 PTQ1:N2200:ITIC(60%:40%:0%)，在標準測試條件下：AM 1.5，100mW/ cm2,測得器件的開路電壓ν'0.75ν，短路電流Jsc=11.27mA/cm2，填充因子FF=0.42,光 電轉換效率PCE=3.55 %。
[0035] 最優工藝條件為？了01:呢200:11'1(：(60%:34%:6%);在標準測試條件下：411.5， 100mW/cm 2,測得器件的開路電壓ν'0·76ν，短路電流Jsc=12.21mA/cm2，填充因子FF= 0.49,光電轉換效率PCE=4.55 %。
[0036] 參見附圖6,它是不同質量比PTQ1:N2200:ITIC三元太陽能電池器件電流-電壓特 性曲線圖。
[0037] 采用本發明技術方案，其有機活性層器件性能最優時的重量百分比組成為：聚合 物電子給體60%，聚合物電子受體34%，有機小分子電子受體6%。有機活性層中，聚合物給 體材料可以為PTP8，PT8，PBPT-12，聚合物受體材料為PA-1，N2200，小分子受體材料為ITIC。
【主權項】
1. 一種有機太陽能電池，其結構包括透明玻璃襯底，透明導電電極ITO,陰極緩沖層， 有機活性層，陽極緩沖層和金屬電極;其特征在于:所述的有機活性層包括三種組分，按重 量百分比，聚合物電子給體60%，聚合物電子受體20%~39%，小分子電子受體1 %~20%; 所述的聚合物電子給體材料為寬光學帶隙ΡΤΡ8，ΡΤ8或PTQl中的任意一種，對應的 結構式分別為：所述的聚合物電子受體材料為PA-I或Ν2200中的任意一種，對應的結構式分別為：所述的小分子電子受體材料為稠環類線性共輒分子材料ITIC，其結構為：me2. 根據權利要求1所述的一種有機太陽能電池，其特征在于:聚合物電子受體為34%，小 分子電子受體為6%。3. 根據權利要求1所述的一種有機太陽能電池，其特征在于:所述陽極緩沖層的材料 為氟化鋰或鈣，陽極緩沖層厚度為0.6~10 nm。4. 根據權利要求1所述的一種有機太陽能電池，其特征在于:所述陰極緩沖層的材料 為PED0T:PSS，陰極緩沖層厚度為30~50 nm〇5. 根據權利要求1所述的一種有機太陽能電池，其特征在于:所述的有機活性層厚度 為80~100 nm。
【文檔編號】H01L51/46GK106025073SQ201610413825
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】馬萬里, 丁冠群, 袁建宇, 張燕南, 賈忠娟
【申請人】蘇州大學