CN108767118B - 一种三元全聚合物太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三元全聚合物太阳能电池，属于光伏技术领域。将强结晶性的非富勒烯小分子受体作为第三组分加入到二元全聚合物太阳能电池的光活性层中，该电池采用反型结构，光活性层的重量百分比组成为：电子给体41.6～50％，电子受体41.6～50％，强结晶性非富勒烯小分子受体0～16.6％。在光活性层中加入强结晶性的非富勒烯小分子受体材料，拓宽光谱吸收，改善相分离，可以抑制双分子电荷重组，从而导致更有效的电荷产生和传输，提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。本发明的三元全聚合物太阳能电池具有光电转换性能高、制备工艺简单、制程短、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种有机聚合物光伏器件，尤其是一种三元全聚合物太阳能电池。
背景技术
本体异质结(BHJ)聚合物太阳能电池(PSCs)作为一种有前途的绿色可再生能源技术，由于其具有重量轻、成本低、制备简单并且具备大面积制备柔性太阳能电池等优点，渐渐成为了人们研究的热点。目前，单结电池的最高的光电功率转换效率(PCE)已经超过13％。其中，由作为给体的p型共轭聚合物和作为受体的n型共轭聚合物组成的全聚合物太阳能电池，由于其相对于常规基于聚合物：富勒烯的聚合物太阳能电池具有许多潜在优势而引起广泛关注。例如容易调谐的吸收和分子能级，以及与富勒烯衍生物相比更好的形态稳定性等。迄今为止，全聚合物太阳能电池的最高效率已超过8％。其中，含萘二酰亚胺的n型共轭聚合物受体N2200，由于其较宽的吸收光谱、较高的电子亲和力和电子迁移率等，被广泛应用于全聚合物太阳能电池器件中。通过协同效应选择合适的给体并优化活性层形貌，基于N2200受体的全聚合物太阳能电池的PCE从初始低于1％的效率迅速提升至目前的5～8％。然而，由于聚合物电子受体各向异性的电荷传输性质，较差的给体/受体互穿网络形态，较差的电荷输送性质以及n型聚合物受体的弱吸光度等缺点，全聚合物太阳能的PCE与基于最优的聚合物：富勒烯的聚合物太阳能电池相比，仍有较大差距。
为了克服这些问题，实现高效率的聚合物太阳能电池，一种有效的方法是在全聚合物太阳能电池***中引入具有吸收互补、能级匹配以及结晶度高的第三组分形成三元有机太阳能电池。通常，包括量子点、染料敏化剂、聚合物和小分子等的各种给体材料被尝试用于构筑三元体系。然而，用于三元体系的非富勒烯电子受体材料的研究仍然滞后。因此，如何选择第三组分受体，与现有的聚合物电子给体和聚合物电子受体相匹配仍然是提高全聚合物太阳能电池光电转换效率的关键。本发明中公开一种由一个给体和两个非富勒烯受体组成的三元全聚合物体系。通过在聚合物体系中加入强结晶性非富勒烯小分子受体来改善器件性能，当我们向二元体系中加入适量强结晶性非富勒烯小分子受体之后，器件效率得到明显改善。因此，在聚合物体系中加入强结晶性的非富勒烯小分子是提高全聚合物太阳能电池光电转换效率的有效手段。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，如何选择第三组分受体，与现有的聚合物电子给体和聚合物电子受体相匹配仍然是提高全聚合物太阳能电池光电转换效率的关键。本发明提供一种三元全聚合物太阳能电池，具体是在聚合物太阳能电池体系中，引入一种强结晶性非富勒烯小分子电子受体，掺杂形成三元全聚合物太阳能电池；目的是通过在光活性层中引入强结晶性非富勒烯小分子电子受体，拓宽光谱吸收同时，改善相分离，抑制双分子电荷重组，促进电荷产生和传输，从而提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能，制备出高性能的三元全聚合物太阳能电池器件。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种三元全聚合物太阳能电池，强结晶性的非富勒烯小分子受体作为第三组分加入到二元全聚合物太阳能电池的光活性层中，该电池采用反型结构，光活性层的重量百分比组成为：聚合物电子给体41.6～50％，第一聚合物电子受体41.6～50％，强结晶性非富勒烯小分子电子受体0～16.8％。在光活性层中加入强结晶性的非富勒烯小分子受体材料，拓宽光谱吸收，改善相分离，可以抑制双分子电荷重组，从而导致更有效的电荷产生和传输，提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。该电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，透明导电阴极，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极。
进一步的，所述强结晶性非富勒烯小分子受体为不包含富勒烯基团的共扼小分子化合物，如RTCN；吸收光谱带在300～900nm之间。
进一步的，所述光活性层中，聚合物电子给体、第一聚合物电子受体及强结晶性非富勒烯小分子电子受体的重量百分比组成为1：1：(0～0.4)。
进一步的，所述光活性层中电子给体材料为窄带系聚合物电子给体，如可以是聚噻吩衍生物P3HT、PTB7-Th或PBDB-T中的一种。
进一步的，所述光活性层中的第一电子受体材料为含萘二酰亚胺的n型共轭聚合物受体，如N2200。
进一步的，所述阳极缓冲层的材料为具有空穴传输能力或电子阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，此膜层厚度范围为:1～200nm。
进一步的，所述阴极缓冲层材料为具有电子传输能力或空穴阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，如可以是TPBi、BCP、Bphen、Alq3、AZO、ZnO或TiO2中的一种或多种，此膜层厚度范围为1～200nm。
进一步的，所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸醋、聚氨基甲酸醋、聚酞亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
进一步的，所述透明电极材料为在可见光区透明或半透明的导电材料，透光率大于50％。
进一步的，所述金属阳极材料为金、银、铂、铜、铝等。
有益效果：本发明提供的一种三元全聚合物太阳能电池，与现有技术相比，具有以下优势：
1)通过掺杂强结晶性非富勒烯小分子受体到有机太阳能电池的光活性层，拓宽光谱吸收，改善相分离，可以抑制双分子电荷重组，从而导致更有效的电荷产生和传输，从而提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能；
2)强结晶性非富勒烯小分子受体掺杂的三元全聚合物太阳能电池器件超薄，除去衬底层厚度外，器件总厚度不超过200nm；
3)强结晶性非富勒烯小分子电子受体掺杂的三元全聚合物有机太阳能电池光电转换性能高、制备工艺简单、制程短、成本低。
附图说明
图1为实施例中活性层所选用的聚合物电子给体材料PTB7-Th、第一聚合物电子受体材料N2200及强结晶性非富勒烯类小分子电子受体材料RTCN的分子结构。
图2为本发明的三元全聚合物太阳能电池器件结构示意图。
图3为实施例中所述器件在AM 1.5(强度为100mW/cm2)照射情况下的电流密度一电压特性曲线图。
具体实施方式
本发明公开一种三元全聚合物太阳能电池，属于光伏技术领域。其特征在于，将强结晶性的非富勒烯小分子受体作为第三组分加入到二元全聚合物太阳能电池的光活性层中，该电池采用反型结构，光活性层的重量百分比组成为：电子给体41.6～50％，电子受体41.6～50％，强结晶性非富勒烯小分子受体0～16.8％。在光活性层中加入强结晶性的非富勒烯小分子受体材料，拓宽光谱吸收，改善相分离，可以抑制双分子电荷重组，从而导致更有效的电荷产生和传输，提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。本发明的三元全聚合物太阳能电池具有光电转换性能高、制备工艺简单、制程短、成本低等优点。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明的目的是提供一种三元全聚合物太阳能电池，如图2所示，该电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层，透明导电阴极，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；其中光活性层引入强结晶性非富勒烯小分子电子受体掺杂形成，光活性层的重量百分比组成为：聚合物电子给体41.6～50％，第一聚合物电子受体41.6～50％，强结晶性非富勒烯小分子电子受体0～16.8％。
所述强结晶性非富勒烯小分子电子受体材料为RTCN(结构如附图1所示)。所述光活性层中聚合物电子给体材料为PTB7-Th(结构如附图1所示)。所述光活性层中的第一聚合物电子受体材料为N2200。相应的结构如图1所示。
我们必须指出RTCN(结构如附图1所示)是一种具有强结晶性的小分子材料，应用于三元聚合物体系中有着良好的表现(J.Mater.Chem.A,2017,5,2460)。
所述阳极缓冲层的材料为氧化钼(MoO3)，阳极缓冲层厚度为8nm。所述阴极缓冲层材料为氧化锌(ZnO)，阴极缓冲层厚度范围为35nm。所述衬底层材料为玻璃衬底，所述透明电极材料为氧化铟锡(ITO)。所述金属阳极为银(Ag)。
实施例1(对照组)
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(4500rpm，40s，25nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃，60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7-Th:N2200光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比1:1；在光活性层表面蒸镀MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(80nm)。在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.80V，短路电流(JSC)＝11.1mA/cm2，填充因子(FF)＝0.45，光电转换效率(PCE)＝3.96％。
实施例2
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(4500rpm，40s，25nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃，60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7-Th:N2200:RTCN光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比1:1:0.1；在光活性层表面蒸镀MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(80nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.81V，短路电流(JSC)＝13.1mA/cm2，填充因子(FF)＝0.47，光电转换效率(PCE)＝5.02％。
实施例3
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(4500rpm，40s，25nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃，60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7-Th:N2200:RTCN光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比1:1:0.2；在光活性层表面蒸镀MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(80nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.82V，短路电流(JSC)＝13.6mA/cm2，填充因子(FF)＝0.48，光电转换效率(PCE)＝5.60％。
实施例4
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(4500rpm，40s，25nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃，60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7-Th:N2200:RTCN光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比1:1:0.3；在光活性层表面蒸镀MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(80nm)。在标准测试条件下(AM 1.5,100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.83V，短路电流(JSC)＝13.9mA/cm2，填充因子(FF)＝0.46，光电转换效率(PCE)＝5.40％。
实施例5
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底层及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(4500rpm，40s，25nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行热退火(200℃，60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7-Th:N2200:RTCN光活性层(2000rpm，60s，95nm)，质量比1:1:0.4；在光活性层表面蒸镀MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(80nm)。在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm2)，测得器件的开路电压(VOC)＝0.84V，短路电流(JSC)＝13.7mA/cm2，填充因子(FF)＝0.45，光电转换效率(PCE)＝5.27％。
图3为实施例1-5中所述器件在AM 1.5(强度为100mW/cm2)照射情况下的电流密度一电压特性曲线图，说明在聚合物体系PTB7-Th:N2200二元体系中，掺杂少量的强结晶性小分子受体RTCN可以有效提升开路电压和短路电流，最终提升器件效率。并且在比例为1:1:0.2时，器件效率最高。
以上对本发明提供的一种三元全聚合物太阳能电池器件的制备方式做了详细的介绍，通过在二元全聚合物体系中添加强结晶性的非富勒烯小分子，拓宽了光谱的吸收，改善了相分离，从而提高器件的短路电流，实现三元器件效率的提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底层、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层及金属阳极；其中光活性层引入强结晶性的非富勒烯小分子电子受体掺杂形成，光活性层的重量百分比组成为：聚合物电子给体41.6~50%，第一聚合物电子受体41.6~50%，强结晶性非富勒烯小分子电子受体0~16.8%；
所述强结晶性非富勒烯小分子电子受体为不包含富勒烯基团的共扼小分子化合物，包括RTCN；吸收光谱带在300~900 nm之间；
所述光活性层中，聚合物电子给体、第一聚合物电子受体及强结晶性非富勒烯小分子电子受体的重量百分比组成为1：1：（0~0.4）。
2.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层中电子给体材料为窄带系聚合物电子给体，为包括聚噻吩衍生物P3HT、PTB7-Th或PBDB-T在内的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述光活性层中的第一聚合物电子受体材料为含萘二酰亚胺的n型共轭聚合物受体，包括N2200。
4.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层的材料为具有空穴传输能力或电子阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，为包括TPBi、BCP、Bphen、Alq3、AZO、ZnO及TiO2在内的一种或多种；此膜层厚度范围为1~200 nm。
5.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层材料为具有电子传输能力或空穴阻挡能力的有机化合物或金属氧化物，此膜层厚度范围为1~200 nm。
6.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸醋、聚氨基甲酸醋、聚酞亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述透明导电阴极为在可见光区透明或半透明的导电材料，透光率大于50%。
8.根据权利要求1所述的一种三元全聚合物太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极材料为金、银、铂、铜、铝中的一种。
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