CN113611800A - 基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池及其制备方法，包括基板、空穴传输层、活性层、电子输送层和金属电极，活性材料涂覆于空穴传输层形成所述活性层，活性材料包括给体、受体和醇类添加剂，醇类添加剂的化学式为CxH2x+2O，其中x为5‑14。与现有技术相比，本发明提供的基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，首次选用醇类材料作为添加剂加入在基于BTR：PC71BM二元体系的全小分子有机太阳能电池活性层中，与主体系材料BTR和PC71BM混溶性良好，同时可以与给体和受体中的电负性基团形成氢键，能促进原有二元体系材料的结晶，改善活性层形貌，减少单分子、双分子的陷阱复合，有利于激子分离和电荷传输。

Description

基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，有机太阳能电池已经引起了学术界和工业界的极大兴趣，由于其具有重量轻，易于制造，成本低，灵活性好，以及半透明性等突出的优点。而溶液处理的体异质结有机太阳能电池是一种有前途的光伏技术，可用于下一代的能源转换。传统的体异质结有机太阳能电池一般是由电子给体材料(共轭聚合物或小分子)和富勒烯电子受体材料(如PC61BM和PC71BM)混合得到的。其中，基于全小分子的有机太阳能电池是基于聚合物器件的一个有吸引力的替代品。通过明确的分子离散结构可以获得更高的材料纯度，这确保了制备的器件有更大的再现性。
全小分子有机太阳能电池的工作原理(见图3)为在光照条件下，有机材料吸收光子，产生激子；当激子扩散到给体和受体的接触面时，激子在给受体能级差的作用下分解为自由电子和自由空穴；最终自由的载流子被相应电极收集形成电流，实现太阳能转化为电能的目的。为了获得更高的光伏转换效率，研究者们提出了各种方法，包括制备叠层器件，合成新材料，使用添加剂以及三元策略等。其中，活性层的形貌在体异质结有机太阳能电池中起着重要的作用。器件中的活性层部分应能够形成良好的有序薄膜，这样有利于激子解离和电荷传输，最终实现高效率的有机太阳能电池。在各种加工方法中，添加剂可以通过影响溶液处理过程中成膜的方式来精细控制有机太阳能电池的活性层形貌。
在之前的相关报道中，通过将富勒烯PC71BM应用于聚合物有机太阳能电池中调节器件活性层形貌，提升器件光电转化效率，但研究表明BTR与富勒烯PC71BM受体构成二元器件时效果不理想，并且传统加入含有卤族元素的添加剂DIO用于提升聚合物小分子体系的效率，会对环境带来危害，因此，找到一种安全、有效的添加剂来提高有机太阳能电池器件的光电转化效率具有巨大的科学影响和现实意义。
发明内容
针对以上述背景技术的不足，本发明提供基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池。
本发明采用的技术方案如下：基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，包括基板、空穴传输层、活性层、电子输送层和金属电极，关键在于：活性材料涂覆于空穴传输层形成所述活性层，所述活性材料包括给体、受体和醇类添加剂，所述醇类添加剂的化学式为CxH2x+2O，其中x为5-14。
优选的，所述给体为BTR，所述受体为PC71BM。
优选的，所述给体和受体的质量比为2:1-1:5。
优选的，所述活性层的厚度为50-200nm。
全小分子有机太阳能电池的制备方法，关键在于包括以下步骤：
S1.将给体、受体和醇类添加剂加入溶剂中，在室温下搅拌均匀得到活性材料，备用；
S2.清洗基板，并进行等离子臭氧处理；
S3.在臭氧处理上的基板上旋涂PEDOT：PSS，形成空穴传输层，然后热退火处理；
S4.在空穴传输层上旋涂活性材料，形成活性层，然后溶剂退火处理；
S5.在活性层依次蒸镀电子传输层材料LiF和金属电极材料，制得所述太阳能电池。
优选的，所述S1具体为：将给体、受体、醇类添加剂加入溶剂中，在室温下搅拌20-28h，制得活性材料，所述给体和受体的质量比为2:1～1:5，所述醇类添加剂为给受体总质量的0.3-0.5％。
优选的，所述S2具体为：将ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min。
优选的，所述S3具体为：将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度2000-6000rpm，旋涂时间20-60秒，然后置于加热平台上退火30-60min，退火温度为100-200度。
优选的，所述S4具体为：将活性材料用1000-3000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火20-60s。
优选的，所述S5具体为：将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为1-5nm，再蒸镀Al电极，速度为1-5A/s，厚度100-200nm。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，首次选用醇类材料作为添加剂加入在基于BTR：PC71BM二元体系的全小分子有机太阳能电池活性层中，由于其具有简单稳定的分子结构，与主体系材料BTR和PC71BM混溶性良好，同时可以与给体和受体中的电负性基团形成氢键，能促进原有二元体系材料的结晶，改善活性层形貌，减少单分子、双分子的陷阱复合，进而促使了填充因子和电流的增强，最终提高器件效率；在有机薄膜形成过程中可以促进体异质结的双连续互穿网络的形成，有利于激子分离和电荷传输。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工艺流程图；
图3为有机太阳能电池工作原理图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业用途获得。
实施例1基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池的制备
称取1mg的BTR和5mg的PC71BM，加入12μg醇类添加剂后溶于100ul二氯甲烷中，
醇类添加剂的结构式为
Figure BDA0003130313250000041
将方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min；将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度6000rpm，旋涂时间20秒，然后置于加热平台上退火60min，退火温度为200度；
将活性材料用3000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火60s；
将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为5nm，再蒸镀Al电极，速度为5A/s，厚度200nm。
实施例2基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池的制备
称取2mg的BTR和2mg的PC71BM，加入12μg醇类添加剂后溶于100ul溶剂氯苯中，
醇类添加剂的结构式为
Figure BDA0003130313250000051
将方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min；将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度4000rpm，旋涂时间50秒，然后置于加热平台上退火30min，退火温度为120度；
将活性材料用2000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火20s；
将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为1nm，再蒸镀Al电极，速度为5A/s，厚度100nm。
实施例3基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池的制备
称取2mg的BTR和1mg的PC71BM，加入12μg醇类添加剂后溶于100ul氯仿中，
醇类添加剂的结构式为
Figure BDA0003130313250000061
将方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min；将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度2000rpm，旋涂时间20-60秒，然后置于加热平台上退火30min，退火温度为100度；
将活性材料用1000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火40s；
将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为3nm，再蒸镀Al电极，速度为1A/s，厚度100nm。
实施例4基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池的制备
称取2mg的BTR和2mg的PC71BM，加入12μg醇类添加剂后溶于100ul二氯甲烷中，
醇类添加剂的结构式为
Figure BDA0003130313250000062
将方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min；将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度4000rpm，旋涂时间50秒，然后置于加热平台上退火30min，退火温度为120度；
将活性材料用2000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火20s；
将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为1nm，再蒸镀Al电极，速度为5A/s，厚度100nm。
实施例5基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池的制备
称取2mg的BTR和1mg的PC71BM，加入12μg醇类添加剂后溶于100ul溶剂氯苯中，
醇类添加剂的结构式为
Figure BDA0003130313250000071
将方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min；将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度3000rpm，旋涂时间20-60秒，然后置于加热平台上退火30min，退火温度为150度；
将活性材料用1000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火40s；
将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为3nm，再蒸镀Al电极，速度为1A/s，厚度100nm。
实施例6基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池的制备
称取1mg的BTR和5mg的PC71BM，加入30μg醇类添加剂后溶于100ul氯仿中，
醇类添加剂的结构式为
Figure BDA0003130313250000081
将方阻为15Ω/cm2的ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min；将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度5000rpm，旋涂时间20秒，然后置于加热平台上退火60min，退火温度为200度；
将活性材料用3000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火60s；
将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为3nm，再蒸镀Al电极，速度为2A/s，厚度150nm。
对比例1
与实施例1相同，不同在于不加入正己醇。
测定实施例1-6及对比例1所制得的二元器件光伏性能，如下表所示：
测试光源：光谱分布AM1.5G，光照强度为1000w/m2，Zolix SS150太阳光模拟器；
数据采集设备：由Keithly2400型数字源表。
Figure BDA0003130313250000082
Figure BDA0003130313250000091
可以看出由于正己醇和2-羟基辛烷的加入，器件性能相比原有二元电池有了大幅度的提升，转换效率、短路电流、填充因子均有提升，其中正己醇相对于2-羟基辛烷，有利于促进原有二元体系材料的结晶，改善活性层形貌，对器件中的电流参数以及填充因子有更强的改善作用，更有利于提升短路电流。
最后需要说明，上述描述仅为本发明的优选实施例，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，包括基板、空穴传输层、活性层、电子输送层和金属电极，其特征在于：活性材料涂覆于空穴传输层形成所述活性层，所述活性材料包括给体、受体和醇类添加剂，所述醇类添加剂的化学式为CxH2x+2O，其中x为5-14。
2.根据权利要求1所述的基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，其特征在于：所述给体为BTR，所述受体为PC71BM。
3.根据权利要求1所述的基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，其特征在于：所述给体和受体的质量比为2:1-1:5。
4.根据权利要求1所述的基于新型添加剂的全小分子有机太阳能电池，其特征在于：所述活性层的厚度为50-200nm。
5.如权利要求1-4任一项全小分子有机太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.将给体、受体和醇类添加剂加入溶剂中，在室温下搅拌均匀得到活性材料，备用；
S2.清洗基板，并进行等离子臭氧处理；
S3.在臭氧处理上的基板上旋涂PEDOT：PSS，形成空穴传输层，然后热退火处理；
S4.在空穴传输层上旋涂活性材料，形成活性层，然后溶剂退火处理；
S5.在活性层上依次蒸镀电子传输层材料LiF和金属电极材料，制得所述太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的全小分子有机太阳能电池的制备方法，其特征在于所述S1具体为：将给体、受体、醇类添加剂加入溶剂中，在室温下搅拌20-28h，制得活性材料，所述给体和受体的质量比为2:1～1:5，所述醇类添加剂为给受体总质量的0.3-0.5％。
7.根据权利要求5所述的全小分子有机太阳能电池的制备方法，其特征在于所述S2具体为：将ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水、超纯水、丙酮、异丙醇、乙醇对其进行超声清洗，然后用氮***将其吹干，将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30min。
8.根据权利要求5所述的全小分子有机太阳能电池的制备方法，其特征在于所述S3具体为：将离子臭氧处理后的ITO玻璃置于氮气环境中旋涂PEDOT:PSS，旋涂速度2000-6000rpm，旋涂时间20-60秒，然后置于加热平台上退火30-60min，退火温度为100-200度。
9.根据权利要求5所述的全小分子有机太阳能电池的制备方法，其特征在于所述S4具体为：将活性材料用1000-3000rpm的旋涂速度旋涂于PEDOT:PSS电子传输层上后放置于玻璃器皿中，进行四氢呋喃溶剂退火20-60s。
10.根据权利要求5所述的全小分子有机太阳能电池的制备方法，其特征在于所述S5具体为：将涂好活性层的片子放入有机气相沉积***的蒸镀仓内，放入电子传输层材料LiF和阴极电极材料Al，关闭舱门将真空抽至5×10-4以下，先蒸镀LiF，速度为0.1A/s，厚度为1-5nm，再蒸镀Al电极，速度为1-5A/s，厚度100-200nm。
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