一种有机/聚合物太阳能电池及其活性层

1.本发明涉及聚合物太阳能电池领域，尤其涉及一种有机/聚合物太阳能电池及其活性层。


背景技术：

2.聚合物太阳能电池以质量轻，机械柔性以及半透明等特性被广泛认为是一种有前途的光伏技术。实现纳米级相分离的给受体互穿网络是实现高性能聚合物太阳能电池的关键所在。传统方法是通过加入微量的液体添加剂，如1,8
‑
二碘辛烷(dio)，1
‑
氯萘(cn)等，来调控活性层中组分分布以实现良好的纤维网络结构。但是液体添加剂因沸点高而难以被完全去除，从而影响器件稳定性及重现性。此外，非富勒烯受体具有平面共轭骨架以及强结晶性，这使得限制其过度聚集以实现有效的电荷分离和传输极具挑战性。例如，根据当前的形貌控制策略，低沸点的氯仿是构建基于y6受体的高性能聚合物太阳能电池的专用处理溶剂，而高沸点处理溶剂会导致光伏性能显著降低。这是因为在成膜期间氯仿的快速蒸发可以防止具有强结晶性的y6的过度聚集。相反，蒸发速度慢的高沸点溶剂(如氯苯和邻二甲苯)有利于y6的过度聚集，导致大规模的相分离，与其整体较差的光伏性能相对应。并且，低沸点溶剂处理也不利于实现聚合物太阳能电池的大面积应用。对于目前基于y6受体的高效聚合物太阳能电池，结合溶剂添加剂处理和低沸点处理溶剂的上述缺点，探索一种能够满足基于稠环非富勒烯受体特征的新方法以优化共混膜的形貌至关重要，以推进聚合物太阳能电池的实际应用。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决上述技术问题，提供了一种有机/聚合物太阳能电池及其活性层，采用固体添加剂进行活性层共混膜形貌的调控，从而获得优异性能的有机/聚合物太阳能电池，同时对处理溶剂具有不依赖性。
4.本发明的第一方面提供了一种有机/聚合物太阳能电池的活性层，采用固体添加剂进行活性层共混膜形貌的调控，所述固体添加剂为蒽(an)，其结构式如式ⅰ所示
[0005][0006]
进一步的，所述活性层共混膜为由p
‑
型半导体给体材料和n
‑
型半导体受体材料共混构成的共混膜。
[0007]
进一步的，所述p
‑
型半导体给体材料为p
‑
型共轭聚合物和小分子给体中的至少一种，所述n
‑
型半导体受体材料为n
‑
型共轭聚合物和小分子受体中的至少一种。
[0008]
进一步的，p
‑
型半导体给体材料和n
‑
型半导体受体材料共混的溶剂为氯仿、氯苯、甲苯、邻二甲苯或1,2,4
‑
三甲基苯。
[0009]
本发明的第二方面提供了一种有机/聚合物太阳能电池的活性层的制备方法，包
括以下步骤，
[0010]
s1：将p
‑
型半导体给体材料和n
‑
型半导体受体材料溶于溶剂中搅拌溶解；
[0011]
s2：继续加入固体添加剂蒽，混合搅拌，得到所述有机/聚合物太阳能电池的活性层。
[0012]
进一步的，所述步骤s1中搅拌溶解的时间为6
‑
24h，所述步骤s2中混合搅拌的时间为0.5
‑
6h。
[0013]
进一步的，所述步骤s1中料n
‑
型半导体受体材料的质量不少于p
‑
型半导体给体材。
[0014]
本发明的第三方面提供了一种固体添加剂用于有机/聚合物太阳能电池活性层的应用，所述固体添加剂为蒽。
[0015]
本发明的第四方面一种有机/聚合物太阳能电池，包括上述任一所述的活性层。
[0016]
进一步的，包括从下至上依次设置的玻璃层、ito层、pedot:pss层、活性层、pdino层和al层。
[0017]
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：能够显著提升有机太阳能电池器件的光伏性能，对处理溶剂具有不依赖性：
[0018]
对于pm6:y6体系，处理溶剂为氯仿时，电池pce(光伏电池效率)为17.02％(对照组cn处理的电池pce为15.60％)；处理溶剂为氯苯时，电池pce为16.35％(对照组pce为12.92％)；处理溶剂为甲苯及邻二甲苯时，电池pce均为15％以上(对照组pce分别为10.43％和10.79％)；
[0019]
对于ptq10:y6:pc71bm体系，电池pce为17.51％(对照组cn处理的pce为16.54％)；
[0020]
对于pm6:it
‑
4f体系，电池pce为13.11％(对照组dio处理的pce为12.73％)。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例中太阳能电池的结构示意图。
[0022]
图2为本发明实施例1中太阳能电池的电流密度
‑
电压曲线。
[0023]
附图标记说明：1
‑
玻璃层、2
‑
ito层、3
‑
pedot:pss层、4
‑
活性层、5
‑
pdino层、6
‑
al层。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0025]
实施例1
[0026]
基于pm6:y6共混膜的器件太阳能电池器件的制备：
[0027]
活性层4的制备：以pm6为给体，y6为受体，按照1:1.2的质量比，将二者溶于氯仿(或氯苯、甲苯、邻二甲苯)中搅拌溶解，搅拌时间为6
‑
24h；将固体添加剂an以61.4％的质量比(相对y6)加入，混合搅拌0.5
‑
6h；
[0028]
按照从下至上依次为玻璃层1、ito层2、pedot:pss层3、活性层4、pdino层5和al层6的层状结构制备如图1所示的太阳能电池器件。
[0029]
其中，处理溶剂为氯仿时，活性层优选ta温度为90℃；处理溶剂为氯苯或甲苯时，
活性层优选ta温度为110℃。对照组处理条件为0.5％cn+ta110℃。测试器件在模拟太阳光am 1.5g，100mw cm
‑2照射下的光伏性能，器件有效面积为0.056cm2，结果如表1所示。处理溶剂为氯仿时，cn处理的对照器件与an优化的器件电压
‑
电流测试曲线如图2所示，由图可知an优化的器件的性能更佳。
[0030]
表1基于pm6:y6混合膜的有机太阳能器件的光伏性能测试结果
[0031][0032]
(a)
活性层110℃热退火10分钟
(b)
活性层90℃热退火10分钟。
[0033]
实施例2
[0034]
基于ptq10:y6:pc
71
bm的太阳能电池器件的制备：
[0035]
活性层4的制备：以ptq10为给体，y6和pc
71
bm为受体，按照1:1.2:0.2的质量比，将三者溶于氯仿中搅拌溶解，搅拌时间为6
‑
24h，将固体添加剂an以12.3％的质量比(相对y6)加入，混合搅拌0.5
‑
6min；
[0036]
按照从下至上依次为玻璃层1、ito层2、pedot:pss层3、活性层4、pdino层5和al层6的层状结构制备如图1所示的太阳能电池器件。
[0037]
对照组处理条件为0.5％cn+ta 110℃。测试器件在模拟太阳光am 1.5g，100mw cm
‑2照射下的光伏性能，器件有效面积为0.056cm2，结果如表2所示。
[0038]
表2基于ptq10:y6:pc
71
bm混合膜的有机太阳能器件的光伏性能测试结果
[0039][0040]
实施例3
[0041]
基于pm6:it
‑
4f的太阳能电池器件的制备：
[0042]
活性层4的制备：以pm6为给体，it
‑
4f为受体，按照1:1的质量比，将二者溶于氯仿中搅拌溶解，搅拌时间为6
‑
24h，将固体添加剂an以71.3％的质量比(相对it
‑
4f)加入，混合搅拌0.5
‑
6min；
[0043]
按照从下至上依次为玻璃层1、ito层2、pedot:pss层3、活性层4、pdino层5和al层6的层状结构制备如图1所示的太阳能电池器件。
[0044]
对照组处理条件为0.5％dio+ta 100℃。测试器件在模拟太阳光am 1.5g，100mw cm
‑2照射下的光伏性能，器件有效面积为0.056cm2，结果如表3所示。
[0045]
表3基于pm6:it
‑
4f混合膜的有机太阳能器件的光伏性能测试结果
[0046][0047]
以上实施例中，在制备活性层选择体系时，给体不仅局限为pm6和ptq10，还可以替换为pbnp
‑
s、pbnp
‑
s等,受体不仅局限为y6和it
‑
4f，还可以替换为idic、it
‑
4cl等，将其应用于有机太阳能器件中，同样能获得优异的器件性能。
[0048]
由上述实施例可知，本发明中的固体添加剂蒽显著提升有机太阳能电池器件的光伏性能。尤其是，对于pm6:y6体系，处理溶剂为氯仿时，电池pce为17.02％。对于ptq10:y6:pc
71
bm体系，电池pce为17.51％。这些结果有效证明了蒽作为固体添加剂调控有机太阳能电池共混膜形貌具有巨大的潜力，为实现高性能聚合物太阳能电池器件打开了一条新途。
[0049]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。