一种有机太阳能电池活性层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种有机太阳能电池活性层及其制备方法。以羧酸类衍生物作为溶剂添加剂在有机太阳能电池中的应用，属于有机光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域。在有机活性层中，通过加入少量的羧酸类衍生物，增强了活性层对可见光的吸收增强，电池的短路电流得到明显提升；同时，加入溶剂添加剂能有效的促进给体和受体材料的相分离，增强载流子的传输，提升了器件的填充因子，提升了有机太阳能电池的效率。
【专利说明】
一种有机太阳能电池活性层及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于有机光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一有机太 阳能电池活性层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展和进步，人民生活水平的提高，对能源的需求也大大增加。我国目 前使用较广泛的能源是石油，煤炭等，但是，这类能源不可再生且会对环境造成很大的污 染。所以，寻找更清洁的能源是很有必要的。而太阳能具有清洁可再生等优点，是近几年来 研究的热点。对于太阳能的应用主要的一种途径是通过太阳能电池来实现光电之间的转 换。对于太阳能电池，光电转换效率是其重要参数之一。其中晶体硅以及化合物太阳能电池 虽然转换效率相对较高，但是制备工艺复杂，且成本较高，未能得到广泛使用。
[0003] 目前，一些新型太阳能电池得到了广泛的关注，有机太阳能电池的结构，从下到上 依次包括玻璃衬底，透明电极ΙΤ0,阳极缓冲层（阴极缓冲层），有机活性层，阴极缓冲层（阳 极缓冲层）和金属电极。文献(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)报道了一种有机太阳能电池，其光敏 层材料为有机聚合物或小分子。有机太阳能电池通常采取溶液旋涂法制备，具有制备工艺 简单，成本低等优点。经过短短十多年的发展，实验室制备电池的效率已经达到11.2%(参见 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.)。为了提高太阳能电池的器件性能，通常在太阳能电池中引入 添加剂，常见的添加剂为1，8_二碘辛烷(参见文献：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（参见文献：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).)。现有的添加剂I，8-二碘辛烷等都含有卤族元素，属 于有毒物质。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有有机太阳能电池活性层存在的不足，采用无毒性的绿色溶剂添加 剂，提供一种有机太阳能电池活性层及其制备方法，并能有效提高聚合物-聚合物太阳能电 池以及聚合物-小分子有机太阳能电池的性能。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是:一种有机太阳能电池活性层的制备方法，将电子 给体和电子受体材料混合，溶解于加入添加剂的溶剂中，将得到的溶液旋涂于阳极修饰层 上，所述的添加剂为通式R-C00H的羧酸类衍生物，其中，R为如下基团中的任意一种:氢，具 有1~30个碳原子的烷基，具有1~30个碳原子的含芳环或芳杂环的烷基。
[0006] 上述技术方案中，所述的溶剂为氯仿，羧酸类衍生物添加剂与溶剂的体积比为0.3 ~2:99.7~98。优选地，羧酸类衍生物添加剂与溶剂的体积比为0.5:99.5。
[0007] 或者，所述的溶剂为氯苯，羧酸类衍生物添加剂与溶剂的体积比为0.05:99.95。 [0008]上述技术方案中，所述的电子给体材料为具有如下结构式的D-A型窄带隙共辄聚 合物中的一种，分别记作PTP8和PBDTTBDD:
[0009]所述的电子受体材料为记作P(NDI2HD-T)的具有如下结构式的聚合物：
[00?0]或者，所述的电子受体材料为记作ITIC的具有如下结构式的小分子：
[0011] 所述的羧酸类衍生物添加剂为下列中的一种：
[0012] 使用上述有机太阳能电池活性层的有机太阳能电池采用的正置结构中，从下到上 依次为：玻璃衬底，透明电极ITO，阳极缓冲层PEDOT: PSS，有机活性层，阴极缓冲层LiF，金 属电极A1。在有机活性层中加入羧酸作为添加剂。当有机活性层的溶剂为氯仿时，溶剂添加 剂羧酸与溶剂比例为〇. 5 :99.5;当有机活性层的溶剂为氯苯时，溶剂添加剂羧酸与溶剂比 例为0.05:99.95。活性层材料通过将电子给体和电子受体材料混合后加入添加剂旋涂于阳 极修饰层上。
[0013] 现有太阳能电池有机活性层溶剂添加剂所使用的1，8_二碘辛烷等含有卤族元素， 属有毒物质。因此，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：以羧酸类衍生物为添加剂，羧 酸类衍生物仅含碳、氢、氧三种元素，无毒性，应用于太阳能电池有机活性层制备中溶剂的 添加剂，具有绿色、环保的特点；同时，还能有效提高聚合物-聚合物太阳能电池以及聚合 物-小分子有机太阳能电池的性能。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明实施例1提供的活性层材料中加入不同比例羧酸类衍生物所对应的 有机太阳能的电池器件的J-V曲线。
[0015] 图2是本发明实施例1提供的活性层材料中未加入羧酸类衍生物(A1、A2)器件与加 入羧酸类衍生物(BI、B2)器件的AFM对比图。
[0016] 图3~5依次为本发明实施例1、2和3分别提供的活性层材料中，加入与未加入羧酸 类衍生物所对应的有机太阳能的电池器件的J-V曲线对比图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步说明。
[0018] 本发明的技术方案提供了 一种无毒的有机太阳能电池有机活性层的添加剂。太阳 能电池采用正置结构，从下到上依次为：玻璃衬底，透明电极ΙΤ0,阳极缓冲层，有机活性 层，阴极缓冲层，金属电极。有机活性层中加入羧酸类衍生物作为添加剂。
[0019] 实施例1 对玻璃透明衬底及透明电极ITO所组成的衬底分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进 行清洗。紫外臭氧30分钟再在ITO表面旋涂一层40~45nm的PED0T:PSS，在150°C下退火10 分钟，然后将衬底转移到氮气氛围的手套箱中，旋涂有机活性层PTP8:P(NDI2HD-T)。
[0020]
[0021] 在本实施例中，将有机活性层材料均溶解于氯仿中，加入添加剂羧酸类衍生物为 反式-2癸烯酸，添加剂的加入量与有机溶剂氯仿，按体积百分比分别为0，0.3，0.5，0.8和2 ，旋涂得到的薄膜厚度约70~IOOnm (2500 rpm，40s)，有机活性层不需要加热处理，再在有 机活性层上用热蒸发蒸镀修饰层LiF(0 · 6nm)及金属电极Al( IOOnm) 〇
[0022] 参见附图1，它是本实施例提供的在溶剂氯仿中添加不同比例的羧酸类衍生物所 对应的有机太阳能的电池器件的J-V曲线。由图1可见，羧酸类衍生物加入的最优比例为 0.5% 〇
[0023]参见附图2,它是本实施例未加入羧酸类衍生物（图Al、A2)与加入羧酸类衍生物 (图BI、B2)的AFM对比图。
[0024]以未加入添加剂的有机活性层(PTP8:PA-I )为对照组，在标准测试条件AM 1.5， 100mW/cm2下测得器件的开路电压V。。= 0.9875V，短路电流Jsc= 7.79mA/cm2，填充因子 FF=O .48,光电转换效率PCE= 3.69 %。
[0025] 加入最优比例0.5%的羧酸类衍生物反式-2癸烯酸后，在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2器件的开路电压V。。= 0.95V，短路电流Jsc= 9.92 mA/cm2，填充因子FF= 0.54,光电转换效率PCE= 5.11 %。
[0026] 参见附图3,为本实施例提供的活性层材料中，加入最优比例0.5%羧酸类衍生物与 未加入羧酸类衍生物所对应的有机太阳能的电池器件的J-V曲线对比图。
[0027] 实施例2 对玻璃透明衬底及透明电极ITO所组成的衬底分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进 行清洗。紫外臭氧30分钟再在ITO表面旋涂一层40-45nm的PEDOT:PSS，在150°C下退火10 分钟，然后将衬底转移到氮气手套箱中，旋涂有机活性层PBDTBDD: ITIC。
[0028]
[0029] 在本实施例中，将有机活性层材料均溶解于氯仿中，加入添加剂羧酸类衍生物为 反式-2癸烯酸，添加剂的加入量与有机溶剂氯仿，按体积百分比为0.5%;旋涂得到的薄膜厚 度约70~90nm (2000 rpm，40s)，有机活性层需要120 °C下退火10分钟，再在有机活性层上 用热蒸发蒸镀修饰层LiF(0 · 6nm)及金属电极Al( IOOnm) 〇
[0030] 以未加入添加剂的有机活性层（PBDTBDD: ITIC)为对照组，在标准测试条件AM 1.5，IOOmW/cm2下测得器件的开路电压V。。= 0.85V，短路电流Jsc= 13.4mA/cm2，填充因 子FF=O.60,光电转换效率PCE= 6.86 %。
[0031 ]加入最优比例(0.5%)的羧酸类衍生物(反式-2癸烯酸)后，在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2器件的开路电压V。。= 0.8375V，短路电流Jsc= 14.84mA/cm2，填充因子 FF=O .61，光电转换效率PCE= 7.56 %。
[0032] 参见附图4,它是活性层材料中未加入羧酸类衍生物添加剂与本实施例提供的活 性层材料加入最优羧酸类衍生物浓度的电池器件J-V曲线对比图。
[0033] 实施例3 对玻璃透明衬底及透明电极ITO所组成的衬底分别用丙酮，洗涤剂，异丙醇，丙酮进 行清洗。紫外臭氧30分钟再在ITO表面旋涂一层40~45nm的PED0T:PSS，在150°C下退火10 分钟，然后将衬底转移到氮气手套箱中，旋涂有机活性层PBDTBDD: ITIC。
[0034] 在本实施例中，将有机活性层材料溶解于氯苯，加入羧酸类衍生物（反式-2癸烯 酸)添加剂，与氯苯按体积百分比为0.05%，旋涂得到的薄膜厚度约80~110 nm (1000 rpm, 60s)，有机活性层需要120 °C下退火10分钟，再在有机活性层上用热蒸发蒸镀修饰层LiF (0.6nm)及金属电极 Al(IOOnm) 〇
[0035]以未加入添加剂的有机活性层（PBDTBDD: ITIC)为对照组，在标准测试条件AM 1.5，10〇11^/〇112下测得器件的开路电压￥〇〇= 0.8625￥，短路电流了8〇=13.1911^/〇112，填 充因子FF=O.64,光电转换效率PCE= 7.28 %。
[0036] 加入最优比例(0.05%)的羧酸类衍生物(反式-2癸烯酸)后，在标准测试条件下： AM 1.5，100mW/cm2器件的开路电压 Voc= 0.8625V，短路电流 Jsc= 14.02mA/cm2,填充 因子FF=O.67,光电转换效率PCE= 8.12 %。
[0037] 参见附图5,它是活性层材料中未加入羧酸类衍生物添加剂与本实施例提供的活 性层材料加入最优羧酸类衍生物浓度的电池器件J-V曲线对比图。
【主权项】
1. 一种有机太阳能电池活性层的制备方法，将电子给体和电子受体材料混合，溶解于 加入添加剂的溶剂中，将得到的溶液旋涂于阳极修饰层上，其特征在于:所述的添加剂为通 式R-COOH的羧酸类衍生物，其中，R为如下基团中的任意一种:氢，具有1~30个碳原子的烷 基，具有1~30个碳原子的含芳环或芳杂环的烷基。2. 根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:所述的 溶剂为氯仿，羧酸类衍生物添加剂与溶剂的体积比为〇. 3~2:99.7~98。3. 根据权利要求2所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:羧酸类 衍生物添加剂与溶剂的体积比为0.5:99.5。4. 根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:所述的 溶剂为氯苯，羧酸类衍生物添加剂与溶剂的体积比为〇. 05:99.95。5. 根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:所述的 电子给体材料为具有如下结构式的D-A型窄带隙共辄聚合物中的一种，分别记作PTP8和 PBDTTBDD：6. 根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:所述的 电子受体材料为记作P(NDI2HD-T)的具有如下结构式的聚合物：7. 根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:所述的 电子受体材料为记作ITIC的具有如下结构式的小分子：8. 根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池活性层的制备方法，其特征在于:所述的 羧酸类衍生物添加剂为下列中的一种：9.按权利要求1制备方法得到的一种有机太阳能电池活性层。
【文档编号】H01L51/46GK106058056SQ201610632500
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月4日
【发明人】马万里, 张燕南, 袁建宇, 丁冠群
【申请人】苏州大学