一种固体添加剂构建有机太阳能电池光活性层薄膜的方法

本发明涉及太阳能电池光活性层薄膜的制备，具体涉及一种固体添加剂构建有机太阳能电池光活性层薄膜的方法。

背景技术：

1、太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（photovoltaic，缩写为pv），简称光伏。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形、ⅲv族、ⅱⅵ族和磷化锌等。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。有机太阳能电池（organic solar cells，缩写为oscs）因其灵活性高、轻质性和可大面积制备等优势而受到广泛关注。但有机太阳能电池还是面临着电池效果不够高，生产成本过高的问题，如何制备效率更高、成本更低的有机太阳能电池器件仍是研究的重点。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电池效率更高、生产成本更低的固体添加剂构建有机太阳能电池光活性层薄膜的方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种固体添加剂构建有机太阳能电池光活性层薄膜的方法，包括以下步骤：

3、（1）ito衬底前处理：

4、1.1）依次使用清洗剂溶液、去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇对ito衬底进行超声清洗，得到超声清洗的ito衬底；

5、1.2）干燥步骤1.1）制备得到的超声清洗的ito衬底，再放入紫外臭氧清洗机腔体中处理，取出，于异丙醇中保存，得到浸润的ito衬底；对ito衬底进行上述前处理，能使ito表面更加浸润，同样达到疏水性和功函数的调节，有利于光活性层溶液旋涂；

6、（2）空穴传输层pedot:pss的制备：

7、2.1）pedot:pss使用前，先用pvdf水系滤头过滤，再旋涂在所述浸润的ito衬底上，得到涂覆pedot:pss的ito衬底；

8、2.2）将涂覆pedot:pss的ito衬底于140~160 ℃条件下退火处理15~25 min，再转移至手套箱内冷却至室温，得到冷却的glass/ito/pedot:pss；

9、（3）手套箱内配置给受体：

10、3.1）在手套箱内，配置10~20 mg/ml的tbb溶液，tbb溶液的溶剂为氯仿；

11、3.2）将非富勒烯受体l8-bo固体加入到步骤3.1）制备得到的tbb溶液中，控制l8-bo溶液浓度在7.5~9 mg/ml，得到受体溶液；

12、3.3）将聚合物给体d18-cl固体加入氯仿中，控制d18-cl溶液浓度在6~7 mg/ml，得到给体溶液；

13、3.4）将所述的受体溶液、给体溶液于40~60 ℃条件下恒温搅拌，得到前处理的受体溶液、前处理的给体溶液；

14、（4）旋涂：

15、4.1）将前处理的给体溶液旋涂在冷却的glass/ito/pedot:pss上，得到glass/ito/pedot:pss/d18-cl，再旋涂前处理的受体溶液，得到glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo；

16、4.2）将glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo于70~85 ℃条件下退火处理4~6min，得到退火的glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo；

17、4.3）在退火的glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo上旋涂pdin溶液，得到glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo/pdin；

18、（5）热蒸镀：将glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo/pdin于真空蒸镀腔室中热蒸镀，控制腔室的压强保持在低于2×10-4pa的水平，银电极的厚度控制在90~110 nm，得到的正向器件结构为glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo/pdin/ag。

19、进一步地，所述步骤1.1）中依次使用清洗剂溶液、去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇对ito 衬底各超声清洗10~20 min，得到超声清洗的ito衬底。

20、进一步地，所述步骤1.2）中用高压氮气快速吹干步骤1.1）制备得到的超声清洗的ito衬底，再放入紫外臭氧清洗机腔体中处理20~30 min，取出，于异丙醇中保存，得到浸润的ito衬底。

21、进一步地，所述步骤2.1）中pedot:pss使用前，先用孔径在0.45 μm、直径在13 mm的pvdf水系滤头过滤，再以4000~5000 rpm/20秒的速率旋涂在所述浸润的ito衬底上，得到涂覆pedot:pss的ito衬底。

22、进一步地，所述步骤2.2）中将涂覆pedot:pss的ito衬底于150~160 ℃条件下退火处理20~25 min，再转移至手套箱内冷却至室温，得到冷却的glass/ito/pedot:pss。

23、进一步地，所述步骤3.1）中在手套箱内，配置15~20 mg/ml的tbb溶液，tbb溶液的溶剂为氯仿。

24、进一步地，所述步骤（4）中前处理的给体溶液的旋涂速率在4000~5500 rpm/30秒，前处理的受体溶液的旋涂速率在3500~4500 rpm/30秒，pdin溶液的旋涂速率在4500~5500rpm/20秒。

25、进一步地，所述步骤4.2）中将glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo于75~85 ℃条件下退火处理5~6 min，得到退火的glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo。

26、进一步地，所述步骤（4）中的pdin溶液的溶剂为甲醇，pdin溶液中pdin的浓度为2.0 mg/ml，同时加入0.3 vol%的乙酸。

27、进一步地，所述步骤（5）中将glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo/pdin于真空蒸镀腔室中热蒸镀，控制腔室的压强保持在低于2×10-4pa的水平，银电极的厚度控制在100~110 nm，得到的正向器件结构为glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo/pdin/ag。

28、本发明一种固体添加剂构建有机太阳能电池光活性层薄膜的方法，通过高挥发性固体添加剂辅助连续沉积法能有效调节活性层的相分离及分子结晶性，对有机太阳能电池光活性层形貌进行调控，形成相分离更精细、结晶性更高的光活性层形貌，有效提升电池的电荷注入效率，得到更快、更平衡的载流子传输，抑制载流子复合，进而提升电池效率。

29、本发明一种固体添加剂构建有机太阳能电池光活性层薄膜的方法，使用1,3,5-tribromobenzene（缩写为tbb）作为一种具有高挥发性和低成本的新型固体添加剂，并且结合热退火（thermal annealing，缩写为ta），利用连续沉积法对电池光活性层薄膜形貌进行调控，制备了结构为glass/ito/pedot:pss/d18-cl/l8-bo/pdin/ag的高效率有机太阳能电池，揭示了电池光活性层垂直相分离和分子结晶性的变化，在受体l8-bo中引入添加剂tbb之后，进一步促进了l8-bo的自组装，从而有助于形成相分离更精细、结晶性更高的光活性层形貌，电池的电荷注入效率得到有效提升，载流子传输更快、更平衡，载流子复合得到抑制；相比对照组电池17.2%的效率，添加剂和连续沉积法的协同作用使得d18-cl/l8-bo（tbb+ta）电池的效率达到18.5%，该效率是目前开路电压（ voc）超过900 mv的二元有机太阳能电池最高效率之一；此外，还分别统计了20个器件的效率，结果显示：器件平均效率从16.7%提升到18.1%。

30、本发明的突出优点在于：（1）采用更为简单有效的方法助力制备高效率有机太阳能电池。器件制备方法简单实用，固体添加剂具有高挥发性、价格便宜（100元100 g），75 ℃退火5分钟（液体添加剂普遍采用100 ℃退火10分钟）；（2）使用1,3,5-tribromobenzene（缩写为tbb）作为一种具有高挥发性和低成本的新型固体添加剂（注：未在有机太阳能电池使用过），并且结合热退火（thermal annealing，缩写为ta），利用连续沉积法对电池光活性层薄膜形貌进行调控，使器件效率得到了大幅度提高。