一種有機(jī)太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】一種有機(jī)太陽能電池，包括依次層疊的襯底、陽極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，所述光電活性層為基于將有機(jī)小分子與有機(jī)聚合物共混充當(dāng)給體材料的三相體系。及所述太陽能電池的制備方法。本發(fā)明通過利用聚合物和小分子的協(xié)同作用不僅實(shí)現(xiàn)了對太陽光譜利用范圍的拓寬，同時還實(shí)現(xiàn)了對活性層形貌的可控調(diào)節(jié)，以及對光伏器件開路電壓，填充因子的調(diào)節(jié)。
【專利說明】一種有機(jī)太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池及其制備方法，尤其涉及一種三相體系有機(jī)薄膜太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)太陽能電池，是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。目前，基于有機(jī)小分子材料的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的最高能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過8% (A.Kyaw, D.Wang, V.Gupta, ff.Leong, L.Ke, G.Bazan, A.Heeger, Acs Nan0., 7 (2013) 4569)，而基于聚合物材料的兩相薄膜太陽能器件的能量轉(zhuǎn)化效率也已經(jīng)突破9 % (S.Liao, H.J, huo, Y.Cheng, S.Chen, Adv.Mater.，25(2013)4766)。作為激活層材料，D-A型的聚合物和小分子都存在其各自的優(yōu)點(diǎn)，例如對于聚合物材料，其優(yōu)點(diǎn)包括具有較好的成膜性，吸光性以及組成結(jié)構(gòu)的多樣性。近年來對于D-A型聚合物，或者基于D-A型有機(jī)小分子的設(shè)計與合成以及基于此類材料的兩相體系的薄膜太陽能電池取得了較大的進(jìn)展。但是對于聚合物而言，其結(jié)晶性能通常較差，因而為了提高其結(jié)晶的性能通常需要引入少量的1，8 二碘辛烷(D1)或者氯萘(CN)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)或者其他種類的添加劑以提高激活層的結(jié)晶進(jìn)而改善激活層的形貌(Y.Liu, Z.Li, G.He, C.Li, B.Kan, M.Li, Y.Chen, J.Am.Chem.Soc.，135(2013)8484)。
[0003]相對于聚合物，有機(jī)小分子的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)規(guī)整、結(jié)晶性好、較高的本征遷移率、沒有不同合成批次之間的差異、較容易合成、提純和進(jìn)行分子的修飾。相對于聚合物，有機(jī)小分子更容易形成有序的堆積，形成有利于電荷的傳輸?shù)男蚊?，從而得到較高的填充因子，但是有機(jī)小分子也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)，例如較好的結(jié)晶性也容易導(dǎo)致其較大的分相尺度，不利于電荷的分離，進(jìn)而得到較好的器件性能。為了調(diào)節(jié)有機(jī)小分子材料的結(jié)晶性，通常也需要引入一些其他的添加劑。但是由于D1、CN、PDMS等添加劑在活性層中都屬于惰性元素，即如果過量的添加這些物質(zhì)，其有可能在激活層中形成陷阱來阻礙電荷的分離和傳輸。這就大大限制了此類材料的可添加的比例以及其應(yīng)用的范圍。
[0004]與需要引入添加劑來提高薄膜太陽能電池的器件的能量轉(zhuǎn)化效率的兩相體系相比較，三相體系的光伏器件則提出了一個與之相似但又最具潛力的概念。因?yàn)橄鄬τ谕ㄟ^引入惰性的材料作為添加劑來改善激活層的形貌，使用具有不同特性的活性材料共混，并通過改變兩者的比例來調(diào)節(jié)光伏器件的分相尺度即激活層形貌，以及薄膜層的吸光范圍，進(jìn)而提高其激子產(chǎn)生并得到較高的電流等方面顯示出較大優(yōu)勢。例如基于兩種不同給體材料一種受體材料，以及一種給體材料兩種受體材料的三相體系器件，有效的避免了惰性陷阱的引入，這就大大拓寬了被摻雜的“客體”材料的比例，進(jìn)而也加大了各項(xiàng)參數(shù)(例如開路電壓、短路電流、填充因子)的可調(diào)節(jié)范圍，這也為我們能夠?qū)崿F(xiàn)器件能量轉(zhuǎn)化效率的有效提高，甚至打破兩相體系的器件的理論效率極限提供可能。
[0005]目前用于三相體系中的摻雜材料主要包括聚合物材料、小分子材料、染料以及不同種類的納米粒子等。而在這些可用作“摻雜客體”的材料中有機(jī)小分子材料具有明顯的優(yōu)勢。因?yàn)橛袡C(jī)小分子材料的光吸收范圍較廣，而且較好的分子排列堆積能力為激活層形貌的調(diào)節(jié)以及給受體界面的調(diào)節(jié)提供了充分的前提。這將為載流子的傳輸與收集提供較好的路徑以致提高器件的短路電流和填充因子。然而，目前還未見將小分子材料與聚合物共混作為三相體系的太陽能電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的之一在于提供一種有機(jī)太陽能電池，通過向聚合物薄膜太陽能電池激活層材料中引入具有適合的分子結(jié)構(gòu)和適合比例的有機(jī)小分子材料，或者也可以說是通過向基于有機(jī)小分子材料的薄膜太陽能電池中引入適當(dāng)?shù)木酆衔锊牧线M(jìn)而實(shí)現(xiàn)對器件性能的改進(jìn)。通過利用聚合物和小分子的協(xié)同作用不僅實(shí)現(xiàn)了對太陽光譜利用范圍的拓寬，同時還實(shí)現(xiàn)了對活性層形貌的可控調(diào)節(jié)，以及對光伏器件開路電壓，填充因子的調(diào)節(jié)。
[0007]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種有機(jī)太陽能電池，包括依次層疊的襯底、陽極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，所述光電活性層為基于將有機(jī)小分子與有機(jī)聚合物共混充當(dāng)給體(P型)材料的三相體系。兩種給體材料在激活層中都能參與光子的吸收，激子的產(chǎn)生，電荷的分離與收集，兩種材料混合比例可以任意調(diào)節(jié)。
[0009]對于本發(fā)明，其中聚合物可以為但不僅限于D-A型的聚合物，優(yōu)選為聚4，8- 二(5- (2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[I, 2-b: 4，5-b’ ] 二噻吩-2-基)-5-辛基-4H-噻吩[3，4-c]吡咯-4，6(5H)雙酮(簡稱為PBDTTPD-HT，其分子式如附圖1中所示)。
[0010]其中PBDTTPD-HT 的具體合成方法(可參見文獻(xiàn) K.Lu，J.Fang, H.Yan, X.Zhu, Y.Yi, Z.Wei, Organic Electronics, 14 (2013) 2652)，具體如下；
[0011]BDTT化學(xué)反應(yīng)流程如下所示(具體反應(yīng)步驟和反應(yīng)條件參考文獻(xiàn)L.Huo，S.Zhang, X.Guo, F.Xu, Y.Li, J.Hou, Angew.Chem.1nt.Ed., 50 (2011) 9697):
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種有機(jī)太陽能電池，包括依次層疊的襯底、陽極層、陽極修飾層、光電活性層、陰極修飾層和陰極層，其特征在于，所述光電活性層為基于將有機(jī)小分子與有機(jī)聚合物共混充當(dāng)給體材料的三相體系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)太陽能電池，其特征在于，所述聚合物為D-A型的聚合物，優(yōu)選為聚4，8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[l，2-b:4，5-b’] 二噻吩-2-基)-5-辛基-4H-噻吩[3，4-c]吡咯-4，6 (5H)雙酮； 優(yōu)選地，所述有機(jī)小分子為D-A型的小分子，優(yōu)選為二辛基-3，3’_(5"，5" " _(4，8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯[1，2-13:4，5-13’]并噻吩-2，6-二基)二(3，3" - 二辛基 _[2，2’:5’，2"-三噻吩]_5"，5-二基))二(2-氰基乙酯)、2，2’-((5"，5" " ' _(4，8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯[1，2-13:4，5-13’]并二噻吩-2，6-二基)二(3，3" - 二辛基-[2，2’:5’，2"-三噻吩]_5"，5_ 二基))二(亞甲烯基)二(3-氧代十一烷氰)； 優(yōu)選地，所述光電活性層的三相體系中的受體材料為(6，6)-苯基-C61- 丁酸甲酯和/或(6，6)-苯基471-丁酸甲酯，優(yōu)選為出，6)_苯基-C71-丁酸甲酯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)太陽能電池，其特征在于，所述聚合物在聚合物和有機(jī)小分子共混體系中的含量為Iwt% -99wt%,優(yōu)選為1wt% -95wt% ；
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的有機(jī)太陽能電池，其特征在于，所述活性層的厚度為 40_400nm。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述有機(jī)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟: (1)在帶有導(dǎo)電層，優(yōu)選透明導(dǎo)電層的襯底上涂覆陽極修飾層或者陰極修飾層后烘干；所述烘干優(yōu)選在熱臺上進(jìn)行； (2)將有機(jī)小分子與聚合物給體材料共混，再與受體材料共混，然后加入有機(jī)溶劑中，在加熱、攪拌條件下得到混合溶液，將混合溶液涂覆在步驟(I)的電極修飾層上，處理后充當(dāng)三相體系的活性層； (3)在活性層上依次制備陰極修飾層或者陽極修飾層，最后蒸鍍陰極或者陽極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為氯仿、甲苯、氯苯、鄰二氯苯中的I種或2種以上的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述加熱的溫度為30-70°C，優(yōu)選為60°C ;加熱的時間為Ih以上，優(yōu)選為2h。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述涂覆為旋涂。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-8任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述處理為選擇熱臺進(jìn)行加熱處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述加熱的溫度為50-200°C，加熱的時間為3min_2h。
【文檔編號】H01L51/46GK104037325SQ201410315907
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】張亞杰, 鄧丹, 呂琨, 魏志祥 申請人:國家納米科學(xué)中心