一种有机太阳能电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及太阳能电池技术领域，具体为一种有机太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.有机太阳能电池作为新一代的光电转换技术，因拥有可溶液加工、质量轻、柔性和无毒等特点而备受学术界和产业界关注。
3.根据电子受体材料的发展，目前为止有机太阳能电池共经历了三个发展阶段：富勒烯、itic和y6体系，富勒烯受体由于弱的光谱吸收和较难调控的能级，因此只能达到约12％的光电转换效率；itic受体体系相较于富勒烯体系拥有更低的成本、更宽和强的光谱吸收以及更大范围的能级调控，目前为止基于itic体系的有机太阳能电池效率约为15％；y6电子受体材料是基于itic分子设计思路于2019年被发明，相较于itic体系却具有更小的电压损失和更规则的分子堆积，目前基于y6体系所构建的有机太阳能电池，其光电转换效率已突破18％。
4.高效率有机太阳能电池除了依靠活性层(电子给体和电子受体)材料本身的光电物理性质外，还强烈依赖于活性层薄膜的微观形貌，包括给受体材料的分子堆积方式和结晶度。目前，通过溶剂添加剂，热退火和溶剂退火等方式可有效的改善聚合物给体/聚合物受体、聚合物给体/小分子受体和全小分子体系活性层薄膜的微观形貌以取得高的光电转换效率。然而，液体添加剂存在精确量取困难，易挥发等缺点，而造成器件性能的重复性较差，并且液体添加剂往往需要搭配热退火和(或)溶剂退火一起使用，额外增加成本，不适用于工业化生产。
5.鉴于此，寻求简单调控有机太阳能电池活性层形貌以提升其光电转换效率的方法具有巨大的科学影响和现实意义，因此，目前亟待提出一种新的有机太阳能电池及其制备方法。


技术实现要素：

6.基于此，本发明利用碘化物小分子作为固体添加剂，加入到聚合物给体/聚合物受体、聚合物给体/小分子受体或全小分子体系的活性层中，一方面不需要热退火和溶剂退火等后处理方式，另一方面，由于固体碘化物小分子易挥发，而不会残留在有机太阳能电池的活性层中，因此，不仅提升了所述太阳能电池的光电转换效率，而且降低了能耗和成本。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明第一方面提供了一种有机太阳能电池，包括活性层，制备所述活性层的材料包括电子给体、电子受体和碘化物小分子固体添加剂；所述碘化物小分子固体添加剂的用量为所述电子给体和电子受体总重量的30～120％wt；
8.所述碘化物小分子固体添加剂选自1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、2,5-二碘噻吩以及它们各自的衍生物中的至少一种。
9.本发明第二方面提供了一种有机太阳能电池的活性层的制备方法，该制备方法包
括：将电子给体和电子受体在溶剂中溶解并混合均匀，并向其中加入碘化物小分子固体添加剂，混合搅拌，得到所述有机太阳能电池的活性层。
10.本发明第三方面提供了一种有机太阳能电池的活性层的制备方法，该制备方法包括：将碘化物小分子固体添加剂在溶剂中溶解，并向其中加入电子给体和电子受体，混合搅拌均匀，得到所述有机太阳能电池的活性层。
11.本发明第四方面提供了一种有机太阳能电池，该有机太阳能电池包括所述的活性层。
12.综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
13.1、相对于传统液体添加剂，本发明使用的碘化物小分子固体易于称量，易挥发，能最大程度维持活性层的形貌，增加有机太阳能电池的稳定性，延长电池的使用寿命。
14.2、本发明在制备有机太阳能电池的活性层的过程中不需要热退火和溶剂退火等方式对活性层进行后处理，简化了生产流程，降低了生产成本，提升了市场竞争力。
附图说明
15.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
16.图1示出了本发明实施例1提供的一种有机太阳能电池的活性层中的电子给体和电子受体的分子结构示意图。
17.图2示出了本发明提供的一种有机太阳能电池的结构示意图。
18.图3示出了本发明实施例1和实施例2提供的有机太阳能电池在标准测试条件下(am1.5，100mw/cm2)的电流密度(current density)-电压(voltage)特性曲线图。
具体实施方式
19.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
20.本发明第一方面提供了一种有机太阳能电池，包括活性层，制备所述活性层的材料包括电子给体、电子受体和碘化物小分子固体添加剂；所述碘化物小分子固体添加剂的用量为所述电子给体和电子受体总重量的30～120％wt；
21.所述碘化物小分子固体添加剂选自1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、2,5-二碘噻吩以及它们各自的衍生物中的至少一种。
22.根据本发明，优选地，所述电子给体选自btr、btr-cl、d18，pm6和d18-cl中的至少一种。
23.根据本发明，优选地，所述电子受体选自itic、idic、bo-4cl、y6、n3、s1、s2和l8bo中的至少一种。
24.根据本发明，优选地，所述电子给体与所述电子受体的质量比为2:1～1:2。
25.根据本发明，优选地，所述活性层的厚度为80～500nm。
26.本发明第二方面提供了一种有机太阳能电池的活性层的制备方法，该制备方法包括：将电子给体和电子受体在溶剂中溶解并混合均匀，并向其中加入碘化物小分子固体添加剂，混合搅拌，得到所述有机太阳能电池的活性层。
27.根据本发明，优选地，所述电子给体和所述电子受体的混合物在溶剂内的总浓度为10mg/ml～20mg/ml；溶剂为氯仿、四氢呋喃、二氯苯和氯苯中的至少一种。
28.本发明第三方面提供了一种有机太阳能电池的活性层的制备方法，该制备方法包括：将碘化物小分子固体添加剂在溶剂中溶解，并向其中加入电子给体和电子受体，混合搅拌均匀，得到所述有机太阳能电池的活性层。
29.根据本发明，优选地，所述碘化物小分子固体添加剂在溶剂内的浓度为5mg/ml～50mg/ml，优选为10mg/ml；溶剂为氯仿、四氢呋喃、二氯苯和氯苯中的至少一种。
30.本发明第四方面提供了一种有机太阳能电池，该有机太阳能电池包括所述的活性层。
31.根据本发明，优选地，该有机太阳能电池包括从下到上依次设置的衬底、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极，或者，包括从下到上依次设置的衬底、电子传输层、活性层、空穴传输层和金属电极。
32.根据本发明，优选地，所述活性层旋涂在所述空穴传输层上或所述电子传输层上，操作条件包括：旋涂转速1500～6000rpm，旋涂时间30～60s。
33.在本发明中，所述有机太阳能电池的制备方法包括：在衬底上旋涂空穴(或电子)传输层；在空穴(或电子)传输层上旋涂活性层；随后在活性层上旋涂电子传输层或蒸镀空穴传输层，最后在电子(或空穴)传输层上蒸镀金属电极，制得所述太阳能电池。
34.在本发明中，所述衬底、空穴传输层、电子传输层和金属电极可选自本领域技术人员熟知的可用于制备有机太阳能电池的材料。优选地，所述衬底由透明玻璃和透明导电电极ito所组成；所述空穴传输层材料为pedot∶pss；所述电子传输层材料为pndit-f3n；所述金属电极为ag。
35.以下通过实施例具体说明本发明：
36.实施例1
37.本发明提供一种有机太阳能电池，该有机太阳能电池包括从下到上依次设置的衬底、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极；
38.制备所述活性层的材料包括电子给体、电子受体和碘化物小分子固体添加剂；所述碘化物小分子固体添加剂的用量为所述电子给体和电子受体总重量的70％wt；所述碘化物小分子固体添加剂为1,4-二碘苯；
39.所述电子给体为d18-cl，所述电子受体为l8bo，如图1所示；所述电子给体与所述电子受体的质量比为1:1.2；
40.所述活性层的厚度为120nm；
41.制备所述活性层的方法包括：将d18-cl和l8bo在氯仿中溶解并混合均匀，并向其中加入1,4-二碘苯，混合搅拌，得到所述有机太阳能电池的活性层。所述电子给体和所述电子受体的混合物在所述溶剂内的总浓度为15mg/ml。
42.制备所述有机太阳能电池的方法包括：
43.s1:将电子给体和电子受体在溶剂中溶解并混合均匀，并向其中加入碘化物小分
子固体添加剂，混合搅拌，得到所述有机太阳能电池的活性层；
44.s2：对透明玻璃和透明导电电极ito所组成的衬底分别用清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；
45.s3：将用氮气吹干的衬底放入臭氧清洗机中处理20min后，在空气中，在衬底上旋涂空穴传输层材料pedot∶pss(旋涂转速4000rpm，旋涂时间30s，空穴传输层厚30nm)，随后在空气中对空穴传输层进行热退火处理(120℃，20min)；
46.s4：将旋涂了空穴传输层的衬底放入充满氮气的手套箱中，在空穴传输层上旋涂所述活性层(旋涂转速3000rpm，旋涂时间40s)；
47.s5：在充满氮气的手套箱中，在活性层上旋涂电子传输层材料pndit-f3n(旋涂转速2000rpm，旋涂时间30s，电子传输层厚5nm)；
48.s6：在充满氮气的手套箱中，在电子传输层上蒸镀ag电极(电极厚100nm)，制得所述有机太阳能电池，如图2所示。
49.所述有机太阳能电池的电池性能：开路电压：0.922v；电池的短路电流：26.6ma/cm2；填充因子：75.6％；能量转换效率：18.7％。
50.实施例2
51.本发明提供一种有机太阳能电池，如图2所示。本实施例与实施例1的区别仅在于：所述电子受体由l8bo和y6组成；所述电子给体(d18-cl)与所述电子受体(l8bo和y6)的质量比为d18-cl：l8bo：y6＝1:1：0.2。
52.所述有机太阳能电池的电池性能：开路电压：0.903v；电池的短路电流：28.1ma/cm2；填充因子：74.5％；能量转换效率：18.8％。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合，本领域技术人员在阅读完本说明书后可在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以根据需要对实施例做出没有创造性贡献的修改、替换和变型等，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种有机太阳能电池，其特征在于，包括活性层，制备所述活性层的材料包括电子给体、电子受体和碘化物小分子固体添加剂；所述碘化物小分子固体添加剂的用量为所述电子给体和电子受体总重量的30～120％wt；所述碘化物小分子固体添加剂选自1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、2,5-二碘噻吩以及它们各自的衍生物中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池，其中，所述电子给体选自btr、btr-cl、d18，pm6和d18-cl中的至少一种；所述电子受体选自itic、idic、bo-4cl、y6、n3、s1、s2和l8bo中的至少一种；所述电子给体与所述电子受体的质量比为2:1～1:2。3.根据权利要求1所述的一种有机太阳能电池，其特征在于，所述活性层的厚度为80～500nm。4.一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：s1：将电子给体和电子受体在溶剂中溶解并混合均匀，并向其中加入碘化物小分子固体添加剂，混合搅拌，得到所述有机太阳能电池的活性层；s2：对透明玻璃和透明导电电极ito所组成的衬底分别用清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；s3：将用氮气吹干的衬底放入臭氧清洗机中处理20min后，在空气中，在衬底上旋涂空穴传输层材料pedot∶pss，随后在空气中对空穴传输层进行热退火处理；s4：将旋涂了空穴传输层的衬底放入充满氮气的手套箱中，在空穴传输层上旋涂所述活性层；s5：在充满氮气的手套箱中，在活性层上旋涂电子传输层材料pndit-f3n；s6：在充满氮气的手套箱中，在电子传输层上蒸镀ag电极，制得所述有机太阳能电池；将碘化物小分子固体添加剂在溶剂中溶解，并向其中加入电子给体和电子受体，混合搅拌均匀，得到所述有机太阳能电池的活性层。5.根据权利要求4所述的一种有机太阳能电池的活性层的制备方法，其特征在于，所述碘化物小分子固体添加剂在溶剂内的浓度为5mg/ml～50mg/ml,溶剂为氯仿、四氢呋喃、二氯苯和氯苯中的至少一种。6.根据权利要求5所述的一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，该有机太阳能电池包括从下到上依次设置的衬底、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极。7.根据权利要求5所述的一种有机太阳能电池的制备方法，其中，该有机太阳能电池包括从下到上依次设置的衬底、电子传输层、活性层、空穴传输层和金属电极。8.根据权利要求7所述的一种有机太阳能电池的制备方法，其中，所述活性层旋涂在所述空穴传输层上或所述电子传输层上，操作条件包括：旋涂转速1500～6000rpm，旋涂时间30～60s。9.根据权利要求7所述的一种有机太阳能电池的制备方法其特征在于，所述电子给体和所述电子受体的混合物在溶剂内的总浓度为10mg/ml～20mg/ml，溶剂为氯仿、四氢呋喃、二氯苯和氯苯中的至少一种。

技术总结
本发明公开了一种有机太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。制备所述活性层的材料包括电子给体、电子受体和碘化物小分子固体添加剂；所述碘化物小分子固体添加剂的用量为所述电子给体和电子受体总重量的30～120％wt；所述碘化物小分子固体添加剂选自1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、2,5-二碘噻吩以及它们各自的衍生物中的至少一种，本发明相对于传统液体添加剂，本发明使用的碘化物小分子固体易于称量，易挥发，能最大程度维持活性层的形貌，增加有机太阳能电池的稳定性，延长电池的使用寿命，在制备活性层的过程中不需要热退火和溶剂退火等方式对活性层进行后处理，简化了生产流程，降低了生产成本，提升了市场竞争力。市场竞争力。市场竞争力。


技术研发人员：谢东 娄辉 沈晶 汪业
受保护的技术使用者：杭州柯林电气股份有限公司
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/9/22