一种使用聚乳酸作为给体添加剂的有机太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种使用聚乳酸作为给体添加剂的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

有机太阳能电池因其质地轻，柔韧性好，可溶液法制备，适用于大面积、大规模生产制备等一系列优点受到了科学工作者们的广泛关注和长期研究。目前单结基于非富勒烯受体的OSCs光电转化效率已经超过19％。目前大部分光伏器件都是基于体异质结活性层结构制成的。近年来，顺序沉积给体和受体材料的制备活性层的方式(准平面异质结)受到了广泛的关注，这种结构可以克服由于给体和受体材料之间的热力学混溶而产生的不相容，更重要的是允许独立优化每层的微观结构。以上两种结构的核心都在于构建具有给受体相互贯穿的纳米级网络。然而这类器件的优异性能很大程度上取决于活性层中精细的相分离结构。这种相分离结构的形成与一系列工艺参数相关，且混合后的形貌随外界环境的影响会发生变化，难以稳定控制，重复性较差，这极大地提高了光伏器件从实验室小面积器件扩大到工业大面积器件制备的实现难度。

为了解决这个问题，需要寻找一种能够构建精细且稳定的活性层制备方法。事实上，通过纳米压印光刻技术可以实现这点。但生产能精确控制的相畴尺寸和结构的模板是昂贵且繁琐的，而且难以生成大范围有序的结构。使用添加剂是改善活性层形貌的有效策略，如挥发性的小分子和第三元聚合物等。但目前大多数与添加剂相关的研究都集中在体异质结OSCs当中，仅有部分报道研究了添加剂分层添加到给体或受体层对其形貌上的影响，但其作用机制还有待充分了解。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种使用聚乳酸作为给体添加剂的有机太阳能电池及其制备方法，提供一种简单有效的方法辅助给体基质沉积，形成有序且精细的纳米级多孔薄膜，以构建具有精细且稳定的高效活性层结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池的结构从下至上依次包括阳极层、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层；

所述活性层由给体层和受体层组成；所述给体层为掺杂了聚乳酸的PM6，所述受体层为Y6；所述聚乳酸的掺杂量≤PM6质量的4wt％。

优选地，所述聚乳酸的掺杂量为PM6质量的0.5～2wt％；进一步优选地，所述聚乳酸的掺杂量为PM6质量的0.5～1.5wt％。

优选地，所述空穴传输层厚度为30～40nm，所述活性层厚度为100～120nm，所述电子传输层厚度为20～40nm，所述阴极层厚度为100～130nm。

优选地，所述阳极层为氧化铟锡，所述空穴传输层为PEDOT:PSS，所述电子传输层为PDINN，所述阴极层为银。

本发明第二方面提供了一种所述的有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)取ITO玻璃，对其进行超声清洗；

(2)在ITO玻璃上旋涂一层PEDOT:PSS后退火，形成空穴传输层；

(3)将含有PLA的PM6溶液旋涂到空穴传输层表面上形成给体层；

(4)将Y6溶液旋涂到所述给体层表面形成受体层，退火，得到活性层；

(5)将PDINN溶液旋涂到所述活性层上，形成电子传输层；

(6)在所述电子传输层上蒸镀阴极层。

优选地，步骤(2)中，所述退火的温度为140～160℃，时间为10～20分钟。

优选地，步骤(2)中，所述旋涂的转速为4000～5000rpm，时间为20～40s。

优选地，步骤(3)中，所述含有PLA的PM6溶液的配制方法包括以下步骤：将PM6配制成7～9mg/ml的氯仿溶液，将PLA配制成14～16mg/ml的氯仿溶液，然后将两个溶液混合，在45～55℃下搅拌4～6分钟得到含有PLA的PM6溶液。

优选地，步骤(3)中，所述旋涂的转速为1500～2500rpm，时间为30～50s。

优选地，步骤(4)中，所述退火的温度为80℃～100℃，时间为8～10分钟。

优选地，步骤(4)中，所述Y6溶液的配制方法包括：将Y6配制成6～8mg/ml的氯仿溶液，然后按体积比99.5:0.5加入1-氯代萘。

优选地，步骤(4)中，所述旋涂的转速为2000～2600rpm，时间为30～50s。

优选地，步骤(5)中，所述PDINN溶液为0.5～1.5mg/ml的甲醇溶液。

优选地，步骤(5)中，所述旋涂的转速为2500～3500rpm，时间为20～40s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于顺序旋涂沉积法，通过在给体层中额外引入PLA，利用PLA自身独特的半结晶性和PLA与PM6之间合适的相容性差异，形成具有均匀的垂直向纳米多孔给体层薄膜，有利于提高后续受体溶液的渗透深度和受体连续相的生成，形成具有理想垂直向分布的活性层结构。这种活性层结构相比传统的顺序旋涂沉积法制备的平面异质结活性层具有更多的给受体界面，同时也能保持连续的给受体相，更有利于激子的分离和运输。这使得引入适量PLA的OCSs比不引入PLA的OSCs具有更高的光电转化效率，其中短路电流和填充因子都有明显的提高。此外为了证明PLA独特的辅助多孔薄膜沉积性能，本发明还横向对比了其他聚合物添加剂如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掺杂进PM6的原子力透镜图像，对应掺杂薄膜均未发现多孔结构的形成。

附图说明

图1为本发明的有机太阳能电池的结构示意图；

图2为使用传统的顺序旋涂沉积法制备的有机太阳能电池的结构示意图；

图3为对比例和实施例的太阳能器件的电流密度与电压关系图；

图4为对比例1的原子力透镜图像；

图5为实施例2的原子力透镜图像；

图6为实施例3的原子力透镜图像；

图7为对比例2的原子力透镜图像；

图8为对比例3的原子力透镜图像；

附图标记：1-阳极层、2-空穴传输层、3-给体层、4-受体层、5-电子传输层、6-阴极层。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。

实施例1

本实施例基于添加0.5％(相对于给体质量)的聚乳酸到给体层的有机太阳能电池结构，所述器件结构从下至上包括阳极层、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极层，活性层由给体层和受体层组成；具体制备方法如下：

(1)阳极基底层的清洗：本发明采用的透明基底为ITO(氧化铟锡)玻璃，首先将基底(ITO)依次用去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇在超声清洗仪中超声15分钟，然后利用氮气枪吹干玻璃表面残余的异丙醇后即可得到表面干净的衬底。

(2)空穴传输层的制备：对洗净干燥的ITO进行等离子体处理10分钟。将PEDOT:PSS溶液(型号：4083)旋涂在ITO表面上，转速为4500rpm，时间为30秒。最后对PEDOT:PSS以150℃退火10分钟，基于PEDOT:PSS的空穴传输层，其厚度为30～40nm。

(3)添加PLA的活性层的制备：将PM6(cas号：1802013-83-7)、PLA和Y6(cas号:2304444-49-1)分别配制成8mg/ml、15mg/ml和7mg/ml的氯仿溶液，并在50℃下加热搅拌5小时，以确保溶解充分。然后按体积比99.5：0.5往Y6溶液中加入1-氯代萘，往PM6溶液中加入0.5wt％(相对于给体质量)PLA溶液，继续加热搅拌10分钟。将给体溶液以2000rpm在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂40秒成膜，随后将受体溶液以2300rpm在给体层上旋涂40秒，最后将基板置于80℃下热退火8分钟即为活性层，整体厚度为100～120nm。

(4)电子传输层的制备：将PDINN配制成1mg/ml的甲醇溶液后，以3000rpm在活性层旋涂30秒以形成电子传输层，厚度为20～40nm。

(5)阴极层的制备：利用真空蒸镀仪将金属Ag蒸镀到电子传输层上，以形成阴极层。蒸镀过程中真空度在8×10

实施例2

本实施例的器件的制备参照实施例1，与实施例1的区别在于往PM6溶液中加入1wt％(相对于给体质量)PLA溶液。

实施例3

本实施例的器件的制备参照实施例1，与实施例1的区别在于往PM6溶液中加入2wt％(相对于给体质量)PLA溶液。

实施例4

本实施例的器件的制备参照实施例1，与实施例1的区别在于往PM6溶液中加入4wt％(相对于给体质量)PLA溶液。

对比例1

本实施例的器件的制备参照实施例1，与实施例1的区别在于PM6溶液中没有加入PLA溶液。

对比例2

本对比例的器件的制备参照实施例1，与实施例1的区别在于往PM6溶液中加入2wt％(相对于给体质量)PS溶液。

对比例3

本对比例的器件的制备参照实施例1，与实施例1的区别在于往PM6溶液中加入2wt％(相对于给体质量)PMMA溶液。

图3为实施例与对比例1的有机太阳能电池的J-V曲线图，可以看出在添加了适量的PLA后，器件的光电转化效率得到了明显的提高。

如图4-8所示，未添加PLA的薄膜呈现出光滑的表面形貌，在加入1％PLA后，薄膜出现多孔结构，这有利于后续受体材料的渗透。继续增加PLA添加量至2％后，薄膜孔径进一步扩大，但由于PLA自身的绝缘性质以及绝缘成分的增加，导致对应器件的效率相对降低；即便如此，添加了2％PLA器件的Jsc依然优于不添加PLA(对比实施例)的器件，这说明了该多孔结构对活性层形貌起到了积极的作用。此外，其他聚合物添加剂如PS(图7)和PMMA(图8)均未发现多孔结构，进一步证实PLA辅助给体多孔基质沉积的独特性能。

表1为各实施例的性能参数。从中可以看出，加入一定量PLA到给体材料后，器件的短路电流，填充因子都得到有效提升。PLA添加质量为给体材料质量的1％达到最佳，光电转换效率高达16.4％，超过了不添加PLA(对比实施例)的器件，同时也是目前使用顺序旋涂法制备基于PM6：Y6活性层体系的OSCs中最高效率之一。这表明PLA的引入，提高了器件的电荷传输和分离，减小了激子的复合几率。

表1

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。