一种全小分子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，具体涉及有机小分子光伏器件和有机半导体薄膜太阳能电池领域，特别是涉及一种全小分子有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

有机太阳能电池可通过溶液法制备，且其原材料成本低廉、轻便、易于实现大面积制备与柔性化等优势，并且在便携式发电、海上空间发电等领域有广阔的应用前景，使得有机光伏电池已经成为学术界和产业界的研究热点之一。近两年，随着受体Y6的问世，有机太阳能电池的光电转换效率得到大幅提升。相较聚合物而言，小分子具有纯度高、分子结构精确、重复率高的优势，更加适合市场化推广，使其成为有机光伏电池实现产业化的最优选择之一。

全小分子有机太阳能电池的核心瓶颈在于光电转换效率低，基于Y6的二元器件效率最高仅超过14％，与聚合物-小分子体系相比，还远远不足。为了实现商业化，大幅提升全小分子有机太阳能电池的效率是必要所在。全小分子有机太阳能电池中形貌是决定其效率的至关重要的一个因素，因此调控活性层形貌实现相分离优化是提升效率的一个最直接和简单的方法。通过合成新的给/受体材料或者进行界面修饰也可以优化相分离形貌，进而提升器件的光电转换效率。但合成新的材料和寻找新的界面层材料，工艺条件复杂且耗资较大，不适合商业化推广。同时，活性层形貌非常敏感，通常微小的改变也会带来活性层材料在相分离、分子排布、结晶性和域大小方面的巨大改变。如不同的后处理条件，会直接导致活性层的排布大不相同。然而，在全小分子有机太阳能电池领域中，通过加入添加剂的方式精细调控全小分子有机太阳能电池活性层形貌的技术鲜有报道，需要进行进一步的深入研究。

在之前的相关报道中，通过加入添加剂可以有效提升聚合物-小分子体系的效率，如固体添加剂A3，被广泛应用于聚合物有机太阳能电池中调节器件活性层形貌，提升器件光电转化效率。原因是A3可以与给受体发生相互作用形成共晶相，并成功应用于基于两元聚合物有机太阳电池(PM6∶Y6)，并取得了6％的光电转化效率的提升。然而，诸如此类适合于聚合物有机物太阳能电池的活性层形貌调控的方法却鲜有在全小分有机太阳能电池体系进行报道。

有鉴于此，寻求能够精细调节全小分太阳能电池活性层形貌提升其光电转化效率的方法具有巨大的科学影响和现实意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全小分子有机太阳能电池及其制备方法，在保持活性层其他参数不变的情况下，通过添加富勒烯添加剂大幅提升填充因子，实现基于全小分子体系(BTR-Cl∶Y6)的全小分子有机太阳能电池光电转化效率的提升。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种全小分子有机太阳能电池的制备方法，所述全小分子有机太阳能电池包括活性层，所述制备方法为：在制备所述活性层时加入富勒烯添加剂，提升所述太阳能电池的光电转化效率。

进一步，所述全小分子有机太阳能电池依次包括衬底、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极，所述制备方法包括如下步骤：在衬底上旋涂空穴传输层，然后热退火处理；在空穴传输层上旋涂活性层，所述活性层的制备材料包括给体、受体和富勒烯添加剂，然后再进行溶剂热退火处理和热退火处理；随后在活性层上旋涂电子传输层，最后在电子传输层上蒸镀金属电极，制得所述太阳能电池。

可选地，所述富勒烯添加剂选自PC

可选地，所述富勒烯添加剂占所述活性层的制备材料比重的1～8％wt。

可选地，所述给体为BTR-Cl，所述受体为Y6。

可选地，所述活性层中，给体和受体的质量比为2∶1。

可选地，所述空穴传输层的旋涂条件为3000～6000rpm、15-30s，优选为4000rpm、20s。

可选地，所述空穴传输层的热退火温度为120～180℃，优选为120℃；所述空穴传输层的热退火时间为10～20min，优选为10min。

可选地，所述活性层的旋涂条件为1000～2000rpm、40-60s，优选为1500rpm、40s。

可选地，所述活性层的溶剂退火处理采用的溶剂为氯仿或氯苯；所述活性层的溶剂退火处理时间为20～60s，优选为30s。

可选地，所述活性层的热退火温度为120～180℃，优选为120℃；所述活性层的热退火时间为10～20min，优选为10min。

可选地，所述电子传输层的旋涂条件为1500～3000rpm、10-30s，优选为2000rpm、10s。

可选地，所述太阳能电池为正置器件结构，即所述太阳能电池从下至上依次包括衬底、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极。

可选地，所述衬底包括透明玻璃和透明导电电极，所述透明导电电极为正极，所述金属电极为负极。

可选地，所述透明导电电极的材料为氧化铟锡(ITO)。

可选地，所述负极的材料为Ag或Al，优选为Ag。

可选地，所述负极的厚度为80-150nm，优选为100nm。

可选地，所述空穴传输层的材料为PEDOT∶PSS。

可选地，所述电子传输层的材料选自DPO、PFN-Br、PDINO中的一种。

可选地，所述活性层的厚度为100～120nm，优选为110nm。

可选地，所述空穴传输层的厚度为25-50nm，优选为35nm。

可选地，所述电子传输层的厚度为5-10nm，优选为8nm。

本发明另一方面提供一种根据如上所述的制备方法制得的全小分子有机太阳能电池。

如上所述，本发明的全小分子有机太阳能电池及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明针对现有全小分子有机太阳能电池，突破光电转换效率低的核心瓶颈，采用互溶性策略引入富勒烯添加剂精细调控活性层形貌。在其他工艺参数不变的情况下，解决全小分子有机太阳能电池活性层精细形貌优化的问题，精细优化活性层薄膜的相分离尺度、结晶性及域大小，大幅提升填充因子，以达到提升有机太阳电池光电转化效率的目的。

本发明的方法简单、有效，适用于全小分子体系(BTR-Cl∶Y6)太阳能电池光电转化效率的提升。本方法避免了新材料的开发和器件工艺的创新，能大幅减少成本，仅通过添加富勒烯添加剂就能实现全小分子有机太阳能电池光电转化效率的大幅提升，有望替代现有的形貌调控方法，成为主流的实现全小分子有机太阳能电池效率提升的方法，在未来产业化过程中具有无限的商业潜力。

附图说明

图1为本发明实施例中制备全小分子有机太阳能电池所使用到的活性层材料(BTR-Cl、Y6、PC

图2为本发明实施例中全分子有机太阳能电池器件的结构示意图。

图3为本发明实施例1(BTR-Cl∶PC

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明提供了一种全小分子有机太阳能电池，通过添加富勒烯添加剂以提升全小分子有机太阳能电池的光电转化效率。本发明的目的在于：

针对现有全小分子有机太阳能电池，突破光电转换效率低的核心瓶颈，采用互溶性策略引入富勒烯添加剂精细调控活性层形貌。在其他工艺参数不变的情况下，解决全小分子有机太阳能电池活性层精细形貌优化的问题，精细优化活性层薄膜的相分离尺度、结晶性及域大小，大幅提升填充因子，以达到提升有机太阳电池光电转化效率的目的。本发明的方法适用于全小分子体系(BTR-Cl∶Y6)太阳能电池光电转化效率的提升。

与传统的提升全小分子有机太阳能电池光电转化效率的方法相比(如新给/受体材料设计，器件工艺创新及界面修饰等)，本发明的方法具有巨大的优势，本发明的方法简单、有效，仅通过添加富勒烯添加剂对电池活性层形貌进行调控，提升给受体的互溶性，获得更优的给受体域大小，降低载流子双分子复合速率，使自由电荷可以有效地得到传输和收集，最终实现全小分子有机太阳能电池效率的提升。由于本方法避免了在新材料合成和器件工艺创新的巨大投入，仅通过加入添加剂就实现全小分子有机太阳能电池光电转化效率的提升，有望替代现有的形貌调控方法，成为主流的实现全小分子有机太阳能电池效率提升的方法，在未来产业化过程中具有无限的商业潜力。

本发明实施例中以基于高效全小分子体系(BTR-Cl∶Y6)的全小分子有机太阳能电池为例进行了试验，如图1所示，以下实施例及对比例中的太阳能电池均为正置器件结构，即所述太阳能电池从下至上依次包括衬底、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极；所述太阳能电池的制备方法包括如下步骤：在衬底上旋涂空穴传输层，然后热退火处理；在空穴传输层上旋涂活性层，所述活性层的制备材料包括给体、受体和富勒烯添加剂，然后再进行溶剂热退火处理和热退火处理；随后在活性层上旋涂电子传输层，最后在电子传输层上蒸镀金属电极，制得所述太阳能电池。

其中，所述富勒烯添加剂选自PC

其中，所述富勒烯添加剂占所述活性层的制备材料比重的1～8％wt。

以下实施例中，正极材料选取Indium tin oxide(ITO)，空穴传输层选取poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrene sulfonate)(PEDOT∶PSS)，活性层选取BTR-Cl为给体，Y6为受体，富勒烯添加剂选取PC

除此之外，本发明的全小分子有机太阳能电池中的负极材料还可以采用Al，电子传输层的材料还可以采用PFN-Br、PDINO。

本发明中，空穴传输层的旋涂条件3000～6000rpm、20-40s，以下实施例中具体为4000rpm、20s；空穴传输层的厚度为25-50nm，以下实施例中具体为35nm；空穴传输层的热退火温度为120～180℃，以下实施例中具体为120℃；空穴传输层的热退火时间为8～15min，以下实施例中具体为10min。

本发明中，活性层的旋涂条件为1000～2000rpm、40-60s，以下实施例中具体为1500rpm、40s；活性层的厚度为100～120nm，以下实施例中具体为110nm；活性层的溶剂退火处理采用的溶剂为氯仿或氯苯；活性层的溶剂退火处理时间为20～60s，以下实施例中具体为30s。

本发明中，电子传输层的旋涂条件为1500～3000rpm、10-30s，以下实施例中具体为2000rpm、10s；电子传输层的厚度为5-10nm，以下实施例中具体为8nm。

本发明中，负极的厚度为80-150nm，以下实施例中具体为100nm。

本发明的具体实施过程如下：

实施例1

对透明玻璃及透明导电电极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；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT∶PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT∶PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl∶PC

实施例2

对透明玻璃及透明导电电极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；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT∶PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT∶PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl∶PC

实施例3

对透明玻璃及透明导电电极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；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT∶PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT∶PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl∶PC

实施例4

对透明玻璃及透明导电电极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；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT∶PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT∶PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl∶PC

对比例1

对透明玻璃及透明导电电极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；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT∶PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT∶PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR∶Y6＝2∶1，17mg/ml，1500rpm，40s，活性层膜厚：≈110nm)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行溶剂退火处理(CF，30s)，再经过热退火处理(120℃/10min)；随后在活性层上上旋涂电子传输层DPO(2000rpm，10s，膜厚5nm)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(膜厚100nm)，制得太阳能电池。

在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm

表1

由表1可以看出，实施例1-4中的太阳能电池的光电转化效率均优于对比例1，上述结果表明，通过添加富勒烯添加剂能有效实现全小分子有机太阳能电池光电转化效率的提升。对于全小分子体系(BTR-Cl∶Y6)有机太阳能电池而言，活性层中添加PC

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。