一种利用界面结晶性缓冲层诱导有机太阳能电池活性层结晶的方法

技术领域

本发明属于有机光电子技术领域。

背景技术

随着能源需求日益加大，环境污染日益严重，太阳能作为清洁、可再生的绿色能源成为全社会的追逐目标。太阳能电池是太阳能应用的最有效的途径之一，其主要包括无机太阳能电池和有机太阳能电池。与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有制造成本低，原材料丰富，制备工艺简单，可大面积制造，质量轻便于携带等优点，已成为近几年来国内外研究的热点。

目前本体异质结聚合物太阳能电池活性层主要由给体材料和受体材料组成，其中给体材料包括聚噻吩，聚芴类及聚硅芴类等共轭聚合物，而受体材料主要是富勒烯的衍生物。近年来，研究最多的是活性层为P3HT：PCBM聚合物太阳能电池，虽然其太阳能转换效率已经达到5%，但还是无法满足现实应用的要求。研究表明，优化活性层形貌是一种提高太阳能电池的光电转换效率的方法。而由给体材料和受体材料构成的有序的双连续互穿网络结构，不仅有利于激子在界面的电荷的分离，也为电荷向各电极的传输提供了有效的通道，是理想的活性层形貌。提高活性层材料的结晶性可以改善活性层的有序性，提高载流子迁移率。当前，热退火，溶剂退火，以及在活性层中加入添加剂等方法是能够提高活性层结晶性的有效方法，从而提高太阳能电池效率。但是最新研究报道，这些方法都会导致PCBM垂直聚集在PEDOT：PSS附近，而P3HT远离PEDOT:PSS层，聚集在活性层上方，导致电荷的再复合，这与理想的活性层形貌恰恰相反。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用界面结晶性缓冲层诱导有机太阳能电池活性层结晶的方法，诱导活性层自组装形成易于电荷传输的理想形貌，提高器件的能量转化效率。采用不同溶剂制备结晶性缓冲层，以提高结晶性缓冲层聚合物结晶性，并且有效避免旋涂活性层时而溶解损失，提高双层稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种利用界面结晶性缓冲层诱导有机太阳能电池活性层结晶的方法是：当为正向太阳能电池时，在正向太阳能电池的阳极缓冲层与活性层之间，旋涂一层结晶性缓冲层，诱导正向有机太阳能电池活性层中的给体材料结晶，从而形成有序的活性层形貌。结晶性缓冲层所用的物质为能够诱导活性层结晶性的物质，如聚噻吩（P3HT），聚二噻吩苯并二噻吩-二噻吩并苯并噻二唑（PBDT-DTNT），苯并二噻吩-并噻吩（PTB7），聚二噻吩锗-噻吩吡咯烷酮（PDTG-TPD）等，其器件结构如附图1所示。

当为反向太阳能电池时，在反向太阳能电池的阴极缓冲层与活性层之间，旋涂一层结晶性缓冲层，诱导反向有机太阳能电池活性层中的受体材料结晶，从而形成有序的活性层形貌。结晶性缓冲层所用的物质为能够诱导活性层结晶性的物质，如[6, 6]-苯基-C₆₁-丁酸氧杂环丁烷树枝状酯（PCBOD），[6,6]-苯基-C₆₁-丁苯乙烯基树枝状酯（C-PCBSD）等，其器件结构如附图3所示。

本发明所述的一种利用界面结晶性缓冲层诱导有机太阳能电池活性层结晶的方法的另一种技术方案是：当为正向太阳能电池时，直接在正向太阳能电池的阳极与活性层之间，旋涂一层结晶性缓冲层，诱导正向有机太阳能电池活性层中的给体材料结晶，从而形成有序的活性层形貌。结晶性缓冲层所用的物质为能够诱导活性层结晶性的物质，如聚噻吩（P3HT），聚二噻吩苯并二噻吩-二噻吩并苯并噻二唑（PBDT-DTNT），苯并二噻吩-并噻吩（PTB7），聚二噻吩锗-噻吩吡咯烷酮（PDTG-TPD）等，其器件结构如附图2所示。

当为反向太阳能电池时，直接在反向太阳能电池的阴极与活性层之间，旋涂一层结晶性缓冲层，诱导反向有机太阳能电池活性层中的受体材料结晶，从而形成有序的活性层形貌。结晶性缓冲层所用的物质为能够诱导活性层结晶性的物质，如[6, 6]-苯基-C₆₁-丁酸氧杂环丁烷树枝状酯（PCBOD），[6,6]-苯基-C₆₁-丁苯乙烯基树枝状酯（C-PCBSD）等，其器件结构如附图4所示。

 本发明的创新性是利用结晶性聚合物缓冲层诱导活性层结晶形成有序的互穿网络结构，是一种简单有效的调控形貌方法。同时，可提高结晶性缓冲层聚合物结晶性，并且有效地提高双层稳定性。本发明不仅能够克服电荷复合，还能够诱导活性层结晶自组装成有序排列，达到理想的活性层形貌。这是一种简单，有效提高器件效率的方法。

附图说明

图1是本发明的正向器件结构示意图。其中1-1为衬底，1-2为阳极，1-3为阳极缓冲层，1-4为结晶性缓冲层，1-5为活性层，1-6为阴极缓冲层，1-7为阴极。

图2是本发明另一种方案的正向器件结构示意图。其中2-1为衬底，2-2为阳极，2-3为结晶性缓冲层，2-5为活性层，2-6为阴极缓冲层，2-7为阴极。

图3是本发明的反向器件结构示意图。其中3-1为衬底，3-7为阴极，3-6为阴极缓冲层，3-8为结晶性缓冲层，3-5为活性层，3-3为阳极缓冲层，3-2为阳极。

图4是本发明另一种方案的反向器件结构示意图。其中4-1为衬底，4-7为阴极，4-6为结晶性缓冲层，4-5为活性层，4-3为阳极缓冲层，4-2为阳极。

图5是实施例1所述的高结晶性聚噻吩缓冲层诱导的有序排列的活性层P3HT：PCBM形貌图。

图6是实施例1所得的器件的电压-电流曲线。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

本实施例（结构如图1所示）是在正向太阳能电池中引入一层高度结晶的P3HT结晶性缓冲层诱导P3HT/PC61BM活性层结晶，自组装形成有序的形貌。具体步骤如下。

（1）阳极ITO玻璃的清洗：将负载在基质玻璃材料上的ITO玻璃经丙酮超声清洗，洗涤剂清洗，去离子水清洗，去离子水超声，异丙醇超声，彻底清洁后在120℃烘30分钟，然后紫外臭氧处理10分钟。

（2）阳极缓冲层的制备：在经步骤（1）清洗干净的ITO阳极表面旋涂PEDOT/PSS的水溶液以制备出约40nm厚的薄膜，在140℃加热20分钟。

（3）结晶性缓冲层（高度结晶的P3HT缓冲层）的制备：将P3HT溶解在四氢呋喃溶剂中，超声溶解，经在手套箱中60度加热搅拌一夜，旋涂在步骤（2）所制备的PEDOT/PSS空穴传输层上，然后在手套箱中干燥两个小时。

（4）活性层的制备：在P3HT结晶性缓冲层上旋涂P3HT:PC₆₁BM的邻二氯苯溶液，干燥2小时然后在150度进行退火10分钟。

（5）阴极缓冲层和阴极的制备：经上述步骤后，将器件转移至真空镀膜仪中，抽真空至4×10^-4 Pa，蒸镀LiF和Al电极，控制其厚度分别为0.8 nm和100 nm，得到聚合物太阳能电池。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.654 V；短路电流= 12.9mA/cm²；填充因子= 58.1%；能量转化效率= 5.14%。器件活性层的形貌图如图5，其电流-电压曲线如附图6所示。

实施例2。

本实施例（结构如图2所示）是直接利用一层高度结晶的P3HT结晶性缓冲层取代阳极缓冲层阻挡电子并诱导P3HT/PCBM活性层进行自组装，形成有序的形貌。具体步骤除实施例1中步骤（2）外，其它都与实施例1相同。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.624 V；短路电流= 11.5mA/cm²；填充因子= 55.1%；能量转化效率= 3.95%。

实施例3。

本实施例（结构如图1所示）是利用聚二噻吩苯并二噻吩-二噻吩并苯并噻二唑（PBDT-DTNT）作为结晶性缓冲层，诱导聚二噻吩苯并二噻吩-二噻吩并苯并噻二唑（PBDT-DTNT）和PC₇₁BM活性层进行自组装，形成有序的形貌。

该实例具体实施步骤如下。

（1）阳极ITO玻璃的清洗：将负载在基质玻璃材料上的ITO玻璃经丙酮超声清洗，洗涤剂清洗，去离子水清洗，去离子水超声，异丙醇超声，彻底清洁后在120℃烘30分钟，然后紫外臭氧处理10分钟。

（2）阳极缓冲层的制备：在经步骤（1）清洗干净的ITO阳极表面旋涂PEDOT/PSS的水溶液以制备出约40nm厚的薄膜，在140℃加热20分钟。

（3）结晶性缓冲层（高度结晶的PBDT-DTNT缓冲层）的制备：将PBDT-DTNT溶解在二氯甲烷溶剂中，超声溶解，经在手套箱中60度加热搅拌一夜，旋涂在步骤（2）所制备的PEDOT/PSS空穴传输层上，然后在手套箱中干燥两个小时。

（4）活性层的制备：在PBDT-DTNT结晶性缓冲层上旋涂PBDT-DTNT:PC71BM的邻二氯苯溶液，干燥2小时然后在150度进行退火10分钟。

（5）阴极缓冲层和阴极的制备：经上述步骤后，将器件转移至真空镀膜仪中，抽真空至4×10^-4 Pa，蒸镀LiF和Al电极，控制其厚度分别为0.8 nm和100 nm，得到聚合物太阳能电池。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.74 V；短路电流= 17.8mA/cm²；填充因子= 68.1%；能量转化效率= 8.9%。

实施例4。

本实施例（结构如图2所示）是直接利用一层高度结晶的PBDT-DTNT缓冲层取代阳极缓冲层阻挡电子并诱导PBDT-DTNT/PC71BM活性层进行自组装，形成有序的形貌。具体步骤除实施例2中结晶性缓冲层换成PBDT-DTNT，活性层换为PBDT-DTNT/PC₇₁BM，其它都与实施例2相同。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.72 V；短路电流= 17.3mA/cm²；填充因子= 65.1%；能量转化效率= 8.1%。

实施例5。

本实例（结构如图1所示）是利用苯并二噻吩-并噻吩（PTB7）作为结晶性缓冲层，诱导苯并二噻吩-并噻吩（PTB7）和PC₇₁BM共混活性层进行自组装，形成有序的形貌。

该实例具体实施步骤如下。

（1）阳极ITO玻璃的清洗：将负载在基质玻璃材料上的ITO玻璃经丙酮超声清洗，洗涤剂清洗，去离子水清洗，去离子水超声，异丙醇超声，彻底清洁后在120℃烘30分钟，然后紫外臭氧处理10分钟。

（2）阳极缓冲层的制备：在经步骤1清洗干净的ITO阳极表面旋涂PEDOT/PSS的水溶液以制备出约40nm厚的薄膜，在140℃加热20分钟。

（3）结晶性缓冲层（高度结晶的PTB7缓冲层）的制备：将PTB7溶解在邻二氯苯溶剂中，超声溶解，经在手套箱中60度加热搅拌一夜，旋涂在步骤（2）所制备的PEDOT/PSS空穴传输层上，然后在手套箱中干燥两个小时。

（4）活性层的制备：在PTB7结晶性缓冲层上旋涂PTB7:PC71BM的邻二氯苯溶液，干燥2小时然后在150度进行退火10分钟。

（5）阴极缓冲层和阴极的制备：经上述步骤后，将器件转移至真空镀膜仪中，抽真空至4×10^-4 Pa，蒸镀LiF和Al电极，控制其厚度分别为0.8 nm和100 nm，得到聚合物太阳能电池。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.751 V；短路电流= 18.5mA/cm²；填充因子= 73.1%；能量转化效率= 10.15%。

实施例6。

本实施例（结构如图2所示）是直接利用一层高度结晶的PTB7结晶性缓冲层取代阳极缓冲层阻挡电子并诱导PTB7:PC₇₁BM活性层进行自组装，形成有序的形貌。具体步骤除实施例2中结晶性缓冲层换成PTB7，活性层换为PTB7:PC₇₁BM，其它都与实施例2相同。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.75 V；短路电流= 17.6mA/cm²；填充因子= 71.1%；能量转化效率= 9.4%。

实施例7。

本实施例（结构如图3所示）是在反向太阳能电池中引入一层高度结晶的PCBOD结晶性缓冲层诱导P3HT/PC₆₁BM活性层结晶，自组装形成有序的形貌。

具体步骤如下。

（1）阴极ITO玻璃的清洗：将负载在基质玻璃材料上的ITO玻璃经丙酮超声清洗，洗涤剂清洗，去离子水清洗，去离子水超声，异丙醇超声，彻底清洁后在120℃烘30分钟，然后紫外臭氧处理10分钟。

（2）阴极缓冲层的制备：在经步骤1清洗干净的ITO阳极表面旋涂ZnO以制备出约30nm厚的薄膜，在160℃加热20分钟。

（3）结晶性缓冲层（高度结晶的PCBOD缓冲层）的制备：将PCBOD溶解在四氢呋喃溶剂中超声溶解，经在手套箱中60度加热搅拌一夜，旋涂在步骤（2）所制备的ZnO电子传输层上，然后在手套箱中干燥两个小时。

（4）活性层的制备：在PCBOD缓冲层上旋涂P3HT:PC₆₁BM的邻二氯苯溶液，干燥2小时然后在150度进行退火10分钟。

（5）阳极缓冲层的制备：经上述步骤后，在上面旋涂用异丙醇稀释的PEDOT：PSS溶液。

（6）阳极的制备：经上述步骤后，将器件转移至真空镀膜仪中，抽真空至4×10^-4 Pa，蒸镀Ag电极，控制其厚度分别为100 nm，得到聚合物太阳能电池。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.63 V；短路电流= 10.9mA/cm²；填充因子= 65.1%；能量转化效率= 4.47%。

实施例8。

本实施例（结构如图4所示）是直接引入PCBOD结晶性缓冲层代替阴极电子传输层诱导P3HT/PC₆₁BM活性层结晶，自组装形成有序的形貌。具体实施步骤除与实施例7中的（2）不同外，均与实施例7相同。

器件性能为：标准模拟太阳光（AM 1.5G, 100 mW/cm²）照射下，开路电压= 0.61 V；短路电流= 9.3mA/cm²；填充因子= 61.1%；能量转化效率= 3.5%。