一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构及其制备方法，由下自上依次包括透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，所述三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和小分子非富勒烯受体。在三元有机活性层中添加结晶性不同的小分子非富勒烯受体，研究了结晶性不同的小分子非富勒烯受体分别作为第三元时对器件性能的影响；进一步表征了当小分子非富勒烯受体作为第三元掺杂时，结晶性的差异对于形貌优化的影响，为后期非富勒烯受体的设计提供了一些指导作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构及其制备方法
本专利技术涉及一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构及其制备方法，属于有机太阳能电池器件制备

技术介绍
有机太阳能电池具有制备工艺简单、材料来源广泛、可大面积生产、绿色无污染、质量轻、成本低等一系列的优点。经过多年的努力，单结体异质结有机太阳能电池的光电转换效率已经超过14％。然而，由于有机材料的带隙比较大的缘故，它们相对较窄的吸收窗口限制了二元活性层的光子捕获，进而阻碍了有机太阳能电池光电转换效率的进一步提高。叠层结构的有机太阳能电池通过堆叠两个或者多个子电池能够有效地增强活性层对太阳光的吸收，获得较高的光电转换效率。然而其复杂的制备工艺，对中间电极的苛刻要求和较低的成品率使叠层有机太阳能电池的应用与发展面临着巨大的挑战。三元有机太阳能电池作为叠层器件的替代者通过在传统的二元体系中引入第三组分，能够有效地提升活性层对太阳光的吸收，从而提高电池的光电转换效率。除了增强光捕获能力之外，第三元这一组分在优化薄膜的纳米形貌，促进激子离解和改善电荷传输等方面也起着积极的作用。将包括给体、受体或者染料分子的第三元组分引入到二元活性层中，主要的光伏参数例如开路电压、短路电流和填充因子可能会被优化到最佳值，从而提高三元有机太阳能电池的光电转换效率。迄今为止，两个给体和一个受体(D1:D2:A)或者一个给体和两个受体(D:A1:A2)是三元有机太阳能电池活性层的两种基本结构。最近，在这两类三元有机太阳能电池中，小分子非富勒烯电子受体材料的迅速发展引起了大量科研工作者的关注。一般来说，小分子材料可能具有更好的结晶特性，这对电荷传输是有利的。另外，这些非富勒烯受体结晶度的差异可能会影响三元器件的性能。Lain等人报道了两种商业化的并且比较稳定的非富勒烯受体-EH-IDTBR和O-IDTBR；它们的吸收光谱可以补充大多数聚合物给体和富勒烯衍生物的吸收范围。由于EH-IDTBR和O-IDTBR具有类似的化学结构，因此它们具有几乎相似的能级。然而，由于不同的侧链，热退火后它们的结晶性会出现很大的差异。
技术实现思路
针对当前器件制备技术的发展状况，本专利技术的目的是提供一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，在提高器件光电转换效率的基础上，进一步研究作为第三元的非富勒烯受体结晶性的差异对于三元有机太阳能电池形貌优化和器件性能的影响。单独的EH-IDTBR或O-IDTBR被用作二元或三元有机太阳能电池的主受体，取得了较高的光电转换效率，当这两种非富勒烯受体分别作为第三元时，可以帮助我们理解结晶性的差异对于三元有机太阳能电池的形貌优化和器件性能的影响。通过对三元有机太阳能电池中这一潜在的物理机制的研究，可以为后期非富勒烯受体的设计提供一些指导作用。本专利技术还提供了上述三元有机太阳能电池结构的制备方法；术语解释：1、结晶性，是指聚合物或小分子材料中结晶区域所占的比例，也代表分子链的一种有序排列。2、非富勒烯受体，是指有机太阳能电池的体异质结活性层中除富勒烯及其衍生物之外的非富勒烯类的有机小分子受体。3、P3HT，是一种3-己基噻吩的聚合物，分子式是poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，主要用于有机薄膜晶体管和有机太阳能电池。4、PC71BM，是一种富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethylester，主要作为有机太阳能电池的受体材料。5、EH-IDTBR，是一种小分子非富勒烯受体，分子式是(5Z,5'Z)-5,5'-((7,7'-(4,4,9,9-tetraoctyl-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6b']dithiophene-2,7diyl)bis(benzo[c][1,2,5]hiadiazole7,4diyl))bis(methanyylidene))bis(3-ethyl-2-thioxothiazolidin-4-one)，主要作为有机太阳能电池的受体材料。6、O-IDTBR，是一种小分子非富勒烯受体，分子式是(Z)-5-{[5-(15-{5-[(Z)-(3-Ethyl-4-oxo-2-thioxo-1,3-thiazolidin-5-ylidene)methyl]-8-thia-7.9-diazabicyclo[4.3.0]nona-1(9),2,4,6-tetraen-2-yl-9,9,18,18tetrakis(2-ethylhexyl)-5.14-dithiapentacyclo10.6.0.03,10.04,8.013,17]octaeca-1(12),2,4(8),6,10,13(17),15-heptaen-6-yl)-8-thia-7.9-diazabicyclo[4.3.0]nona-1(9),2,4,6-tetraen-2-yl]methylidene}-3-ethyl-2-thioxo-1,3-thiazolidin-4-one，主要作为有机太阳能电池的受体材料。本专利技术的技术方案为：一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，由下自上依次包括透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，所述三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和小分子非富勒烯受体。在三元有机活性层中添加结晶性不同的小分子非富勒烯受体，研究了结晶性不同的小分子非富勒烯受体分别作为第三元时对器件性能的影响；进一步表征了当小分子非富勒烯受体作为第三元掺杂时，结晶性的差异对于形貌优化的影响。这为后期非富勒烯受体的设计提供了一些指导作用。根据本专利技术优选的，所述小分子非富勒烯受体为EH-IDTBR或O-IDTBR。根据本专利技术优选的，所述透明导电衬底的厚度为1.1mm；所述电子传输层的厚度为20-30nm；所述三元有机活性层的厚度为100-120nm；所述空穴传输层的厚度为8.5-10nm；所述金属电极的厚度为90-100nm。三元有机太阳能电池结构各层厚度取值范围的值有利于获得较高的光电转换效率。进一步优选的，所述三元有机活性层的厚度为110nm；所述金属电极的厚度为100nm。根据本专利技术优选的，所述高分子聚合物为P3HT；所述富勒烯衍生物为PC71BM。根据本专利技术优选的，所述小分子非富勒烯受体与所述三元有机活性层的质量比为5-25wt％。进一步优选的，所述小分子非富勒烯受体与所述三元有机活性层的质量比为15wt％。选取该质量比，可以清晰地展现出随着质量比的逐渐增加，体异质结的表面形貌、聚合物的结晶性和器件光电转化效率的变化情况。根据本专利技术优选的，所述高分子聚合物、富勒烯衍生物和小分子非富勒烯受体的质量比为1:0.85:0.15。选取该质量比，可以得到最优的体异质结形貌，并且增强了高分子聚合物在水平方向上的相干长度进而增强所述方向上聚合物的结晶性，促进电荷在垂直方向上的传输，从而获得最优的光电转换效率。根据本专利技术优选的，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃；所述电子传输层为氧化锌(ZnO)；所述空穴传输层为三氧化钼(MoO3)；所述金属电极为Ag电极。上述三元有机太阳能电池结构的制备方法，包括：(1)在所述透明导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，由下自上依次包括透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，所述三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和小分子非富勒烯受体。

【技术特征摘要】
1.一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，由下自上依次包括透明导电衬底、电子传输层、三元有机活性层、空穴传输层、金属电极，所述三元有机活性层包括高分子聚合物、富勒烯衍生物和小分子非富勒烯受体。2.根据权利要求1所述的一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，所述小分子非富勒烯受体为EH-IDTBR或O-IDTBR。3.根据权利要求1所述的一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，所述透明导电衬底的厚度为1.1mm；所述电子传输层的厚度为20-30nm；所述三元有机活性层的厚度为100-120nm；所述空穴传输层的厚度为8.5-10nm；所述金属电极的厚度为90-100nm；进一步优选的，所述三元有机活性层的厚度为110nm；所述金属电极的厚度为100nm。4.根据权利要求1或2所述的一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，所述高分子聚合物为P3HT；所述富勒烯衍生物为PC71BM。5.根据权利要求1所述的一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，所述小分子非富勒烯受体与所述三元有机活性层的质量比为5-25wt％；进一步优选的，所述小分子非富勒烯受体与所述三元有机活性层的质量比为15wt％。6.根据权利要求1所述的一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，所述高分子聚合物、富勒烯衍生物和小分子非富勒烯受体的质量比为1:0.85:0.15。7.根据权利要求1所述的一种基于小分子非富勒烯受体的三元有机太阳能电池结构，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝晓涛，张康宁，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37