一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池，该电池从下往上依次包括衬底、阳极、阳极界面修饰层、活性层、阴极界面修饰层及金属电极。其中活性层包括电子给体材料ZnPor‑2DPP和电子受体材料IDIC及PC

An efficient ternary organic solar cell based on porphyrin and its preparation method

The invention discloses an efficient ternary organic solar cell based on porphyrin material, which comprises substrate, anode, anode interface modification layer, active layer, cathode interface modification layer and metal electrode from bottom to top. The active layer includes znpor \u2011 2dpp as electron donor material and idic and PC as electron acceptor material

【技术实现步骤摘要】
一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池及其制备方法
本专利技术属于有机光电材料领域，具体涉及一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池及其制备方法。
技术介绍
随着当今世界的快速发展，能源消耗以及环境问题引起越来越多的人的重视。在有限的资源和严峻的温室效应等问题的影响下，人们开始思考该如何利用可再生能源在不破坏环境的情况下继续友好的生存下去。作为占地球总能量的90％以上的太阳能，不仅分布广，储量多，而且清洁可再生，是取代石油燃料很好的替代品。因此，通过利用光伏电池对太阳能进行开发利用已经成为当今世界广泛关注的热点。光伏电池通常分为无机太阳电池和有机太阳电池，和无机太阳电池相比，由于有机太阳电池具有可以通过简单的加工方法来制造，质量轻，成本低等一些优势，被认为是有前途的下一代绿色能源技术。本体异质结的有机太阳电池目前高效体系是由聚合物给体和非富勒烯小分子受体组成，但是由于聚合物材料本身的一些缺陷，例如批次差异，合成复杂等等，严重阻碍了太阳能电池的实际应用。与此相比，小分子材料的一些优点，例如分子结构确定，容易纯化，无批次差异等等就体现了出来。有机太阳电池器件是由ITO，阳极界面传输层，活性层，阴极界面传输层，金属电极五个部分组成。第一步，活性层中的给受体吸收一定能量的太阳光后，基态的电子从HOMO轨道激发跃迁到LUMO轨道形成激发态。接着，激子经过扩散在给受体的界面处解离，一般来说激子的扩散长度在10纳米左右，也就是只有在距离给受体界面小于10纳米的激子才能扩散到界面处发生分离。第三步，分离后的空穴和电子将分别传输到阳极和阴极界面从而被ITO以及金属电极收集从而形成了电流。作为叶绿素的类似物，卟啉具有较强的吸收，高的消光系数，多个化学修饰位点，较好的热稳定性，容易加工等优点，作为活性层的给体小分子被广泛应用在有机太阳电池中。但是在与小分子受体PC61BM搭配时光电转换效率受到了限制，原因在于受体PC61BM吸收主要在紫外区且吸光系数较低，导致器件能产生的激子数量有限；而与非富勒烯受体IDIC搭配时，由于给受体分子的平面性都很大，导致分子聚集太强，给受体相区过大使得部分激子无法解离，从而效率较低。为了克服卟啉全小分子体系的这些困难，就需要寻找一种方法既能很好调节活性层形貌又能提高活性层整体的吸收从而提高器件的光电转换效率。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池及其制备方法。本专利技术提供的一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池的制备方法，其既能提高太阳电池中的活性层的吸收，也能改善其活性层的形貌问题，从而得到高光电转换效率的有机太阳电池。本专利技术使用卟啉小分子作为活性层给体材料来制备有机太阳电池。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。本专利技术提供的一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池，该电池结构包括：衬底、阳极、阳极界面修饰层、活性层、阴极界面修饰层及金属电极；所述活性层包括电子给体材料和电子受体材料混合得到的共混膜。优选地，所述的衬底为玻璃，所述的阳极为ITO(氧化铟锡)，所述阳极的厚度为100-200nm；所述的阳极界面修饰层为PEDOT：PSS，所述阳极界面修饰层的厚度为30-50nm；所述活性层包括电子给体材料和电子受体材料(IDIC和PC61BM)混合得到的共混膜，所述活性层的厚度为80-150nm；所述的阴极界面修饰层为PFNBr，所述阴极界面修饰层的厚度为3-5nm；所述的金属电极为Ag，所述的金属电极的厚度为100nm。本专利技术提供的一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池，从下往上依次包括：衬底、阳极、阳极界面修饰层、活性层、阴极界面修饰层及金属电极；所述活性层包括电子给体材料和电子受体材料混合得到的共混膜。本专利技术提供的一种制备所述高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池的方法，包括如下步骤：(1)清洗涂覆有ITO(氧化铟锡)层的玻璃衬底；(2)将PEDOT:PSS溶液(优选BayerBaytron4083)旋涂在步骤(1)所述ITO层上，然后进行热退火处理，得到阳极界面修饰层；(3)将电子给体材料、电子受体材料及高沸点添加剂加入有机溶剂中，混合均匀，得到混合溶液；然后将所述混合溶液均匀旋涂在步骤(2)所述阳极界面修饰层上，得到活性层；(4)将阴极界面溶液均匀甩在步骤(3)所述活性层上，得到阴极界面修饰层；(5)在步骤(4)所述阴极界面修饰层上蒸镀金属电极，得到所述高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池。进一步地，步骤(1)所述ITO(氧化铟锡)层为阳极，所述ITO层的厚度为100-200nm。优选地，步骤(1)所述清洗包括：依次用丙酮、洗涤剂、超纯水及无水乙醇将所述涂覆有ITO层的玻璃衬底清洗干净，烘干，然后用紫外臭氧处理2min。进一步地，步骤(2)所述旋涂的转速为2500-3500rpm，旋涂的时间为20s-60s；所述热退火处理的温度为120℃-180℃，热退火处理的时间为15-30min；所述阳极界面修饰层的厚度为30-50nm。进一步地，步骤(3)所述电子给体材料为卟啉小分子给体材料，所述卟啉小分子给体材料的简称为ZnPor-2DPP；所述卟啉小分子给体材料的结构式为其中，A为以下结构单元中的一种：其中，R为含碳数为0至20的带有极性基团的烷基或烷氧基链。进一步地，步骤(3)所述电子受体材料为非富勒烯小分子受体(IDIC)及富勒烯小分子受体(PC61BM)中的一种以上；所述非富勒烯小分子受体，简称为IDIC，其结构式为所述富勒烯小分子受体，简称为PC61BM，其结构式为在步骤(3)所述混合溶液中，所述电子给体材料的浓度为5-10mg/ml；在步骤(3)所述混合溶液中，所述电子受体材料的浓度为6-12mg/ml。进一步地，步骤(3)所述高沸点添加剂为1,8-二典辛烷、1,8-二典硫醇及氯萘中的一种以上；所述高沸点添加剂的体积为所述混合溶液体积的0.5％-2％；所述有机溶剂为氯苯、邻二氯苯、邻二甲苯和氯仿中的一种。优选地，步骤(3)所述高沸点添加剂的体积为所述混合溶液体积的0.5vol.％。优选地，步骤(3)所述电子给体材料与电子受体材料的质量比为1:1.2。进一步地，步骤(3)所述活性层的厚度为80-150nm。优选地，步骤(3)所述活性层的厚度为100nm。进一步地，步骤(4)所述阴极界面修饰层为PFNBr、PDINO及PNDIF3NBr中的一种，所述阴极界面修饰层的厚度为3-5nm；所述阴极界面溶液的浓度为0.2mg/ml-2mg/ml。优选地，步骤(4)所述阴极界面修饰层为PFNBr，所述阴极界面溶液为PFNBr溶液(优选购买于Solarmer公司的PFNBr溶液)。所述阴极界面溶液为是通过将固体材料PFNBr溶于甲醇溶液中得到的混合溶液。进一步地，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池，其特征在于，从下往上依次包括：衬底、阳极、阳极界面修饰层、活性层、阴极界面修饰层及金属电极；所述活性层包括电子给体材料和电子受体材料混合得到的共混膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池，其特征在于，从下往上依次包括：衬底、阳极、阳极界面修饰层、活性层、阴极界面修饰层及金属电极；所述活性层包括电子给体材料和电子受体材料混合得到的共混膜。


2.一种制备权利要求1所述高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底；
(2)将PEDOT:PSS溶液旋涂在步骤(1)所述ITO层上，然后进行热退火处理，得到阳极界面修饰层；
(3)将电子给体材料、电子受体材料及高沸点添加剂加入有机溶剂中，混合均匀，得到混合溶液；然后将所述混合溶液均匀旋涂在步骤(2)所述阳极界面修饰层上，得到活性层；
(4)将阴极界面溶液均匀甩在步骤(3)所述活性层上，得到阴极界面修饰层；
(5)在步骤(4)所述阴极界面修饰层上蒸镀金属电极，得到所述高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池。


3.根据权利要求2所述的制备高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池的方法，其特征在于，步骤(1)所述ITO层为阳极，所述ITO层的厚度为100-200nm。


4.根据权利要求2所述的制备高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池的方法，其特征在于，步骤(2)所述旋涂的转速为2500-3500rpm，旋涂的时间为20s-60s；所述热退火处理的温度为120℃-180℃，热退火处理的时间为15-30min；所述阳极界面修饰层的厚度为30-50nm。


5.根据权利要求2所述的制备高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池的方法，其特征在于，步骤(3)所述电子给体材料为卟啉小分子给体材料；所述卟啉小分子给体材料的结构式为



其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭小彬，黄思雨，祝蓓，潘小杰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44