CN110467827B - 有机体异质结光伏电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一类吩噻嗪类染料以及使用该吩噻嗪类染料的有机体异质结光伏电池及其制备方法，吩噻嗪类染料的分子结构通式(I)为：
其中的R、Ar1、Ar2、Ar3、Ar4各自独立地选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基以及相互之间没有影响的芳香烃基团中的任意一种。本发明通过在活性层中掺杂吩噻嗪类染料作为第三种材料，从而可利用吩噻嗪类染料吸光能力强的特点来弥补活性层对光捕获能力的不足，拓展了吸收光谱的范围，提高了对光的利用率，有效提升了光电流和器件功率转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及有机体异质结光伏电池及其制备方法，属于有机光电器件技术领域。
背景技术
随着煤炭、石油、天然气等化石能源日渐短缺，为了应对能源危机和环境问题，太阳能这种清洁、可再生、丰富的能源越来越受到人们的关注。光伏电池作为一种将太阳能转换为电能的装置，在近年来得到飞速的发展。其中有机光伏电池(OPV)具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，具有广阔的发展和应用前景，已成为当今新材料和新能源领域最富活力和生机的研究前沿之一。当前，采用有机体异质结活性层的有机光伏电池效率能够达到12％，而采用串联叠层器件结构的有机光伏电池效率能够达到17％。有机材料中较短的激子扩散长度，以及较低的载流子迁移率，决定了光吸收活性层较薄，而较薄的光吸收活性层通常导致较低的光利用率，以致难以达到有效的电荷解离和传输。
在光伏电池中，提高对光能的利用效率，是增加其电能输出的重要方式。为了进一步增强OPV活性层对光的吸收，目前，三元体系活性层成为了研究的热点。与传统二元活性层相比，除了相同的给体材料和受体材料，三元体系中增加了掺杂的第三种材料，弥补了对光吸收不足的缺点。与串联电池相比，虽然二者都可以增加光的吸收，但是三元体系保留了二元体系电池便于制备的特点。
有鉴于此，确有必要提出有机体异质结光伏电池及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供有机体异质结光伏电池及其制备方法，以拓展吸收光谱的范围，提高对光的利用率和提升光电流和器件功率转换效率。
为实现上述目的，本发明提出了一类吩噻嗪类染料，所述吩噻嗪类染料的分子结构通式(I)为：
其中，R、Ar1、Ar2、Ar3、Ar4各自独立地选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基以及相互之间没有影响的芳香烃基团中的任意一种。
可选的，所述芳香烃基团包括苯、萘、蒽和菲。
可选的，所述R选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基。
可选的，所述R为2-乙基己基；所述Ar1、Ar2、Ar3、Ar4为氢原子；所述吩噻嗪类染料的分子结构通式(I)中的吩噻嗪基团与咔唑基团通过邻位苯进行连接，即形成具有结构式(II)的吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)：
为实现上述目的，本发明还提供了一种有机体异质结光伏电池，包括衬底、阴极、阳极和活性层，所述活性层中掺杂了前述吩噻嗪类染料。
可选的，所述阳极由功函数较高的金属、金属氧化物、碳黑或导电聚合物构成；所述阴极是由功函数较低的金属或金属合金构成。
可选的，所述阳极为设有阳极修饰层的复合阳极，和/或所述阴极为设有阴极修饰层的复合阴极。
可选的，所述有机体异质结光伏电池的结构为正置结构，包括由下至上依次设置的衬底、阳极、活性层和阴极；或者，所述有机体异质结光伏电池的结构为倒置结构，包括由下至上依次设置的衬底、阴极、活性层和阳极。
可选的，所述活性层中掺杂的吩噻嗪类染料比例为0.01-5wt％。
为实现上述目的，本发明还提供了一种有机体异质结光伏电池的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤(1)、在衬底上通过真空蒸镀或溅射的方式制备电极；
步骤(2)、在电极上采用真空蒸镀、喷涂、旋涂或打印的方式制备掺杂有吩噻嗪类染料的活性层；
步骤(3)、在活性层上通过真空蒸镀或溅射的方式制备对电极。
本发明的有益效果是：本发明通过在活性层中掺杂吩噻嗪类染料，从而可利用吩噻嗪类染料吸光能力强的特点来弥补活性层对光捕获能力的不足，拓展了吸收光谱的范围，提高了对光的利用率，有效提升了光电流和器件功率转换效率。
附图说明
图1是本发明吩噻嗪类染料的分子结构通式和有机体异质结光伏电池的结构图。
图2是吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)以及常用的有机光伏电池活性层材料的光吸收曲线对比图。
图3是倒置结构器件中在PTB7:PC70BM体系随吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)掺杂浓度变化的电压-电流(I-V)曲线图。
图4是正置结构器件中PTB7-Th:PC70BM体系随吩噻嗪类染料 (oCBPTZ-b8)掺杂浓度变化的电压-电流(I-V)曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明揭示了一类分子结构通式为(I)的吩噻嗪类染料，
其中,R、Ar1、Ar2、Ar3、Ar4各自独立地选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基以及相互之间没有影响的芳香烃基团中的任意一种。
其中，芳香烃基团包括苯、萘、蒽和菲；Ar1、Ar2、Ar3、Ar4为氢原子；所述R选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基。
具体地，R为2-乙基己基；吩噻嗪基团与咔唑基团通过邻位苯进行连接，即形成具有结构式(II)的吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)：
如图1所示，本发明还提出了一种有机体异质结光伏电池，包括衬底、阴极、阳极和活性层，所述活性层中掺杂了前述吩噻嗪类染料，且活性层中掺杂的吩噻嗪类染料的比例为0.01-5wt％。
其中，所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯等透明材料制成，所述阳极由功函数较高的金属、金属氧化物、碳黑或导电聚合物制得；所述阴极是由功函数较低的金属或金属合金构成。当然，所述阳极也可以设置成具有阳极修饰层的复合阳极；所述阴极也可以设置成具有阴极修饰层的复合阴极。也就是说：还可以在阳极与活性层之间设置阳极修饰层，或者也可以在阴极与活性层之间设置阴极修饰层，可根据实际情况而定，此处不作限制。
具体来讲，阳极可采用功函数大于阴极功函数的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物等，例如功函数较高的金属Ag；阳极修饰层可采用 PEDOT:PSS或MoO3等，主要是其电导率高，表面浸润性好，是优秀的阳极修饰材料；阴极修饰层通常使用稳定性较好的金属氧化物如ZnO、TPBi、BCP、 BPhen、LiF、PDINO等；阴极可采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金，例如Al具有良好的成膜性与稳定性，因此可采用Al作为阴极材料。
本发明中，所述有机体异质结光伏电池的结构可以是正置结构，也可以是倒置结构。当有机体异质结光伏电池的结构为正置结构时，包括由下至上依次设置的衬底、阳极、活性层和阴极；当有机体异质结光伏电池的结构为倒置结构时，包括由下至上依次设置的衬底、阴极、活性层和阳极。
本发明还提出了一种有机体异质结光伏电池的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤(1)、在衬底上通过真空蒸镀或溅射的方式制备电极；
步骤(2)、在电极上采用真空蒸镀、喷涂、旋涂或打印的方式制备掺杂有吩噻嗪类染料的活性层；
步骤(3)、在活性层上通过真空蒸镀或溅射的方式制备对电极。
当然，当有机体异质结光伏电池的结构为正置结构时，步骤(1)中的电极为阳极、步骤(3)中的对电极为阴极；当有机体异质结光伏电池的结构为倒置结构时，步骤(1)中的电极为阴极、步骤(3)中的对电极为阳极。
目前，现有光伏电池的活性层由给体材料和受体材料这两种材料组成，而本发明的有机体异质结光伏电池的活性层在原有两种材料的基础上，增加了第三种材料，即本发明提出的吩噻嗪类染料，可利用吩噻嗪类染料吸光能力强的特点来弥补活性层对光捕获能力的不足，拓展了吸收光谱的范围，提高了对光的利用率，有效提升了光电流和器件功率转换效率。
下面将对常用的给体材料和受体材料，以及吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8) 的紫外吸收光谱进行分析。
分别取给体材料PTB7和PTB7-Th，受体材料PC70BM和吩噻嗪类染料 (oCBPTZ-b8)四种材料1mg溶于10ml的氯苯，溶液搅拌6h，使得充分溶解。随后，对四种溶液分别取1ml并用石英比色皿装载。测试紫外吸收仪器使用现有的METASH UV-8000S仪器，测试时为了准确获得四种材料的吸收光谱，可先测定溶剂氯苯的吸收光谱作为参考。
如图2所示，在吸收光谱测试结果图中，给体材料PTB7和PTB7-Th 在600-800nm波长范围有强吸收，受体材料PC70BM在300-400nm波长范围有强吸收，而吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)在400-500nm波长范围有强吸收。
从吸收光谱分析，由于吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)的强吸收波长范围与给受体互补，可以预见这有利于提高活性层对光的吸收能力，从而提升器件性能。
本发明提出的吩噻嗪类染料在一般的有机溶剂如甲苯、邻二氯苯、氯苯等中溶解性较好，热稳定性强，以及有着合适的能级(介于给体受体之间)，可以形成级联能级有利于电荷的传输，可作为一种适合的活性层第三组份材料。这种材料在300-500nm波长范围有较强的吸收，可以拓宽活性层对光的吸收范围，达到尽可能大的光利用率，有效提高光电流进而提升器件效率。
实施例1，有机体异质结光伏电池的倒置结构器件。
本实施例展示了在倒置结构器件中，吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)掺杂在PTB7：PC70BM体系时，随着吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)掺杂浓度为0-5wt％时器件的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率变化。
倒置结构器件的制备过程为：
(1)在清洗干净的ITO玻璃衬底(方块电阻为15Ω)上制备有机光伏电池，将ITO玻璃衬底依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇以及去离子水超声清洗15min，然后在80℃下烘干1h，得到基片；
(2)将基片用紫外照射10min，将ZnO置于干燥空气中在室温下进行旋涂(以3000rpm的转速旋涂60s)，随后将基片置于干燥空气中在200℃下加热1h；
(3)活性层混合溶液为PTB7:PC70BM＝1：1.5，溶剂为氯苯，按比例掺杂吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)，溶解后在手套箱55℃加热搅拌6h，然后使用旋涂仪，用移液枪取100μL活性层溶液滴加到基片上，以1400rpm 的转速旋涂60s，以制备活性层薄膜，随后在手套箱放置2h；
(4)活性层制备好以后，对阳极修饰层和阳极分别用MoO3和Ag进行蒸镀，蒸镀时真空度为6×10-4Pa，MoO3的纯度为99.99％，蒸镀速率为
/s，Ag的纯度为99.999％，蒸镀速率为
/s。
对应的倒置结构器件的结构依次为玻璃衬底、ITO、阴极修饰层 ZnO(30nm)、活性层PTB7：oCBPTZ-b8:PC70BM、阳极修饰层MoO3(30nm) 和阳极Ag(100nm)。
活性层由电子给体材料PTB7、电子受体材料PC70BM和吩噻嗪类染料 (oCBPTZ-b8)混合制备而成，其中吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)的浓度分别为：0wt％(器件I)，3wt％(器件II)，5wt％(器件III)。
制备好的器件的有效面积(阴极和阳极重叠部分)为0.045cm2，真空蒸镀的各层厚度是用石英晶振厚度监测仪来进行检测的。测量时是在太阳光模拟器产生的AM1.5的光照下(100mW/cm2)进行的。电流密度-电压曲线图是在Keithley 2400进行测量的。制备好的器件没有封装，所有测试都在大气环境下完成的。
如下表1和图3所示，其中Voc主要和给受体材料的选择有关，因此基本没有变化；FF变化不大，说明加入这种吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)没有影响本来活性层的形貌，不影响给受体的结晶度和排列方式；而电流密度Jsc和电池转换效率PCE在吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)的浓度为3wt％时具有最大值，数值提升较为明显。提升的原因主要是：在该浓度下拓宽了活性层吸收光谱的范围，提升了光电流的大小，从而提高了电池性能。
本实施例证明了在有机体异质结光伏电池的倒置结构器件的活性层内引入吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)，可以大大提高器件性能。
表1
| 器件编号 | J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) | V<sub>oc</sub>(V) | FF(％) | PCE(％) |
| I | 15.12 | 0.71 | 60 | 6.43 |
| II | 18.16 | 0.72 | 56 | 7.30 |
| III | 16.84 | 0.73 | 56 | 6.83 |
实施例2，有机体异质结光伏电池的正置结构器件。
本实施例展示了在正置结构器件中，吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)掺杂在PTB7-th：PC70BM体系时，随着吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)掺杂浓度为0-5wt％时器件的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率变化。
正置结构器件的制备过程为：
(1)在清洗干净的ITO玻璃衬底(方块电阻为15Ω)上制备有机光伏电池，将ITO玻璃衬底依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇以及去离子水超声清洗15min，然后在80℃下烘干1h，得到基片；
(2)将基片用紫外照射15min，将PEDOT:PSS在室温下进行旋涂(以3000rpm的转速旋涂60s)，随后将基片放在手套箱中在120℃下退火15min；
(3)活性层混合溶液为PTB7-Th:PC70BM＝1：1.5，溶剂为氯苯，按比例掺杂吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)，溶解后在手套箱55℃加热搅拌6h，然后使用旋涂仪，用移液枪取100μL活性层溶液滴加到基片上，以1400rpm 的转速旋涂60s，以制备活性层薄膜，随后在手套箱放置2h；
(4)活性层制备好以后，在活性层薄膜表面旋涂PDINO的甲醇溶液，以3000rpm的转速旋涂30s，Al电极使用真空蒸镀的方法，蒸镀是真空度为6×10-4Pa，Al的纯度为99.999％，蒸镀速率为
/s。
对应的正置结构器件的结构依次为玻璃衬底、ITO、阳极修饰层 PEDOT:PSS(30nm)、活性层PTB7-th：oCBPTZ-b8：PC70BM、阴极修饰层 PDINO(10nm)和阴极Al(100nm)。
其中阳极为功函数较高的金属如Al，阴极修饰层使用PDINO，阳极修饰层为PEDOT:PSS。所述的阴极修饰层厚度为10nm，阳极修饰层厚度为 30-40nm，活性层厚度为150-200nm，阴极厚度为80-120nm。
活性层由电子给体材料PTB7-Th、电子受体材料PC70BM以及吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)混合制备而成，其中吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)的浓度分别为：0wt％(器件Ⅳ)，3wt％(器件Ⅴ)，5wt％(器件Ⅵ)。
如下表2和图4所示，在正置结构器件中添加了吩噻嗪类染料 (oCBPTZ-b8)后，器件Ⅴ和器件Ⅵ的电流密度Jsc也有所提升，提升了器件的整体性能。
通过分析图2的吸收曲线，可以看出吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)在 400-500nm波长范围有很强的吸收，弥补了给受体材料在相应区域吸收的不足。
表2
综上所述，本发明通过在活性层中掺杂吩噻嗪类染料作为第三种材料，从而可利用该吩噻嗪类染料吸光能力强的特点来弥补活性层对光捕获能力的不足，拓展了吸收光谱的范围，提高了对光的利用率，有效提升了光电流和器件功率转换效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种有机体异质结光伏电池，包括衬底、阴极、阳极和活性层，其特征在于：所述活性层中掺杂了吩噻嗪类染料，所述吩噻嗪类染料的分子结构通式(I)为：
其中,R、Ar1、Ar2、Ar3、Ar4各自独立地选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基以及相互之间没有影响的芳香烃基团中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：所述芳香烃基团包括苯、萘、蒽和菲。
3.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：
所述R选自氢原子、
的直链烷基、
的支链烷基、
的酰胺基、
的烷氧基。
4.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：
所述R为2-乙基己基；所述Ar1、Ar2、Ar3、Ar4为氢原子；
所述吩噻嗪类染料的分子结构通式(I)中的吩噻嗪基团与咔唑基团通过邻位苯进行连接，即形成具有分子结构式(II)的吩噻嗪类染料(oCBPTZ-b8)：
5.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：所述阳极由功函数较高的金属、金属氧化物、碳黑或导电聚合物构成；所述阴极是由功函数较低的金属或金属合金构成。
6.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：所述阳极为设有阳极修饰层的复合阳极，和/或所述阴极为设有阴极修饰层的复合阴极。
7.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：
所述有机体异质结光伏电池的结构为正置结构，包括由下至上依次设置的衬底、阳极、活性层和阴极；
或者，所述有机体异质结光伏电池的结构为倒置结构，包括由下至上依次设置的衬底、阴极、活性层和阳极。
8.根据权利要求1所述的有机体异质结光伏电池，其特征在于：所述活性层中掺杂的吩噻嗪类染料比例为0.01-5wt％。
9.一种有机体异质结光伏电池的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-8中任一项所述的有机体异质结光伏电池，主要包括以下步骤：
步骤(1)、在衬底上通过真空蒸镀或溅射的方式制备电极；
步骤(2)、在电极上采用真空蒸镀、喷涂、旋涂或打印的方式制备掺杂有吩噻嗪类染料的活性层；
步骤(3)、在活性层上通过真空蒸镀或溅射的方式制备对电极。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009252768A (ja) * | 2008-04-01 | 2009-10-29 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 有機太陽電池、およびその製造方法 |
| CN102217111A (zh) * | 2008-09-15 | 2011-10-12 | 南加利福尼亚大学 | 含有有机异质结的包含方酸的有机光敏器件及其制造方法 |
| CN105949814A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-09-21 | 南京邮电大学 | 一类吩噻嗪衍生物、制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用 |
| CN110540761A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-12-06 | 南京邮电大学 | 一类咔唑-吩噻嗪有机染料及其在染料敏化太阳能电池中的应用 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI473804B (zh) * | 2008-07-29 | 2015-02-21 | Solvay | 用於光伏打裝置之二萘嵌苯四羧醯亞胺衍生物 |
| US20150303377A1 (en) * | 2011-08-02 | 2015-10-22 | Mark E. Thompson | Compounds capable of undergoing symmetry breaking intramolecular charge transfer in a polarizing medium and organic photovoltaic devices comprising the same |
-
2019
- 2019-08-09 CN CN201910732447.0A patent/CN110467827B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009252768A (ja) * | 2008-04-01 | 2009-10-29 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 有機太陽電池、およびその製造方法 |
| CN102217111A (zh) * | 2008-09-15 | 2011-10-12 | 南加利福尼亚大学 | 含有有机异质结的包含方酸的有机光敏器件及其制造方法 |
| CN105949814A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-09-21 | 南京邮电大学 | 一类吩噻嗪衍生物、制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用 |
| CN110540761A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-12-06 | 南京邮电大学 | 一类咔唑-吩噻嗪有机染料及其在染料敏化太阳能电池中的应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《Effect of acceptor strength on optical, electrochemical and photovoltaic properties of phenothiazine-based small molecule for bulk heterojunction organic solar cells》;Srikanth Revoju等;《Dyes and Pigments》;20171124;第149卷;830–842 * |
| 《Effect of intermolecular interaction with phenothiazine core on inverted organic photovoltaics by using different acceptor moiety》;Yu-Lung Weng等;《Dyes and Pigments》;20170715;第146卷;374-385 * |
Also Published As
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