【CN109817809A】一种三元有机太阳电池及其制备方法【专利】
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3 .根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其.根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层为 PEDOT:PSS，所述空穴传输层的厚度为30～50nm。
5 .根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述电子传输层为 PFN-Br，所述电子传输层的厚度为3～5nm。
6 .根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述阴极为Ag，所述 阴极的厚度为80～120nm。
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CN 109817809 A
权 利 要 求 书
2/2 页
7 .根据权利要求1所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述衬底为透明玻璃。 8 .权利要求1～7任一项所述一种三元有机太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以 下步骤： (1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底并干燥； (2) 将PEDOT:PSS溶液旋涂于ITO层上作为空穴传输层 ，转速为3000～4000rpm ，厚度为 30～50nm；然后在140～160℃热退火处理10～20min； (3)将电子给体层材料溶于有机溶剂中配制得到浓度为8～10mg mL-1的给体溶液并进 行 加热搅拌 ，将给体溶液旋涂于空穴传输层上 ，制备得到厚度为30～100nm的电 子给体层 ， 将电 子给体层在60～160℃条件下退火5～20min ；将两 种不同的电 子受体材料按照1％ ～ 99％：99％～1％的比例溶于有机溶剂中配制得到浓度为10～20mg mL-1的受体混合溶液并 进行 加热搅拌 ，将受体混合溶液旋涂在电 子给体层上 ，制备厚 度为20～100nm的电 子受体 层，然后在60～160℃条件下退火5～20min； (4)将PFN-Br旋涂于电子受体层上作为电子传输层，厚度为3～5nm； (5)在电子传输层上真空蒸镀厚为80～120nm的Ag阴极。 9 .根据权利要求8所述一种三元有机太阳电池的制备方法，其特征在于，在配制给体溶 液时 ，所述给体溶液并进行加热搅拌中 ，所述加热的温度为80～100℃ ，所述搅拌的时间为 10～12h。 10 .根据权利要求8所述一种三元有机太阳电池的制备方法，其特征在于，在配制受体 混合溶液时 ，所述受体混合溶液并进行加热搅拌中 ，所述加热的温度为60～80℃ ，所述搅拌 的时间为10～12h。
(74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245
代理人 向玉芳
(51)Int .Cl . H01L 51/42(2006 .01) H01L 51/48(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109817809 A (43)申请公布日 2019.05.28
( 54 )发明 名称 一种三元有机太阳电池及其制备方法
B选自以下结构中的一种：
其中R1和R2为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、 烯基、炔基、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原子 被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代。
2 .根据权利要求1所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述活性层的厚度为 50nm～200nm，所述活性层中的电子给体层的厚度为30～100nm。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910032062 .3
(22)申请日 2019 .01 .14
(71)申请人 华南协同创新研究院 地址 523808 广东省东莞市松山湖高新技 术产业开发区生产力大厦168室
(72)发明人 叶轩立 张桂传 任敏润
权利要求书2页 说明书11页 附图6页
CN 109817809 A
CN 109817809 A
权 利 要 求 书
1/2 页
1 .一种三元有机太阳电池，其特征在于，该三元有机太阳电池依次包括层叠的衬底、阳 极 、空穴传输层、活性层、电 子传输层以 及阴极 ；所述的活性层依次包括层叠的电 子给体层 和电子受体层，所述的电子受体层由两种不同电子受体材料共混组成；
所述电子给体层材料的结构式如式(1)所示：
其中n为1～10000的自 然数 ，R为1～30个碳原子的 烷基 ，或C1～C30烷基上一个或者多 个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上一 个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上官能团取代；
( 57 )摘要 本发明公开了一 种三元有机太阳电 池及其
制备方法，三元有机太阳电池包括衬底和有机太 阳电 池元件 ，有机太阳电 池元件依次 包括阳极 、 空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极，所述 活性 层为一 种结晶聚 合物电 子给体与两 种非富 勒烯小分子电子受体共混的受体层的组合，活性 层的总厚度为50～200nm。本发明通过顺序沉积 所 制备的 三元有机太阳电 池 相对于基于异 质结 制备的三元有机太阳电池，可简化获得高效三元 有机太阳电 池的 关键问 题即对活性 层形貌的 控 制，同时又较大程度地保持给、受体层各自的结 晶度来提高电荷的传输速率。
所述电子受体材料的结构为A-B-A结构，A选自以下结构中的一种：
其中R1、R2和R3为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原 子、烯基、炔基、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原 子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代；
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CN 109817809 A
说 明 书
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一种三元有机太阳电池及其制备方法
技术领域 [0001] 本发明涉及有机光电器件技术领域，特别涉及一种三元有机太阳电池及其制备方 法。
背景技术 [0002] 当今世界随着经济的快速发展 ,能源问题越来越引起人们的重视。矿物燃料枯竭 引起的能源危机 ，燃烧矿物燃料 引起的室温效应使得地球环境面临着重大挑战 ，占 地球总 能量90％以上的太阳能逐渐进入人们视野 ，太阳能具有的分布广阔 ，获取方便 ，储量丰富的 特点受到了众多科学学家的青睐 ,使得太阳能在解决严重的环境问题和世界今天面临的太 阳能 挑战 方面发挥着关键作 用，并促成了光伏技术的 快速发展。有机太阳能电 池高分子本 体异质结光伏器件是一种近代才出现的新型半导体器件，它集中了多种优异特质于一身， 诸如可以通过简易的溶液加工法制备成柔性、轻便、而且更加低廉的光电器件。 [0003] 近年来基于本体异质结的光伏电池，得到了迅速的发展，如基于非富勒烯受体的 非富勒烯有机太阳能电 池。为了进一步提升有机太阳电 池的效率 ，可以 采 用叠层的 方法 和 三元共混的 方法来 制备有机太阳电 池器件 ，但相对于叠层工艺来说 ，三元共混是一种较为 简便和有效的提升效率的策略。通过在原有的二元有机太阳电池中加入吸收互补的第三组 分 ，可以 是电 子给体材料也可以 是电 子受体材料。从而使三元有机太阳电 池的 光电 响应光 谱拓宽，提高对太阳光谱的利用率，或者可以增强原来吸收较弱的光谱强度，从而提高短路 电流，进而进一步提高有机太阳电池的效率。 [0004] 例如，中国科学院化学研究所的李永舫等人在基于电子给体J51和电子受体 ITIC 的二元有机太阳电池中，引入了第二个电子给体聚合物PTB7-Th，增强了650 nm～750nm范 围内的吸收，短路电流密度从16 .47mA/cm2增加到17 .75mA/cm2，PCE从9 .26％提升到9 .70％ (Adv .Energy Mater .2017 ,7 ,1602215)。又如，中国科学院化学研究所的侯剑辉等人在基于 电子给体PBDB-T和非富勒烯电子受体IT-M 的二元有机太阳电池中，加入了宽带隙的富勒 烯电子受体Bis[70]PCBM增强了原二元有机太阳电池在380nm～550nm处较弱的短波段的吸 收 ，从而增强了外量子效率 (EQE) ，短路电 流密度从二元电 池的16 .70mA/cm2提升到了 17 .30mA/cm2，PCE从10 .80％提升到了12 .10％(Adv .Mater .2017 ,29 ,1604059)。上述例子 证明了三元共混是提升有机太阳电 池效率的 一个简便可行的 方法。但是 ，基于本体异 质结 的 三元有机太阳电 池对加入的 第三组分很敏感 ，形貌控制很难 ，所以 设想通过 加入光谱互 补的 第三组分或者 增强迁移率的 第三组分来提高 有机太阳电 池的效率往往并不能得到满 意的 结果 ，为了满足 制备简便高效的 有机太阳电 池 ，就需要开发一 种简化三元电 池形貌控 制的方法和策略。
5 .根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述电子传输层为 PFN-Br，所述电子传输层的厚度为3～5nm。
6 .根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述阴极为Ag，所述 阴极的厚度为80～120nm。
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CN 109817809 A
权 利 要 求 书
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7 .根据权利要求1所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述衬底为透明玻璃。 8 .权利要求1～7任一项所述一种三元有机太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以 下步骤： (1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底并干燥； (2) 将PEDOT:PSS溶液旋涂于ITO层上作为空穴传输层 ，转速为3000～4000rpm ，厚度为 30～50nm；然后在140～160℃热退火处理10～20min； (3)将电子给体层材料溶于有机溶剂中配制得到浓度为8～10mg mL-1的给体溶液并进 行 加热搅拌 ，将给体溶液旋涂于空穴传输层上 ，制备得到厚度为30～100nm的电 子给体层 ， 将电 子给体层在60～160℃条件下退火5～20min ；将两 种不同的电 子受体材料按照1％ ～ 99％：99％～1％的比例溶于有机溶剂中配制得到浓度为10～20mg mL-1的受体混合溶液并 进行 加热搅拌 ，将受体混合溶液旋涂在电 子给体层上 ，制备厚 度为20～100nm的电 子受体 层，然后在60～160℃条件下退火5～20min； (4)将PFN-Br旋涂于电子受体层上作为电子传输层，厚度为3～5nm； (5)在电子传输层上真空蒸镀厚为80～120nm的Ag阴极。 9 .根据权利要求8所述一种三元有机太阳电池的制备方法，其特征在于，在配制给体溶 液时 ，所述给体溶液并进行加热搅拌中 ，所述加热的温度为80～100℃ ，所述搅拌的时间为 10～12h。 10 .根据权利要求8所述一种三元有机太阳电池的制备方法，其特征在于，在配制受体 混合溶液时 ，所述受体混合溶液并进行加热搅拌中 ，所述加热的温度为60～80℃ ，所述搅拌 的时间为10～12h。
(74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245
代理人 向玉芳
(51)Int .Cl . H01L 51/42(2006 .01) H01L 51/48(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109817809 A (43)申请公布日 2019.05.28
( 54 )发明 名称 一种三元有机太阳电池及其制备方法
B选自以下结构中的一种：
其中R1和R2为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、 烯基、炔基、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原子 被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代。
2 .根据权利要求1所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述活性层的厚度为 50nm～200nm，所述活性层中的电子给体层的厚度为30～100nm。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910032062 .3
(22)申请日 2019 .01 .14
(71)申请人 华南协同创新研究院 地址 523808 广东省东莞市松山湖高新技 术产业开发区生产力大厦168室
(72)发明人 叶轩立 张桂传 任敏润
权利要求书2页 说明书11页 附图6页
CN 109817809 A
CN 109817809 A
权 利 要 求 书
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1 .一种三元有机太阳电池，其特征在于，该三元有机太阳电池依次包括层叠的衬底、阳 极 、空穴传输层、活性层、电 子传输层以 及阴极 ；所述的活性层依次包括层叠的电 子给体层 和电子受体层，所述的电子受体层由两种不同电子受体材料共混组成；
所述电子给体层材料的结构式如式(1)所示：
其中n为1～10000的自 然数 ，R为1～30个碳原子的 烷基 ，或C1～C30烷基上一个或者多 个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上一 个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上官能团取代；
( 57 )摘要 本发明公开了一 种三元有机太阳电 池及其
制备方法，三元有机太阳电池包括衬底和有机太 阳电 池元件 ，有机太阳电 池元件依次 包括阳极 、 空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极，所述 活性 层为一 种结晶聚 合物电 子给体与两 种非富 勒烯小分子电子受体共混的受体层的组合，活性 层的总厚度为50～200nm。本发明通过顺序沉积 所 制备的 三元有机太阳电 池 相对于基于异 质结 制备的三元有机太阳电池，可简化获得高效三元 有机太阳电 池的 关键问 题即对活性 层形貌的 控 制，同时又较大程度地保持给、受体层各自的结 晶度来提高电荷的传输速率。
所述电子受体材料的结构为A-B-A结构，A选自以下结构中的一种：
其中R1、R2和R3为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原 子、烯基、炔基、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原 子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代；
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CN 109817809 A
说 明 书
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一种三元有机太阳电池及其制备方法
技术领域 [0001] 本发明涉及有机光电器件技术领域，特别涉及一种三元有机太阳电池及其制备方 法。
背景技术 [0002] 当今世界随着经济的快速发展 ,能源问题越来越引起人们的重视。矿物燃料枯竭 引起的能源危机 ，燃烧矿物燃料 引起的室温效应使得地球环境面临着重大挑战 ，占 地球总 能量90％以上的太阳能逐渐进入人们视野 ，太阳能具有的分布广阔 ，获取方便 ，储量丰富的 特点受到了众多科学学家的青睐 ,使得太阳能在解决严重的环境问题和世界今天面临的太 阳能 挑战 方面发挥着关键作 用，并促成了光伏技术的 快速发展。有机太阳能电 池高分子本 体异质结光伏器件是一种近代才出现的新型半导体器件，它集中了多种优异特质于一身， 诸如可以通过简易的溶液加工法制备成柔性、轻便、而且更加低廉的光电器件。 [0003] 近年来基于本体异质结的光伏电池，得到了迅速的发展，如基于非富勒烯受体的 非富勒烯有机太阳能电 池。为了进一步提升有机太阳电 池的效率 ，可以 采 用叠层的 方法 和 三元共混的 方法来 制备有机太阳电 池器件 ，但相对于叠层工艺来说 ，三元共混是一种较为 简便和有效的提升效率的策略。通过在原有的二元有机太阳电池中加入吸收互补的第三组 分 ，可以 是电 子给体材料也可以 是电 子受体材料。从而使三元有机太阳电 池的 光电 响应光 谱拓宽，提高对太阳光谱的利用率，或者可以增强原来吸收较弱的光谱强度，从而提高短路 电流，进而进一步提高有机太阳电池的效率。 [0004] 例如，中国科学院化学研究所的李永舫等人在基于电子给体J51和电子受体 ITIC 的二元有机太阳电池中，引入了第二个电子给体聚合物PTB7-Th，增强了650 nm～750nm范 围内的吸收，短路电流密度从16 .47mA/cm2增加到17 .75mA/cm2，PCE从9 .26％提升到9 .70％ (Adv .Energy Mater .2017 ,7 ,1602215)。又如，中国科学院化学研究所的侯剑辉等人在基于 电子给体PBDB-T和非富勒烯电子受体IT-M 的二元有机太阳电池中，加入了宽带隙的富勒 烯电子受体Bis[70]PCBM增强了原二元有机太阳电池在380nm～550nm处较弱的短波段的吸 收 ，从而增强了外量子效率 (EQE) ，短路电 流密度从二元电 池的16 .70mA/cm2提升到了 17 .30mA/cm2，PCE从10 .80％提升到了12 .10％(Adv .Mater .2017 ,29 ,1604059)。上述例子 证明了三元共混是提升有机太阳电 池效率的 一个简便可行的 方法。但是 ，基于本体异 质结 的 三元有机太阳电 池对加入的 第三组分很敏感 ，形貌控制很难 ，所以 设想通过 加入光谱互 补的 第三组分或者 增强迁移率的 第三组分来提高 有机太阳电 池的效率往往并不能得到满 意的 结果 ，为了满足 制备简便高效的 有机太阳电 池 ，就需要开发一 种简化三元电 池形貌控 制的方法和策略。