一种高效四元有机光伏电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高效四元有机光伏电池及其制备方法，属于太阳电池技术领域，包括依次层叠的如下结构：衬底、阳极层、阳极修饰层、基于给体/多元受体体系的活性层、阴极修饰层和阴极层；该活性层为一种电子给体PM6与三种非富勒烯受体L8

【技术实现步骤摘要】
一种高效四元有机光伏电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及太阳电池
，具体涉及一种高效四元有机光伏电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]有机光伏材料能够通过光伏作用将太阳能或其他光能直接转换为电能，以有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳电池，具有材料结构多样性、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点，近年来发展迅速。得益于高效光伏材料的开发和智能器件工程设计，特别是Y系列非富勒烯受体的开发与利用和多组分策略的研究，使得单结有机光伏的功率转换效率已经达到19％，其最佳填充因子超过80％(Yuan,J.et al.Single
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Junction Organic Solar Cell with over 15％ Efficiency Using Fused
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Ring Acceptor with Electron
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Deficient Core.Joule 2019,3(4),1140
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1151.)。多组分策略已被证明是实现高效率的简单有效的方法(Zhang,M.et al.Single
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layered organic photovoltaics with double cascading charge transport pathways:18％efficiencies.Nature Communications 2021,12(1),309.)。除了高效率外，还应考虑采用环保溶剂处理和大面积模块制造来满足商业化生产。然而，非卤化溶剂，如甲苯，通常具有较长的成膜干燥时间，导致严重的施主/受主相分离，从而导致器件性能较差。垂直相分布(阳极的施主富集和阴极的受主富集)是解决上述问题的可行方法，这可能会导致更有效的激子解离、电荷传输和收集。
[0003]目前，有研究报道，对于小面积器件和大面积器件，可以通过逐层(LbL)沉积实现优选的垂直分布(Wei,Y.et al.Binary Organic Solar Cells Breaking 19％via Manipulating the Vertical Component Distribution.Advanced Materials 2022,34(33),2204718.)，然而，LbL沉积的复杂性限制了溶剂的选择性，并增加了加工成本。垂直相分布不仅与制备工艺有关，还取决于组分的固有性质。例如，当与供体材料混合时，具有特殊球形结构的各向同性富勒烯受体倾向于在底部富集，从而自发形成垂直相分布(Yan,Y.et al.Conjugated
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Polymer Blends for Organic Photovoltaics:Rational Control of Vertical Stratification for High Performance.Advanced Materials 2017,29(20),1601674.)。因此，基于富勒烯的有机光伏OPV在倒置结构(电极/电子传输层/活性层/空穴传输层/电极)中显示出更好的光伏性能，非富勒烯受体很难在共混膜中形成垂直相分布(Ye,L.et al.Quantitative relations between interaction parameter,miscibility and function in organic solar cells.Nature Materials 2018,17(3),253
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260.)。因此，有必要制定有效的策略，通过简单的本体异质结(BHJ)工艺控制基于非富勒烯的多组分系统中的垂直相分布，以实现有机光伏OPV商业化的要求。
[0004]然而，在多组分共混物中，组分垂直相分布的调节是具有挑战性的，因此制定策略以在使用环保溶剂和大面积模块处理的器件中实现垂直相分布是有意义的。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术利用多元受体体系的自发垂直相分布，提供了一种包含基于给体/多元受体体系活性层的高效四元有机光伏电池，该高效四元有机光伏电池能在卤化溶剂及大面积模组中应用。
[0006]具体采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供了一种高效四元有机光伏电池，包括依次层叠的如下结构：衬底、阳极层、阳极修饰层、基于给体/多元受体体系的活性层、阴极修饰层和阴极层；所述的活性层为一种电子给体与三种非富勒烯受体的共混膜。
[0008]所述的电子给体为宽带隙聚合物给体PM6；
[0009]所述的非富勒烯受体为L8
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BO、BTP
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S8和BTP
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S2；
[0010]电子给体和非富勒烯受体的结构式分别为：
[0011][0012][0013]其中，R1为2
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乙基己基，R2为2
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丁基辛基。
[0014]本专利技术以宽带隙聚合物给体PM6，三种非富勒烯受体L8
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BO(第二组分)、BTP
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S8(第三组分)和BTP
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S2(第四组分)制备活性层；利用PM6、L8
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BO、BTP
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S8和BTP
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S2四者吸收的互补，以及L8
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BO对活性层形貌的优化，使活性层具有理想的垂直相分布，从而获得更精细的形态。
[0015]优选的，所述的活性层的厚度为50～300nm。
[0016]优选的，电子给体和非富勒烯受体的质量比为1:1～1.5。
[0017]进一步优选的，电子给体和非富勒烯受体的质量比为1:1.0～1.2，非富勒烯受体分子比给体材料的光吸收更红移，可以产生更多的光电流；非富勒烯受体中，L8
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BO:BTP
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S8:BTP
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S2的质量比为0.2～0.6:0.2～0.6:0.2，由于体系中支链取代的L8
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BO具有更强的分子内堆积强度，可以提供更高的填充因子，而电子迁移率更高的BTP
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S8则可以提供更高
的短路电流密度，所以前两者应占比更大，而BTP
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S2起到提供高电压的作用，对活性层形貌影响较大，不应过多掺杂。
[0018]优选的，所述的衬底为玻璃；所述的阳极层为ITO；所述的阳极修饰层为PEDOT:PSS；所述的阴极修饰层为PDINN；所述的阴极层为Ag。
[0019]本专利技术还提供了所述的高效四元有机光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
[0020](1)在衬底一侧表面的阳极层上制备阳极修饰层；
[0021](2)将活性层溶液旋涂在阳极修饰层上，然后进行退火处理，形成所述的活性层；
[0022](3)在步骤(2)制得的活性层上再依次制备阴极缓冲层和阴极层，得到所述的高效四元有机光伏电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效四元有机光伏电池，其特征在于，包括依次层叠的如下结构：衬底、阳极层、阳极修饰层、基于给体/多元受体体系的活性层、阴极修饰层和阴极层；所述的活性层为一种电子给体与三种非富勒烯受体的共混膜。2.根据权利要求1所述的高效四元有机光伏电池，其特征在于，所述的电子给体为宽带隙聚合物给体PM6；所述的非富勒烯受体为L8
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BO、BTP
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S8和BTP
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S2；电子给体和非富勒烯受体的结构式分别为：其中，R1为2
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乙基己基，R2为2
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丁基辛基。3.根据权利要求1所述的高效四元有机光伏电池，其特征在于，所述的活性层的厚度为50～300nm。4.根据权利要求1所述的高效四元有机光伏电池，其特征在于，电子给体和非富勒烯受体的质量比为1:1～1.5。5.根据权利要求2所述的高效四元有机光伏电池，其特征在于，非富勒烯受体中，L8
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BO：BTP
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S8：BTP
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S2的质量比为0.2～0.6:0.2～0.6:0.2。6.根据权利要求1所述的高效四元有机光伏电池，其特征在于，所述的衬底为玻璃；所述的阳极层...

【专利技术属性】
技术研发人员：占玲玲，尹守春，邱化玉，何田，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：