一种基于快速淬火策略的非富勒烯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基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳能电池及其制备方法。本发明专利技术的非富勒烯有机太阳电池的光活性层是由光活性层溶液旋涂在预热后的传输层上淬火得到的；所述光活性层溶液包括聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料；所述光活性层溶液中的溶剂为高沸点有机溶剂。本发明专利技术通过采用高沸点有机溶剂加工光活性层，在旋涂前预热传输层制备器件，可以有效提高器件短路电流密度和填充因子，实现高沸点溶剂加工的高效非富勒烯有机太阳电池的制备。本发明专利技术的高沸点溶剂可以为低毒性的非卤溶剂，因此可在空气氛围下进行旋涂，同时，不引入添加剂和进行后处理，可以精简制备步骤，降低制备成本，在一定程度上促进了有机太阳电池的商业化进程。机太阳电池的商业化进程。机太阳电池的商业化进程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于有机光电器件
，具体涉及一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]太阳能由于具有清洁安全、无污染、储量大等特点。有机太阳电池具有质轻、柔性、可溶液加工、大面积加工、成本低等优点，展现出大规模商业化应用的巨大潜力。
[0003]近年来，得益于有机材料的设计合成以及器件工程等方面的大量研究，单结有机太阳电池的最高效率已经达到了19％以上。尽管器件光电转换效率已经达到了商业化应用的门槛，然而仍然有一些关键的问题阻碍了向工业化生产中需要的大面积溶液加工制备技术的转化，如溶剂。事实上，目前大多数高性能的有机太阳电池主要是由低沸点溶剂氯仿制备而成的。然而，CF极易挥发且容易分解成强腐蚀性气体，会严重降低设备寿命，且不利于人员安全，更重要的是不利于工业化所需的大面积制备工艺，如印刷技术、卷对卷加工技术等，这些工艺手段都需要与之匹配的润湿性、粘度和蒸发速率，以允许形成均匀的薄膜。Voigt等人发现，高沸点溶剂不仅具有更合适的粘度以形成均匀的薄膜，而且可以有助于改善大面积活性层的形貌(Solar Energy Materials and Solar Cells，2012，105，77
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85)。因此探索如何在中低毒甚至无毒的高沸点溶剂加工条件下实现高性能的有机太阳电池对促进工业化进程非常有必要。事实上，大多数应用在有机太阳电池活性层的材料，包括共轭聚合物和小分子通常是从卤代溶剂中合成和纯化的，根据相似相容原理，这些有机材料能在氯仿中具备良好的可加工性，相反，这些有机材料在高沸点溶剂中表现出有限的溶解性和加工性能。在同一工艺流程下，由高沸点溶剂制备的体异质结形貌难以媲美氯仿溶剂。
[0004]为了得到理想的形貌，研究者做了许多的努力。如华南理工大学黄飞等人通过侧链工程策略延长了Y6位于TPBT的中心单元上的烷基链得到DTY6，提高溶解度的同时增大受体分子间空间位阻，抑制分子过度聚集，在非卤溶剂邻二甲苯加工的大面积模块组件(18cm2)中实现超过14％的效率(Joule,2020,4(9),2004
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2016)。又如苏州大学崔超华等人在PM6:Y6二元体系活性层中加入固体添加剂蒽，蒽与Y6良好的混溶性限制了Y6的过度聚集，而蒽在后续的110℃的热退火中可完全挥发，在蒽去除的动力学过程中为PM6嵌入Y6基质中留下可用空间，由此形成合适的相分离和双连续互穿网络，使得氯苯溶剂加工的器件效率从10％提高到16左右，非卤溶剂邻二甲苯加工的器件效率从7％提高到15％左右(Advanced Functional Materials,2021,31(37),2103944)。由上述例子可以看到，相比于富勒烯受体，基于稠环的非富勒烯受体的平面共轭骨架特征和强结晶度为形貌调控带来更大的难度和挑战。
[0005]目前基于高沸点溶剂光活性层形貌调控的方法大多依赖于材料的设计合成或添加剂的混溶性诱导，通常需要较大的试错成本和复杂的后处理手段。因此实现在溶剂蒸发过程中调控动力学参数一步“锁定”薄膜的最优形貌具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0006]目前高效的非富勒烯受体材料具有平面共轭骨架特征导致其通常在高沸点溶剂中较难形成有利的π
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π堆积方向，同时强结晶度导致在其在高沸点溶剂中容易发生过度聚集，为实现平衡的电荷解离和传输带来了挑战。为了解决这样的难题，本专利技术提出了一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池及其制备方法，在合理的动力学参数调控下“锁定”薄膜最优形貌，淬火至电荷传输的渗流阈值附近，实现短路电流密度和填充因子的大幅提升。
[0007]本专利技术基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳能电池通过采用高沸点溶剂加工光活性层，在旋涂前预热传输层制备器件，可以有效提高器件短路电流密度和填充因子，实现高沸点溶剂加工的高效非富勒烯有机太阳电池的制备。该有机太阳电池采用经典的三明治结构：透明衬底/导电阳极/空穴传输层/光活性层/电子传输层/金属阴极。其中，光活性层为有机电子给体材料和有机电子受体材料在溶液状态下共混后旋涂而成的体异质结薄膜。本专利技术的核心，在于采用高沸点加工光活性层时，无需引入添加剂和进行后处理，只需要在旋涂前预热传输层，这可以有效加速高沸点溶剂蒸发速率，缩短成膜时间，抑制非富勒烯受体过度聚集，将非晶混合相组成淬火到电荷传输的渗流阈值附近。这样的快速淬火策略增强了双连续互穿网络结构形成，平衡电荷解离和传输，有效提高短路电流密度和填充因子，最终实现高沸点溶剂加工的高效非富勒烯有机太阳电池的制备。此外，本专利技术涉及了低毒性的非卤溶剂的使用，因此可在空气氛围下进行旋涂，同时，不引入添加剂和进行后处理，可以精简制备步骤，降低制备成本，在一定程度上促进了有机太阳电池的商业化进程。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：
[0009]一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，所述非富勒烯有机太阳电池的光活性层是由光活性层溶液旋涂在预热后的传输层上淬火得到的；所述光活性层溶液包括聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料；所述光活性层溶液中的溶剂为高沸点有机溶剂。
[0010]优选的，所述传输层为空穴传输层或电子传输层。
[0011]优选的，所述光活性层溶液中的溶剂为沸点100～200℃的有机溶剂。
[0012]优选的，所述光活性层溶液的预热温度为20～120℃；所述传输层的预热温度为40～200℃；
[0013]优选的，所述光活性层溶液中的溶剂为氯苯、邻二氯苯、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、三甲基苯中的至少一种。
[0014]优选的，所述光活性层溶液在旋涂前预热5～10分钟；
[0015]优选的，所述传输层在旋涂前预热2～5分钟；
[0016]优选的，所述预热后的传输层快速转移到匀胶机上进行光活性层溶液旋涂。
[0017]优选的，所述的光活性层溶液无需加入任何添加剂，光活性层在旋涂成膜后无需经过任何后处理。
[0018]优选的，所述的光活性层溶液通过加热搅拌溶解制备，加热搅拌的温度为50～80℃，加热搅拌的时间为6～12小时。进一步优选的，温度为65℃。
[0019]优选的，所述聚合物给体材料为窄带隙弱结晶性聚合物，所述非富勒烯小分子受体材料为具有A
‑
D
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A结构稠环的较强结晶性的非富勒烯小分子；所述光活性层的厚度为50
～300nm。
[0020]进一步优选的，所述聚合物给体材料为PM6，所述非富勒烯小分子受体材料为Y6及其衍生物BTP
‑
eC9、L8
‑
BO，化学结构式如下所示：
[0021][0022]其中，聚合物给体材料的分子量为10～55KDa。
[0023]优选的，所述聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料的质量比为1:0.5～1:2；
[0024本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述非富勒烯有机太阳电池的光活性层是由光活性层溶液旋涂在预热后的传输层上淬火得到的；所述光活性层溶液包括聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料；所述光活性层溶液中的溶剂为高沸点有机溶剂。2.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述传输层为空穴传输层或电子传输层；所述光活性层溶液中的溶剂为沸点100～200℃的有机溶剂。3.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述光活性层溶液的预热温度为20～120℃；所述传输层的预热温度为40～200℃；所述光活性层溶液中的溶剂为氯苯、邻二氯苯、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、三甲基苯中的至少一种。4.根据权利要求3所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述光活性层溶液在旋涂前预热5～10分钟；所述传输层在旋涂前预热2～5分钟；所述预热后的传输层快速转移到匀胶机上进行光活性层溶液旋涂。5.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体材料为窄带隙弱结晶性聚合物，所述非富勒烯小分子受体材料为具有A
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D
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A结构稠环的较强结晶性的非富勒烯小分子；所述光活性层的厚度为50～300nm。6.根据权利要求5所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体材料为PM6，所述非富勒烯小分子受体材料为Y6及其衍生物BTP
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eC9、L8
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BO，化学结构式如下所示：其中，聚合物给体材料的分子量为10～55KDa。7.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志才，何濠启，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：