具有隔热控温效应的半透明有机太阳电池器件及制备方法与流程

本发明涉及半透明有机太阳电池，尤其涉及了一种具有隔热控温效应的多功能半透明有机太阳能电池。

背景技术：

除了清洁能源发电，节能也在维护人类社会的可持续性方面发挥着重要作用。由于每年用于建筑物冷却的能源占全球能源消耗的很大一部分，因此它促使我们探索具有百纳米厚度的有机层多功能诸如视觉透视，光电转换，以及近红外/红外光子抑制的半透明有机太阳能电池，这对于未来的电动车窗及建筑集成非常重要。

传统有机太阳能电池是电极为100nm厚的不透明太阳能电池器件，筛选出近红外吸收强、可见光吸收弱的活性层材料，可以优化电极的厚度增强透过率，得到简单的半透明有机太阳能电池。但其性能指标都比较低，不利于未来的大规模商业化应用。

现有技术中，可以通过引入光子晶体来提高半透明有机太阳能电池的各项性能。然而，要实现这一目标仍然存在重大挑战，特别是要实现关键参数之间的精细平衡，例如功率转换效率(pce)，平均可见光透射率(avt)和器件的ir抑制率(irr)。材料，器件和界面之间存在的复杂制衡关系和不确定的结构-性质关系仍是重大的课题挑战。

技术实现要素：

本发明的目的是克服有机太阳能电池功能单一化，开发多功能的高效半透明有机太阳能电池，并提供一种制备具有隔热控温的高效半透明太阳电池器件的制备方法及工艺。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种具有隔热控温效应的半透明有机太阳电池器件，该器件为多层层状结构，从下到上依次为衬底、阳极、阳极修饰层、有机活性层、阴极修饰层、阴极和光子晶体层；其中光子晶体层由lif层和teo2层交替叠加而成。

作为优选，以一层lif上叠加一层teo2为一轮交替，所述的光子晶体层中lif和teo2至少具有两轮交替。

进一步的，所述的光子晶体层中lif和teo2优选为两轮交替。

作为上述三种实现方式的进一步优选，各层材料的具体选型如下：所述的衬底为玻璃；所述的阳极为ito；所述的阳极修饰层为pedot:pss；所述的有机活性层为电子给体材料ptb7-th及电子受体材料ific-i-4f形成的共混膜；所述的阴极修饰层为bis-fimg；所述的阴极为ag；

所述ptb7-th的化学结构式为：

其中，n≥10；

所述ific-i-4f的化学结构式为：

所述bis-fimg的化学结构式为：

更进一步的，各层材料的厚度优化如下：所述的有机活性层厚度为88nm，所述的阴极修饰层厚度为12nm，所述的阴极厚度为16nm，所述的光子晶体层从下至上依次由10nm厚度的lif层、20nm厚度的teo2层、120厚度的nmlif层、100nm厚度的teo2层组成。

本发明的另一目的在于提供一种上述任一一种多功能半透明有机太阳能电池器件的制备方法，其包括以下步骤：

首先在表面刻蚀有条状ito的透明导电玻璃表面旋涂一层pedot:pss，再对其进行退火处理；然后在无水无氧环境下将含有所述电子给体材料ptb7-th及电子受体材料ific-i-4f的二元有机材料混合溶液旋涂在pedot:pss上，以得到有机活性层；紧接着在有机活性层上旋涂一层bis-fimg溶液；最后，用蒸镀仪在bis-fimg上蒸镀ag电极，并在ag电极上交替叠加蒸镀lif层和teo2层；最终构筑得到具有隔热控温效应的多功能半透明有机太阳能电池器件。

作为优选，所述的制备方法中，电子给体材料ptb7-th和电子受体材料ific-i-4f的质量比为1:1-1:2，进一步优选为1:1.8。

作为优选，所述的bis-fimg溶液中，bis-fimg浓度为0.5-2mg/ml，进一步优选为1mg/ml。

本发明的优点在于通过在薄层银电极上引入光子晶体从而使器件的整体性能得到提升。在优化活性层厚度、电子传输层厚度和银电极厚度得到的半透明有机太阳能电池器件的基础上，引入光子晶体提高器件对可见光区的透过率及对红外波段的阻挡能力。优化好的简单半透明器件蒸镀的银厚度为16nm，其avt、irr及pce分别为24.5％、90.0％、7.6％，在优化好的半透明器件上引入光子晶体层lif(10nm),teo2(20nm),lif(120nm),teo2(100nm)后，整个器件对可见光的最高透过峰值偏移至500nm左右，更加接近人眼光敏感曲线的分布，其平均透过率大大增加，此外，光子晶体的引入使器件对近红外光的阻挡能力更强。增加了光子晶体的半透明有机太阳能电池器件的avt提高至29.5％，相对于无光子晶体的普通半透明器件来说，提升幅度高达20％，irr也由原来的90.0％提升至93.1％，最重要的是增加了光子晶体后整个器件的pce几乎没有改变，仍保持在7％以上。

附图说明

图1是ptb7-th、ific-i-4f、bis-fimg、pedot:pss的吸收光谱。

图2是对比例1中不同银电极厚度器件j-v、eqe和透过率谱图。

图3是对比例1中不同厚度银电极器件的cie图。

图4是实施例1中器件的j-v、cie图、透过率和eqe谱图，其中a表示对比例1中制备的器件(只蒸镀16nm银电极)，b表示实施例1中制备的器件(蒸镀16nm银电极+dbr)，其中图c是对比例1中制备的器件，图d是实施例1中制备的器件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

本发明的具有隔热控温效应的多功能高效半透明有机太阳能电池器件为多层层状结构，结构从下到上依次为衬底、阳极、阳极修饰层、有机活性层、阴极修饰层和阴极、光子晶体层。其中光子晶体层(分布式布拉格介质镜，dbr)由lif层和teo2层交替叠加而成。以一层lif上叠加一层teo2为一轮交替，本发明的光子晶体层中lif和teo2至少具有两轮交替。由于交替轮数过多会增加工艺的复杂性，因此光子晶体层中lif和teo2优选为两轮交替即可，即光子晶体层采用四层结构，从下至上依次为lif、teo2、lif、teo2。

在太阳能电池器件中，其余层的具体材料可以根据需要进行选择。在本发明的一种实现方式中，可以选择如下：衬底为导电玻璃，阳极为ito，阳极修饰层为pedot:pss。有机活性层为一种聚合物电子给体ptb7-th与小分子电子受体ific-i-4的共混膜，阴极修饰层为bis-fimg，ptb7-th、ific-i-4、bis-fimg三种化合物的具体结构式参见发明内容部分所述。利用ptb7-th、ific-i-4f在可见光吸收弱、近红外吸收强及bis-fimg高传导率等特点，调节银电极的厚度可以得到不同性能的普通半透明有机太阳能电池器件。在优化好后的普通半透明有机太阳能电池器件上引入上述光子晶体层后，可以使器件在可见光区的透过峰值偏移至500nm左右，更加与人眼光敏感曲线相匹配，使avt大幅度提升，此外，光子晶体的引入使器件在近红外波段的阻挡能力也大大加强，更重要的是，光子晶体的引入并没有影响器件的效率。

在该器件中，通过优化每层光子晶体的厚度，可以提升半透明太阳能电池的各种性能。器件作为半透明有机太阳电池的性能主要体现在能量转换效率(pce)和平均可见光透过率(avt)上，能量转换效率是指有机太阳电池的能量转换能力，平均可见光透过率是指有机太阳能电池在380nm-780nm区间相对于人眼光敏感响应的透过率。银电极的厚度对两项指标影响很大，银电极厚度偏大，能量转换效率较高，平均透过率偏低；银电极厚度小，能量转换效率较低，平均透过率偏高。优化好的薄层银电极透过率要好、导电率要高。而光子晶体中的两种物质在全波段范围吸收弱、折光指数相差较大，从下至上依次为低折光指数物质与高折光指数物质交替叠加，各自的厚度需经光学模拟具体确定，叠加层数具体参考光学模拟指导。

下面将通过一个最佳实施例和一个普通半透明有机太阳能电池器件的对比，来证明发明的具有隔热控温效应的多功能高效有机半透明太阳能电池器件的效果。但需要指出的是，下列实施例仅为本发明的器件作为隔热控温效应的多功能高效有机半透明太阳能电池器件时的最佳实施例，但并非用于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据实际情况，调整银电极的厚度、光子晶体的组成和厚度，并根据需要进行进一步优化。

对比例1

将表面刻蚀有条状ito(阴极)的透明导电玻璃依次用碱液、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层pedot:pss，转速为4000rpm，旋涂时间为40秒，然后在140℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将ptb7-th：ific-i-4f质量比为1:1.8、总浓度为20mg/ml的ptb7-th、ific-i-4f混合液，以2500rpm的转速，旋涂60秒，得到一层88nm厚的活性层，随后将1mg/ml的bis-fimg溶液以3000rpm的转速旋涂在活性层上，形成厚度为12nm阴极修饰层。最后，用蒸镀仪蒸镀三种不同厚度(12nm,16nm和20nm)的ag电极(阴极)，从而得到三种具有不同阴极厚度的有效面积为5.8mm²的普通半透明器件。该太阳能电池器件结构从下到上依次为玻璃/ito/pedot:pss/ptb7-th:ific-i-4f/bis-fimg/ag。

在光照强度为100mw/cm²的am1.5g模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，其中16nm厚度的银电极得到开路电压为0.66v，开路电流密度为18.6ma/cm²，填充因子为0.62，pce为7.6％，用紫外光度计测试得到其透过图谱，经计算得到其avt、irr(红外阻挡率)分别为24.5％、90.0％。

如图2中(a),(b),(c)所示，该器件中，当活性层厚度为88nm、电子传输层厚度为12nm、银电极为16nm时，半透明有机太阳能电池器件的pce(7.6％)和avt(24.5％)达到了一种平衡。对12nm,16nm和20nm厚度的银电极器件，根据透过率图谱做出其所对应的透过色度如图3所示。

实施例1

将表面刻蚀有条状ito(阴极)的透明导电玻璃依次用碱液、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层pedot:pss，转速为4000rpm，旋涂时间为40秒，然后在140℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将ptb7-th：ific-i-4f质量比为1:1.8、总浓度为20mg/ml的ptb7-th、ific-i-4f混合液，以2500rpm的转速，旋涂60秒，得到一层88nm厚的活性层，随后将1mg/ml的bis-fimg溶液以3000rpm的转速旋涂在活性层上。最后，用蒸镀仪蒸镀16nm厚的ag电极(阴极)然后在ag电极表面继续依次蒸镀lif(厚度10nm),teo2(厚度20nm),lif(厚度120nm),teo2(厚度100nm)，从而得到一个有效面积为5.8mm²的多功能半透明器件。该太阳能电池器件结构从下到上依次为玻璃/ito/pedot:pss/ptb7-th:ific-i-4f/bis-fimg/ag/lif/teo2/lif/teo2。

在光照强度为100mw/cm²的am1.5g模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.66v，开路电流密度为17.3ma/cm²，填充因子为0.64，pce为7.3％，用紫外光度计测试得到其透过图谱，经计算得到其avt、irr分别为29.5％％、93.1％。

相对于对比例1而言，当活性层厚度为88nm、电子传输层厚度为12nm、银电极为16nm时，在银电极上从下至上增加lif(10nm),teo2(20nm),lif(120nm),teo2(100nm)光子晶体时，器件综合性能整体提升，如图4中(c),(d)所示，avt从24.5％提升至29.5％，提升幅度高达20％，红外阻挡率(irr)从90.0％提升至93.1％，增加了dbr的器件其色坐标更加接近白点坐标(0.33,0.33)，如图4中(b)所示。如图4中(a),(c),(d)所示，dbr的增加几乎没有使jsc和eqe降低，整个pce几乎保持不变，均保持在7％以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。