一种半透明有机太阳电池

1.本发明涉及有机光电器件技术领域，具体涉及一种半透明有机太阳电池。


背景技术：

2.高效利用太阳能并对传统化石能源进行替代是减少温室气体排放的重要途径。有机太阳电池具有轻质、柔性、低成本以及可溶液加工等特质，具有广泛的研究和应用价值。伴随新材料的开发和利用，有机太阳电池的光电转换效率已经超过19％(adv.mater. 2021,33,2102420)，显示了巨大的商业化前景。
3.与普通的有机太阳能电池相比，半透明有机太阳电池能够同时具备能量转化、光透过、隔热等功能，可被广泛集成于建筑外墙、交通工具视窗、农业大棚等领域，具有更广阔的商业化价值。协调可见光透过率与能量转换效率之间的矛盾是实现半透明有机太阳电池商业化的必经之路。而当前协调这一矛盾的方法主要有两种：一是开发新的电子给体材料和电子受体材料(adv.mater.2019,31,1807159)，这一方法可以通过材料的结构设计对器件的透过光谱进行调节，但新材料的开发往往需要花费大量时间成本和人力成本；另一方法是在有机太阳电池器件中引入增透膜、fabry-p
é
rot电极或者介电材料/金属/介电材料(dmd)等结构 (joule,2019,3(9):2241-2254)，这些结构可以对器件的光学性能(如透过率、显示指数、自然指数等)进行调控，但这些额外结构的引入需要对器件布局进行精心设计并通过热蒸镀等方法进行加工，不利于大规模生产加工。
4.在有机太阳电池中，光活性层的吸收光谱是由电子给体材料与电子受体材料所决定的，而降低宽带隙电子给体材料的含量就可以方便地降低光活性层对可见光光子(380-740nm) 的吸收，进而提高有机太阳电池的透过率。半透明有机太阳能电池之所以能够有望被应用于建筑外墙及屋顶、交通工具视窗等场景，主要是因为其具有优异的可见光透过性能。因此，如何通过简单的方法提高半透明有机太阳能电池的透过率显得至关重要。例如有研究者将电子给体材料与电子受体材料的质量比由1.2:1.5改变至0.8:1.5，可以将半透明太阳电池的可见光透过率从23.7％增加至27.1％(j.mater.chem.a,2019,7,7025-7032)。然而，直接减少光活性层中电子给体材料的含量，往往会导致电池在工作中载流子传输失配、空间电荷效应、额外的载流子复合等问题，进而降低能量转化效率。例如，有研究者将pm6:y6的光活性层中的电子给体材料质量比从45％降低至20％时，电池的能量转换效率从14.3％降低至了11.4％ (j.phys.chem.lett.2021,12,20,5039-5044)。在有机太阳电池的光活性层中引入添加剂，是提高太阳电池能量转换效率十分普遍的方法，因此也可以被用来提高半透明有机太阳电池的性能。例如，有研究者在pce10和ieico-4f的质量比为1:1.5时，加入1,10-癸二醇，可将太阳电池的光电转换性能从9.08％提高至11.64％(j.mater.chem.a,2019,7,7437-7450)。
5.但值得注意的是，这些添加剂均只能在电子给体材料质量占光活性层总质量的质量比大于0.3时提高能量转换效率，对器件性能的提升存在一定局限性。因此，寻找新型的添加剂材料，能够在有机太阳电池中电子给体材料质量占光活性层总质量的质量比小于
0.3时显著提升电池的能量转化效率，就可以通过较为简单的方法提高电池可见光透过率的同时实现高能量转换效率。进一步，添加剂材料的引入如果能够避免单独设置阳极缓冲层，这对于促进半透明太阳电池商业化具有实际应用价值。


技术实现要素：

6.为了克服目前技术中所存在的缺点和不足，本发明公开了一种用于提高半透明有机太阳电池，其在给体材料质量占光活性层总质量的质量比小于0.3时，通过加入固体添加剂，可以显著地提高有机太阳电池的能量转换效率；同时，该固体添加剂的引入能够克服单独设置阳极缓冲层这一器件结构的局限，进一步地获得高可见光透过率和高效率的半透明有机太阳电池，具有实际应用价值。
7.本发明的术语“半透明有机太阳电池”，是指同时具备透光功能与能量转换功能的有机太阳能电池。
8.本发明的术语“光活性层”，是指包括电子给体材料和电子受体材料的成分，溶于溶剂，经物理共混后，旋涂所形成的混合物的成膜态。
9.本发明的术语“透明阴极”，是指厚度为5nm至100nm的金属材质的电极。
10.本发明的术语“电子给体材料”，是指具有共轭结构的有机p型半导体材料，其在光活性层中给出电子。
11.本发明的术语“电子受体材料”，是指具有共轭结构的有机n型半导体材料，其在光活性层中获得电子。
12.本发明的术语“阳极缓冲层”，是指有机太阳电池中，介于阳极材料与光活性层材料之间的缓冲层，具有传输空穴的功能。
13.本发明的术语“阴极缓冲层”，是指有机太阳电池中，介于阴极材料与光活性层材料之间的缓冲层，具有传输电子的功能。
14.本发明旨在提供一种半透明有机太阳电池，其包括透明阴极和光活性层，
15.其中，所述半透明有机太阳电池的光活性层中，包括固体添加剂，
16.所述光活性层中，电子给体材料的质量占光活性层材料质量的30％及以下；
17.电子给体材料的质量占光活性层材料质量的比值，可以但不限于30％、25％、20％、15％、 10％、9％、8％、7％、6％、5％，或5％以下。
18.所述固体添加剂具有如下结构通式：
[0019][0020]
所述r
x
为含有一个或多个基团的烷基衍生物；
[0021]
所述ry和rz选自氢原子、烷氧基、烷基中的一种或多种。
[0022]
本固体添加剂中含有具有良好导电性的咔唑单元，当固体添加剂与含有π-π共轭结构的材料进行共混时，电荷可在咔唑单元与π-π共轭结构之间进行传输，而常见的电子给
体材料和电子受体材料中均具有芳香共轭的结构单元，因此本固体添加剂可普遍作用于常见的有机太阳能电池光光活性层，而不对电子给体材料和电子受体材料的具体分子结构进行限制，并提高其导电性。
[0023]
进一步地，所述透明阴极，选自铝电极、铜电极、金电极、银电极、复合电极中的一种。
[0024]
本发明所述的复合电极，包括但不限于，铝铜合金电极、铝金合金电极、铝银合金电极、金铜合金电极、银铜合金电极、金银合金电极等两元金属共混电极；以及金银铜合金电极、金银铝合金电极、铝银铜合金电极等三元金属共混电极；以及四元或更多元金属共混电极。所述共混，其可以是不同金属之间通过熔融后，所形成的均一相态结构；或者也可以是通过依次蒸镀不同金属，所形成的具有清晰界面的、多层状的多相态结构。
[0025]
进一步地，所述光活性层为共混物，所述共混物包括电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂。
[0026]
光活性层的制备，采用本领域技术人员所熟知的共混后溶液加工方法进行。
[0027]
进一步地，所述电子给体材料选自聚合物类电子给体材料、小分子类电子给体材料的一种以上；
[0028]
所述电子受体材料选自富勒烯类电子受体材料、聚合物类电子受体材料、小分子类电子受体材料中的一种以上。
[0029]
进一步地，所述电子给体材料包括基于特定单元a的共轭聚合物或小分子；
[0030]
其中，所述特定单元a选自下列结构的一种或多种：
[0031][0032]
其中，所述r
1-r6，独立地选自碳原子数为1-40的烷基，或者碳原子数为1-40的烷基
衍生物；
[0033]
所述烷基衍生物上的一个或多个碳原子，被氢原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种所取代；
[0034]
和/或，
[0035]
所述烷基衍生物上的一个或多个氢原子，被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子的一种或多种取代；
[0036]
所述x1和x2，独立地选自氢原子、氟原子、氯原子、氰基、硝基的一种或多种。
[0037]
进一步地，所述电子受体材料包括基于特定单元b的共轭聚合物或小分子；
[0038]
其中，所述特定单元b选自下列结构单元中的一种或多种：
[0039][0040]
其中，所述r7–r12
，独立地选自碳原子数为1-40的烷基，或者碳原子数为1-40的烷基衍生物；
[0041]
所述烷基衍生物上的一个或多个碳原子，被氢原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种所取代；
[0042]
和/或，
[0043]
所述烷基衍生物上的一个或多个氢原子，被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子的一种或多种取代；
[0044]
所述x
3-x8，独立地选自氢原子、氟原子、氯原子、氰基、硝基的一种或多种。
[0045]
进一步地，所述半透明有机太阳电池的结构还包括阴极缓冲层和阳极缓冲层，所述阴极缓冲层和所述阳极缓冲层分别设置于光活性层两侧的相邻位置。
[0046]
所述阴极缓冲层的材料选自[9,9-二辛基芴-9,9-双(n,n-二甲基胺丙基)芴]、聚{2,7-[9,9
′‑ꢀ
双(n,n-二甲基丙基-3-胺基)芴]-交替-5,5
′‑
[2,6-(双-2-噻吩基)-n,n
′‑
二异辛基-1,4,5,8-萘并酰亚胺]}、聚乙氧基乙烯亚胺、氧化锡、氧化锌镁、氧化锌铝中的一种或多种。
[0047]
所述阳极缓冲层的材料选自4,4
′‑
环己基二[n,n
′‑
二(4-甲基苯基)苯胺]、n,n
′‑
双(萘-1
‑ꢀ
基)-n,n
′‑
双(苯基)-联苯胺、n,n
′‑
双(萘-1-基)-n,n
′‑
双(苯基)-2,7-二氨基9,9-螺二芴、 2,2
′
,7,7
′‑
四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9
′‑
螺二芴、4,4
′
,4
″‑
三(咔唑-9-基)三苯胺、聚(4
‑ꢀ
丁基三苯胺)、聚乙烯咔唑、聚苯乙烯-n,n
′‑
二苯基-n,n
′‑
双-(3-甲基苯基)-(1,1)-联苯-4,4
′‑ꢀ
二胺全氟环丁烷、聚3,4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)中的一种或多种。
[0048]
进一步地，所述固体添加剂的质量，占光活性层质量的0.25％-2％。
[0049]
进一步地，所述透明阴极的厚度≤100nm。
[0050]
为了保证太阳光对透明阴极有足够的透过率，设定透明阴极的厚度≤100nm，可以但是不限于：小于100nm、90nm、80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm、 9nm、8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm，或1nm以下。
[0051]
本发明具有以下有益效果：
[0052]
1.本发明中的半透明有机太阳电池，其光活性层中添加了特定结构的固体添加剂，可以显著地提升半透明有机太阳电池的光电转换效率。
[0053]
2.通过固体添加剂的引入，在保持较高的能量转化效率的同时，可以显著地降低光活性层中电子给体材料在光活性层中的质量占比，从而节省成本。
[0054]
3.进一步地，通过固体添加剂的引入，无须单独设置阳极缓冲层，从而可以避免阳极缓冲层对入射光的吸收；同时提高太阳电池的可见光透过率以及能量转换效率，并且简化太阳电池的加工步骤。
[0055]
3.进一步地，通过固体添加剂的引入，可以增加太阳电池器件中激子的解离概率，使有机太阳电池具有更大的内建电场，明显降低载流子的复合；并且有效降低太阳电池的界面电阻，提高器件中载流子的浓度，进而提高载流子的收集效率，从而最终提高电池的光电转换效率。
附图说明
[0056]
图1示出了实施例1中所述的固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6、电子受体材料 y6-bo的化学结构式；
[0057]
图2a示出了实施例1-3、对比例1-3的半透明有机太阳电池的器件结构图；
[0058]
图2b示出了实施例4-6、对比例4-6的半透明有机太阳电池的器件结构图；
[0059]
图2c示出了实施例7、对比例7的半透明有机太阳电池的器件结构图；
[0060]
图2d示出了实施例8、对比例8的半透明有机太阳电池的器件结构图；
[0061]
图2e示出了实施例9的半透明有机太阳电池的器件结构图。
[0062]
图3a示出了测试例1中实施例1-3、对比例1-3中的半透明有机太阳电池的器件的j-v 曲线图；
[0063]
图3b示出了测试例3中实施例4-6、对比例4-6中的半透明有机太阳电池的器件的j-v 曲线图；
[0064]
图3c示出了测试例4中实施例7-9、对比例7-8中的半透明有机太阳电池的器件的j-v 曲线图。
[0065]
图4示出了测试例2中实施例1和对比例1所作半透明有机太阳电池的器件的光生电流与有效光电压之间的关系图。
[0066]
图5示出了测试例2中实施例1和对比例1所作半透明有机太阳电池的器件的电容-电压关系图。
[0067]
图6示出了测试例2中实施例1和对比例1所作半透明有机太阳电池的器件的cole-cole 图。
[0068]
图7示出了测试例5中实施例7-9、对比例7-8的半透明有机太阳电池的器件的透过率谱图。
具体实施方式
[0069]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例。实施例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。
[0070]
本发明实施例中所采用的电子给体材料pm6购自朔纶有机光电科技(北京)有限公司；
[0071]
电子受体材料y6-bo材料购自深圳睿迅光电材料科技有限公司；
[0072]
固体添加剂2pcaz购自东京化学工业公司；
[0073]
阳极缓冲层材料为pedot:pss(cleviostm p vp ai 4083)，购至heraeus公司；
[0074]
阴极缓冲层材料为聚{2,7-[9,9
′‑
双(n,n-二甲基丙基-3-胺基)芴]-交替-5,5
′‑
[2,6-(双-2-噻吩基)-n,n
′‑
二异辛基-1,4,5,8-萘并酰亚胺]}(pndi-f3n)，按照文献(j.am.chem.soc.,2016， doi:10.1021/jacs.5b12664)合成。
[0075]
本发明实施例中，除非特别提及，否则涉及有机太阳电池的制备步骤，均采用本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0076]
图1示出了实施例1中所述的固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6、电子受体材料 y6-bo的化学结构式。
[0077]
实施例1
[0078]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/阳极缓冲层(40nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(100nm)；
[0079]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0080]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的25％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的0.75％。
[0081]
上述半透明有机太阳电池的制备方法为：
[0082]
s1.将覆盖有ito的玻璃基底依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗，干燥氮气吹干后备用。
[0083]
s2.将阳极缓冲材料pedot:pss以3500rpm转速旋涂于ito上，在空气中以150℃加热15min，以除去其水分，然后转移至氮气保护的手套箱中。
[0084]
s3.将固体添加剂2pacz溶于四氢呋喃中形成溶液1，其浓度为1.8mg/ml；然后将电子给体材料pm6和电子受体材料y6-bo溶于邻二甲苯溶液中形成溶液2，其浓度分别为6mg/ml 和18mg/ml；然后将溶液1(10μl)和溶液2(100μl)进行共混，得到用于共混层的溶液 3。在阳极缓冲材料pedot:pss上旋涂上述溶液3，旋涂转速为3000rpm，制得指定厚度的共混层，然后在100℃退火处理10min。
[0085]
s4.选取pndit-f3n作为阴极缓冲材料，溶于甲醇中形成溶液4，其浓度为1mg/ml，在共混层上旋涂上述溶液4，旋涂转速为3000rpm，制得指定厚度的阴极缓冲层。
[0086]
s5.在大约10-4
pa的真空压力下，热蒸镀指定厚度的ag作为阴极材料，制得半透明有机太阳电池。
[0087]
实施例2
[0088]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/阳极缓冲层(40nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(100nm)；
[0089]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0090]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的16.7％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的2％。
[0091]
上述有机太阳电池的制备方法同实施例1，区别仅在于s3中，电子给体材料浓度、电子受体材料浓度与固体添加剂的浓度不同。其中，光活性层由固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6和电子受体材料y6-bo共混而成。将电子给体材料与电子受体材料质量比设定为1:5。固体添加剂2pacz溶于四氢呋喃中形成溶液1，其浓度为4.8mg/ml；然后将电子给体材料 pm6和电子受体材料y6-bo溶于邻二甲苯溶液中形成溶液2，其浓度分别为4mg/ml和20 mg/ml；然后将溶液1(10μl)和溶液2(200μl)进行共混。
[0092]
实施例3
[0093]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/阳极缓冲层(40nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(100nm)；
[0094]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0095]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的12.5％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的1.25％。
[0096]
上述有机太阳电池的制备方法同实施例1，区别仅在于s3中，电子给体材料浓度、电子受体材料浓度与固体添加剂的浓度不同。其中，光活性层由固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6和电子受体材料y6-bo共混而成。将电子给体材料与电子受体材料质量比设定为1:7。固体添加剂2pacz溶于四氢呋喃中形成溶液1，其浓度为3mg/ml；然后将电子给体材料pm6 和电子受体材料y6-bo溶于邻二甲苯溶液中形成溶液2，其浓度分别为3mg/ml和21mg/ml；然后将溶液1(10μl)和溶液2(200μl)进行共混。
[0097]
实施例4
[0098]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(100nm)；
[0099]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0100]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的25％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的0.25％。
[0101]
上述有机太阳电池的制备方法同实施例1，区别仅在于s3中，电子给体材料浓度、电子受体材料浓度与固体添加剂的浓度不同。其中，光活性层由固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6和电子受体材料y6-bo共混而成。将电子给体材料与电子受体材料质量比设定为1:3。固体添加剂2pacz溶于四氢呋喃中形成溶液1，其浓度为0.6mg/ml；然后将电子给体材料 pm6和电子受体材料y6-bo溶于邻二甲苯溶液中形成溶液2，其浓度分别为6mg/ml和18 mg/ml；然后将溶液1(10μl)和溶液2(100μl)进行共混。
[0102]
实施例5
[0103]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(100nm)；
[0104]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0105]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的16.7％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的1％。
[0106]
上述有机太阳电池的制备方法同实施例1，区别仅在于s3中，电子给体材料浓度、电子受体材料浓度与固体添加剂的浓度不同。其中，光活性层由固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6和电子受体材料y6-bo共混而成。将电子给体材料与电子受体材料质量比设定为1:5。固体添加剂2pacz溶于四氢呋喃中形成溶液1，其浓度为2.4mg/ml；然后将电子给体材料 pm6和电子受体材料y6-bo溶于邻二甲苯溶液中形成溶液2，其浓度分别为4mg/ml和20 mg/ml；然后将溶液1(10μl)和溶液2(200μl)进行共混。
[0107]
实施例6
[0108]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(100nm)；
[0109]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0110]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的12.5％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的1.25％。
[0111]
上述有机太阳电池的制备方法同实施例1，区别仅在于s3中，电子给体材料浓度、电子受体材料浓度与固体添加剂的浓度不同。其中，光活性层由固体添加剂2pacz、电子给体材料pm6和电子受体材料y6-bo共混而成。将电子给体材料与电子受体材料质量比设定为1:7。固体添加剂2pacz溶于四氢呋喃中形成溶液1，其浓度为3mg/ml；然后将电子给体材料pm6 和电子受体材料y6-bo溶于邻二甲苯溶液中形成溶液2，其浓度分别为3mg/ml和21mg/ml；然后将溶液1(10μl)和溶液2(200μl)进行共混。
[0112]
实施例7
[0113]
一种半透明有机太阳电池，其结构从上到下依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ito(110 nm)/阳极缓冲层(40nm)/光活性层(100nm)/阴极缓冲层(10nm)/ag(15nm)；
[0114]
光活性层由电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂经溶液加工共混而成。
[0115]
其中，电子给体材料pm6为光活性层总质量的25％，固体添加剂2pacz为光活性层总质量的0.75％。
[0116]
实施例7的光活性层组成、制备方法均与实施例1相同，区别仅在于蒸镀15nm厚度的银电极作为透明阴极。
[0117]
实施例8
[0118]
实施例8的光活性层组成、制备方法均与实施例4相同，区别仅在于蒸镀15nm厚度的银电极作为透明阴极。
[0119]
实施例9
[0120]
实施例9的光活性层组成、制备方法均与实施例4相同，区别仅在于分别蒸镀0.1nm au 与8nm ag组成复合电极作为透明阴极。
[0121]
对比例1-8
[0122]
对比例1-8的光活性层组成、制备方法均分别对应地与实施例1-8相同(如对比例1的光活性层组成、制备方法均与实施例1相同)，区别仅在于对比例1-8中的光活性层中均不含有固体添加剂2pacz。
[0123]
测试例1
[0124]
为了测试实施例1-3、对比例1-3中所得半透明有机太阳电池的光电转换效率(以pce 表示)，作出以下测试实验。图2a示出了实施例1-3、对比例1-3的有机太阳电池器件结构图。
[0125]
测试条件为：在填充氮气的手套箱中，使用aaa级太阳光模拟器am1.5g在100mw/cm2的强度下测试得到相应的电流-电压曲线(j-v曲线)，图3a示出了实施例1-3、对比例1-3的 j-v曲线图。记录器件在最大功率点电流与电压之乘积，与短路电流与开路电压之乘积，将前后乘积之比记为器件填充因子(ff)。从图上可以看出，实施例1-3的开路电压，略微地高于对比例1-3的开路电压；而实施例1-3的短路电流与对比例1-3的短路电流相当，并且记录器件在最大功率点电流与电压之乘积，与短路电流与开路电压之乘积，将前后乘积之比记为器件填充因子(ff)。值得注意的是，实施例1-3的ff分别比对比例1-3的ff出现了大幅度地提升，最终实施例1-3器件的pce分别显著高于对比例1-3的pce。所得结果pce如表1所示。
[0126]
表1 实施例1-3、对比例1-3中所得半透明有机太阳电池的性能参数
[0127][0128][0129]
从上面数据可知，实施例1-3中，由于加入了固体添加剂2pacz，使得器件的ff得到
了显著的提升，其太阳电池光电转换效率具有大幅度的提升。通常地，在一般的有机太阳电池中，电子给体材料与光活性层中质量比为0.5左右，这意味着电子给体材料与电子受体材料的质量相当，而电子给体材料会大量吸收可见光谱(380nm至740nm)内的光子，限制有机太阳能电池的透过率。而在实施例1-3(对比例1-3)中，由于电子给体材料与光活性层中质量比分别仅为0.250，0.167，0.125，实际上减少了光活性层对可见光的吸收，进而可以提高太阳电池的可见光透过率，但对比例1-3的器件pce也随着电子给体材料的减少而降低，而实施例1-3引入固体添加剂后，器件的pce得到明显提高。因此，当固体添加剂应用于电子给体材料占光活性层的质量比较低(30％以下)的半透明有机太阳电池器件结构中时，具有明显优势。
[0130]
测试例2
[0131]
为了进一步分析影响上述结果的因素，我们将实施例1和对比例1的半透明有机太阳电池，进行进一步测试。按照文献(joule,2020,4(9),2004-2016)所报道的方法测试光生电流与有效光电压之间的关系，分析2pacz的引入对电池激子解离效率的影响；按照文献(j.mater. chem.c,2020,8,2676-2681)测试器件的电容-电压关系，并分析摩特-肖特基关系；按照文献 (acs energy lett 2020,5(9),2935-2944)测试器件电化学性质，分析用于提高半透明有机太阳电池效率的固体添加剂的引入对太阳电池中电阻和电容的影响。
[0132]
所得光生电流与有效光电压关系图，如图4所示。在分析中，假设实施例1和对比例1 中所产生的所有激子均可以得到解离，并且被没有任何损失地抽取并收集，那么可以计算得到在短路电流条件下，实施例1器件所对应的激子解离率为99.0％，而对比例1器件所对应的激子解离率为96.4％；同时在电池的最大功率点条件下实施例1器件所对应的激子解离率为83.4％，而对比例1器件所对应的激子解离率为75.3％。从两个条件下的激子解离率差异可以得出，固体添加剂的引入，使得半透明太阳电池器件的激子解离过程更加高效，进而得到较高的ff，最终提高电池的光电转换效率。
[0133]
实施例1和对比例1的半透明有机太阳电池所得电容-电压测试图，如图5所示。实施例 1中，在引入用于提高半透明有机太阳电池效率的固体添加剂2pacz后，电池器件的内建电场为0.865v，载流子浓度为5.35
×
10
16
cm-3
；而对比例1中所得有机太阳电池，电池器件的内建电场为0.730v，载流子浓度为1.21
×
10
16
cm-3
。因此，这一测试清楚地说明：固体添加剂，应用于半透明有机太阳电池的光活性层中，能在电池器件中产生更大的内建电场，且能够有效压制暗电流，有利于降低载流子的复合；并且有利于对空穴及电子的抽取，从而提高器件中载流子的浓度，进而提高载流子的收集效率，最终提高电池的光电转换效率。
[0134]
所得cole-cole图，如图6所示。实施例1中，在引入用于提高半透明有机太阳电池效率的固体添加剂2pacz后，电池器件的体电阻为153ω；而对比例1中所得有机太阳电池，电池器件的体电阻为1570ω。因此，这一测试清楚地说明：用于提高半透明有机太阳电池效率的固体添加剂，能够有效地降低电池光活性层的电阻，进而有利于空穴和电子的抽取过程，降低载流子的复合，进而提高电池的ff，最终提高半透明有机太阳电池的光电转换效率。
[0135]
测试例3
[0136]
为了测试实施例4-6、对比例4-6中所得半透明有机太阳电池的pce，作出以下测试实验。
[0137]
测试条件为：在填充氮气的手套箱中，使用aaa级太阳光模拟器am1.5g在100mw/cm2的强度下测试得到相应的电流-电压曲线(j-v曲线)，图3b示出了实施例4-6、对比例4-6的 j-v曲线图。记录器件在最大功率点电流与电压之乘积，与短路电流与开路电压之乘积，将前后乘积之比记为器件填充因子(ff)。测试所得结果pce如表2所示。
[0138]
表2 实施例4-6、对比例4-6中所得半透明有机太阳电池的性能参数
[0139][0140]
从表中可以看出，实施例4-6的开路电压，显著地高于对比例4-6的开路电压；这是因为，在实施例4-6与对比例4-6的制备过程中，均未加阳极缓冲层，因此在不含固体添加剂的对比例4-6的半透明有机太阳电池器件中，光活性层材料与阳极材料之间出现了能级不匹配的问题，导致器件的开路电压显著降低。而在含有固体添加剂的实施例4-6的半透明有机太阳电池器件中，由于固体添加剂的引入，使得电池器件的开路电压变得与含有阳极缓冲层器件的开路电压相比，并没有出现下降，即证明了引入的固体添加剂，能够起到代替单独设置阳极缓冲层的作用。此外，实施例4-6的短路电流与ff，相比于对比例4-6也均得到提高，最终使得实施例4-6的pce得到显著提高。
[0141]
测试例4
[0142]
为了测试实施例7-9、对比例7-8中所得半透明有机太阳电池的pce，作出以下测试实验。
[0143]
测试条件为：在填充氮气的手套箱中，使用aaa级太阳光模拟器am1.5g在100mw/cm2的强度下测试得到相应的电流-电压曲线(j-v曲线)，图3c示出了实施例7-9、对比例7和对比例8的j-v曲线图。记录器件在最大功率点电流与电压之乘积，与短路电流与开路电压之乘积，将前后乘积之比记为器件填充因子(ff)。测试所得结果pce如表3所示。
[0144]
表3 实施例7-9，对比例7-8中所得半透明有机太阳电池的性能参数
[0145][0146]
实施例7-8、对比例7-8中所得半透明有机太阳电池中的透明阴极为15nm的银，此时的半透明有机太阳电池同时具备透光功能与能量转换功能。对比表3中实施例7与对比例7的器件性能，可以发现固体添加剂的实施例7的半透明有机太阳电池具有更高的ff值的现象，这与实施例1-3具有比对比例1-3更高的ff值的现象是一致的，可以证明固体添加剂的引入对于提高半透明太阳电池pce的有效性。而测试例2中的理论分析也解释了提升效率的原因。
[0147]
对比表3中实施例8与对比例8的器件性能，可以发现对比例8的开路电压更低，这是因为在半透明有机太阳能器件结构中省略单独设置阳极缓冲层后，光活性层的能级与阳极材料的能级出现不匹配的问题。进一步地，在对比例8器件中，光活性层内产生的载流子无法顺利的抽取和收集，因此导致低的ff值。而在实施例8中含有固体添加剂，与实施例4-6相似，这一固体添加剂有向阳极侧聚集的趋势，进而起到匹配光活性层与阳极材料之间能级的作用。
[0148]
在实施例9中，所得有机太阳电池中透明阴极为0.1nm的金与8nm的银组成的复合电极，由于具有比实施例8更薄的透明阴极，因此实施例9的短路电流和ff值明显低于实施例 8，但能够获得更高的器件透过率，此实施例证明了固体添加剂，也可以应用于含有复合电极的半透明有机太阳电池。
[0149]
测试例5
[0150]
为了测试实施例7-9，对比例7-8中所得有机太阳电池的可见光透过率(以avt表示)，作出以下测试实验。
[0151]
测试条件为：测试可见光透过率的器件制备过程与实施例7-9、对比例7-8器件的制备过程一致：在空气中，采用岛津uv3600分光光度计测试器件的透过率，取波长范围为380nm 至740nm范围内的透过率之算术平均值作为可见光透过率。实施例7-9、对比例7-8的透过率谱图见图7。记录器件平均透过率与光电转换效率pce之乘积为光利用效率(记作lue)，用来同时衡量半透明有机太阳电池的pce与可见光透过的能力，是半透明有机太阳电池的综合评价指标。测试所得结果avt与lue如表4所示。
[0152]
表4 实施例7-9、对比例7-8中所得半透明有机太阳电池的平均透过率
[0153]
实施例avt(％)pce(％)lue(％)实施例718.5412.932.40实施例819.2015.202.92实施例930.0411.263.38
对比例718.1311.912.16对比例819.254.250.82
[0154]
根据表4中avt结果，与对比例7-8相比，实施例7-8由于含有固体添加剂，因此具有更高的器件pce，进而使得半透明有机太阳电池的lue值更高。而对比例7与实施例8相比，实施例8含有固体添加剂，固体添加剂能够向阳极材料侧聚集，进而避免单独设置阳极缓冲层，在简化加工的同时，能够将平均透过率从18.13％提高至19.20％，这是因为实施例8中，避免了单独设置的阳极缓冲层对可见光的吸收所致。
[0155]
上述测试例，详细说明了本发明技术方案的先进性。
[0156]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0157]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。