一种高效四元有机光伏电池及其制备方法

本发明涉及太阳电池，具体涉及一种高效四元有机光伏电池及其制备方法。

背景技术：

1、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-junction organic solar cell with over 15％ efficiency using fused-ringacceptor with electron-deficient core.joule 2019,3(4),1140-1151.)。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-layered organicphotovoltaics 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。

2、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％viamanipulating 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-polymer blends for organic photovoltaics:rational controlof 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),253-260.)。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。

3、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

1、为了克服现有技术的不足，本发明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。

2、具体采用的技术方案如下：

3、本发明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。

4、所述的电子给体为宽带隙聚合物给体pm6；

5、所述的非富勒烯受体为l8-bo、btp-s8和btp-s2；

6、电子给体和非富勒烯受体的结构式分别为：

7、

8、

9、其中，r1为2-乙基己基，r2为2-丁基辛基。

10、本发明以宽带隙聚合物给体pm6，三种非富勒烯受体l8-bo(第二组分)、btp-s8(第三组分)和btp-s2(第四组分)制备活性层；利用pm6、l8-bo、btp-s8和btp-s2四者吸收的互补，以及l8-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。

11、优选的，所述的活性层的厚度为50～300nm。

12、优选的，电子给体和非富勒烯受体的质量比为1:1～1.5。

13、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-bo:btp-s8:btp-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-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-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-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。

14、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。

15、本发明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：

16、(1)在衬底一侧表面的阳极层上制备阳极修饰层；

17、(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；

18、(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。

19、优选的，所述的退火处理的参数为：退火温度为80-200℃，退火时间为5-60min。

20、所述的活性层溶液的总浓度为12-20mg/ml，活性层溶液的溶剂为低沸点卤素溶剂或非卤素溶剂中的至少一种，低沸点卤素溶剂包括氯仿或氯苯，非卤素溶剂包括甲苯或二甲苯。

21、优选的，所述的活性层溶液中还包括添加剂，添加剂能够增大受体的溶解度而进行活性层形貌优化作用；所述的添加剂为氯萘(cn)或1,8-二碘辛烷(dio)，添加剂的体积为活性层溶液体积的0.2～2％，在薄膜后处理过程中添加剂将留在活性层中。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、(1)本发明采取四元策略，利用宽带隙聚合物给体pm6，三种非富勒烯受体l8-bo(第二组分)、btp-s8(第三组分)和btp-s2(第四组分)制备活性层；l8-bo噻吩的β-位上连接支链型烷基链，有利于其自身的紧密有序堆积，且l8-bo与pm6间具有较好的相容性，可形成合适的相分离尺寸，另外，l8-bo独特的自身紧密有序堆积，可调节多元受体的分布；btp-s8在600-1000nm的近红外区域内有强烈的吸收，它的加入，可有效拓宽有机光伏电池的吸收范围，为有机光伏电池短路电流密度的提高奠定了良好基础，此外，btp-s8与给体之间具有非常好的兼容性；btp-s2的吸收峰主要在650-900nm波长范围内，相较于l8-bo有一定程度的蓝移，与btp-s8相比，btp-s2的lumo能级大幅度提升，可增加体系的电压，但是随着电压的增加，其吸收蓝移，光电流受到限制，btp-s2由于含有6个cl，使其具有强结晶性；将三种非富勒烯受体组合形成多元受体，相同的分子骨架使其具有良好兼容性，再利用l8-bo的自身紧密堆积特性，在多元体系中起到调控形貌主导作用，使共混膜形成良好的垂直相分布。

24、(2)本发明提供的高效四元有机光伏电池，具有精细的形貌、增强的结晶度、更大的畴尺寸和理想的垂直相分离，这有利于电荷的产生和传输，并减少电荷的复合，可利用不同的溶剂制备得到，以氯仿为溶剂制得的该四元有机光伏电池获得了最高为27.39ma/cm2的短路电流密度和19.19％的光伏电池效率(pce)，以甲苯为溶剂制得的该四元有机光伏电池也表现出27.80ma/cm2的短路电流密度和19.04％的pce(这是目前报道的甲苯处理opv中的最高值之一)，此外，进一步在空气中构建了无任何添加剂的甲苯处理的大面积模组(72.25cm2)，模组显示出12.78％的最高效率，这也是目前报道的甲苯处理大面积模组中的最高值之一。