一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池及其制备方法

本发明属于太阳能电池，具体涉及一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、以有机或高分子半导体材料作为电子给体与电子受体，并将给体与受体进一步共混作为光伏活性层的有机太阳能电池，具有低成本溶液加工、柔性、重量轻等特点，近年来受到广泛关注。绿色制备高性能有机太阳能电池是有机太阳能电池工业化制备的必然要求，然而，由于光伏材料在常见非卤代溶剂中的溶解度较低，相应活性层薄膜微结构较差，导致绿色溶剂制备的有机太阳能电池光伏性能较低，尤其是目前高性能的非富勒烯有机太阳能电池，非卤代溶剂加工制备高效率电池器件仍是一个重要挑战。

2、目前已有相关研究关注如何调控非卤代溶剂加工的非富勒烯有机光伏薄膜微结构，以提高电池的光电转换效率。包括通过加热活性层溶液或基底，来提高给体或受体材料在非卤代溶剂中的溶解度，抑制给受体形成大尺寸聚集体，提高电池效率。但是溶液加热制备仍存在一定的问题，材料的溶解或聚集状态、以及成膜动力学过程对溶液或基底温度极其敏感，使得电池器件的效率存在批次性差异，难以稳定重复。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池及其制备方法，以解决现有技术下高光电转换效率有机太阳能电池绿色制备存在的批次重复性问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，

4、依次堆叠制备阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极；

5、光活性层通过将共混溶液涂覆在空穴传输层上，退火后制得，共混溶液的溶质为有机高分子给体d18和非富勒烯电子受体l8-bo的混合物，溶剂为二硫化碳和对二甲苯的混合溶液。

6、本发明的进一步改进在于：

7、优选的，溶质中有机高分子给体d18和非富勒烯电子受体l8-bo的质量比为1:(1～2)。

8、优选的，共混溶液的浓度为5～20mg ml–1。

9、优选的，溶剂中二硫化碳和对二甲苯的混合体积比为(90～100):(1～10)。

10、优选的，共混溶液将溶质和溶剂在手套箱中混合后，在30～50℃下搅拌1～3h。

11、优选的，将共混溶液旋涂在空穴传输层上，转速为600-3000rpm。

12、优选的，退火温度为50-200℃，退火时间为0-120min。

13、优选的，将混合溶液以1200rpm的转速旋涂在空穴传输层上；

14、混合溶液的制备过程为：在手套箱中混合溶质和溶剂，其中溶质为质量比为1:1.6的有机高分子给体d18和非富勒烯电子受体l8-bo的混合物，溶剂为体积比为97:3的二硫化碳和对二甲苯的混合溶液，混合溶液的浓度为13mg ml–1；将混合溶液在50℃下搅拌1h后进行退火处理，退火温度为90℃，退火时间为10min，制得混合溶液。

15、一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池，包括：

16、收集空穴的阳极；

17、收集电子的阴极；

18、介于阳极和阴极之间的光活性层，所述光活性层为高分子给体d18和非富勒烯电子受体l8-bo的共混物；光活性层通过共混溶液制备获得，共混溶液的溶质为高分子给体d18和非富勒烯电子受体l8-bo，溶剂为二硫化碳和对二甲苯的混合溶液；

19、空穴传输层，介于阳极和光活性层之间；

20、电子传输层，介于阴极和光活性层之间。

21、优选的，光活性层的厚度为50nm～300nm之间。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、本发明公开了一种基于非卤代混合溶剂加工高效非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，该制备方法使用二硫化碳(cs2)、对二甲苯(px)混合非卤代溶剂配制聚合物给体/非富勒烯小分子受体共混溶液，通过调控溶剂比例得到最佳的溶剂配方，使用旋涂法制备出高质量的有机活性层共混薄膜，该方法通过在主体溶剂cs2中引入高沸点对有机高分子给体的溶解度较低的溶剂px，d18在cf、cs2和px三种溶剂中的溶解度差异很大，d18和l8-bo在cs2中的高溶解度确保了室温下优异的溶液加工性，d18在px中的溶解性较差，在旋涂过程中，首先析出的d18形成纤维而后促进了l8-bo的围绕d18适度聚集，但能避免大量聚集。该方法分别调控有机聚合物给体和非富勒烯小分子受体在溶液中和成膜过程中的有序聚集，再辅以活性层薄膜的后处理调控，以实现非卤代溶剂加工有机太阳能电池光电转换效率的提升，基于该室温条件重复制备高效率器件方法有望推动有机太阳能电池商业化应用。

24、进一步的，本发明的有机太阳能电池在制备过程中，利用一种非卤代溶剂cs2，该溶剂对于使用的给体d18和受体l8-bo的溶解性好，能够在室温下溶解光伏材料并增强l8-bo的溶液适度聚集。纯cs2中的d18和l8-bo产生均匀的混合薄膜，l8-bo在cs2中采用了更多的平面构象并表现出更强的聚集，促进了l8-bo在固态薄膜的有效π-π堆积，其有机太阳能电池器件的开路电压达到了0.936v的超高水平。

25、进一步的，通过添加少量非卤代添加剂对px进一步控制相区尺寸大小，有效地促进了d18在液-液(l-l)相分离之前的沉淀析出，并部分保留了l8-bo的强π-π堆积聚集。形成了一个“理想”的薄膜微观结构，整个薄膜均匀性较好，相分离尺寸适中，给受体界面数量多，有利于电荷的传输和激子的解离；由具有纳米级域和良好π-π堆积的双连续相分离网络组成，由混合非卤代溶剂处理得到的最佳形态，其电荷载流子动力学显著延长，激子解离和电荷传输增强。因此获得了17.50％的光电转换效率，比单一cs2和卤代溶剂cf处理的15.48％和17.11％更高。该工作为解决非卤代osc的高效率制备问题提出了一种全新的策略，加快了其向工业化转变的进程。

26、本发明还公开了一种基于非卤代混合溶剂策略制备的非富勒烯有机太阳能电池，该电池器件通过旋涂法制备，具有优异的光电转换效率。

技术特征：

1.一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，溶质中有机高分子给体d18和非富勒烯电子受体l8-bo的质量比为1:(1～2)。

3.根据权利要求1所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，共混溶液的浓度为5～20mg·ml–1。

4.根据权利要求1所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，溶剂中二硫化碳和对二甲苯的混合体积比为(90～100):(1～10)。

5.根据权利要求1所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，共混溶液将溶质和溶剂在手套箱中混合后，在30～50℃下搅拌1～3h。

6.根据权利要求1所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，将共混溶液旋涂在空穴传输层上，转速为600-3000rpm。

7.根据权利要求1所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，退火温度为50-200℃，退火时间为0-120min。

8.根据权利要求一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，光活性层的制备过程为，将混合溶液以1200rpm的转速旋涂在空穴传输层上；

9.一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池，其特征在于，光活性层的厚度为50nm～300nm之间。

技术总结
本发明公开了一种基于非卤代混合溶剂的非富勒烯有机太阳能电池及其制备方法，该制备方法使用二硫化碳(CS<subgt;2</subgt;)、对二甲苯(PX)混合非卤代溶剂配制配制聚合物给体/非富勒烯小分子受体共混溶液，通过调控溶剂比例得到最佳的溶剂配方，使用旋涂法制备出高质量的有机活性层共混薄膜，该方法通过在主体溶剂CS<subgt;2</subgt;中引入高沸点对有机高分子给体的溶解度较低的溶剂PX，分别调控有机高分子给体和非富勒烯小分子受体在溶液中和成膜过程中的有序聚集，再辅以活性层薄膜的后处理调控，以实现非卤代溶剂加工有机太阳能电池光电转换效率的提升，进而推动非卤代溶剂加工有机太阳能电池走向工业化生产和商业化应用。

技术研发人员：丁自成,苏月羚,赵奎,刘生忠
受保护的技术使用者：陕西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13