一种有机太阳能电池、其活性层及其制备方法与流程

本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种有机太阳能电池、其活性层及其制备方法。

背景技术：

1、有机太阳能电池(oscs)是一种新型的太阳能电池器件。该类电池具有成本低、质量轻、可溶液加工、大面积印刷制备、可制备柔性及半透明器件等优点而备受研究者关注。近年来，随着高性能宽带隙聚合物给体和窄带隙非富勒烯受体的不断出现，单结有机太阳能电池光电转换效率(pce)已突破19％。

2、在有机太阳能电池的制备中，采用添加剂优化光活性层的微观形貌，对于提升其性能具有重要意义。目前，活性层形貌调控方法多样，其中添加剂策略是一种简单、有效的方法。根据添加剂物理性质的不同，添加剂可分为液体添加剂和固体添加剂。液体添加剂处理是一种简单且有效的方法，可以基于活性层材料的溶解性差异或延迟薄膜干燥来有效地调节活性层的相分离和分子取向，从而提高光伏性能。这些液体添加剂辅助的方法一直面临着用量敏感、加工条件严苛以及残留所导致的形貌退化等问题，严重降低器件稳定性和重现性，阻碍了其在光伏器件大规模生产中的进一步应用。因此，研究人员一直在寻找新的策略来解决这些问题。相较高沸点液体添加剂，可挥发固体添加剂具有添加量不敏感；不会残留，从而不影响器件稳定性等优点。固体添加剂具有优异的结构可调性和可加工性，被认为是这些溶剂辅助方法的有力竞争者。在过去的几十年里，人们已经为富勒烯oscs开发了多功能的固体添加剂，以同时提高器件的效率和稳定性。此外，具有理想形貌的体异质结(bhj)结构为实现高性能oscs奠定了基础。

3、北京化工大学谭占鳌教授和中国科学院化学研究所侯剑辉研究员团队设计了一类新的材料—具有高挥发性和强四极矩的小分子材料2,2′-(全氟-1,4-苯)二噻吩(dtbf)。并将该材料用作固体添加剂来精细调控有机太阳能电池的活性层形貌。研究表明，由于添加剂与活性层分子间较强的电荷-四极矩相互作用，添加剂的引入和挥发可以有效地诱导活性层分子紧密有序的分子堆积。然而，该添加剂dtbf中含有卤素(氟元素)，且添加剂的挥发需要经过110℃退火10分钟实现。随后，北京航空航天大学孙艳明教授团队报道了一种绿色、可挥发的固体添加剂，2-甲氧基萘(2-mn)，并成功应用于全聚合物太阳能电池中。当以pm6:py-dt为活性层时，基于2-mn的电池器件可以实现17.32％的光电转换效率优于未使用任何添加剂的器件(14.47％)以及以液体添加剂氯萘(1-cn)为添加剂的器件(16.61％)。然而，添加剂2-mn的去除同样需要高温退火处理(80℃/8分钟)。

4、综上所述，目前已报道的可挥固体添加剂多含卤素(有毒)；且通常添加剂的挥发需要经过高温退火处理实现，显然这不利于电池器件的大规模制备。因此急需开发一种绿色非卤且无需高温处理的可发挥固体添加剂。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种有机太阳能电池活性层。

2、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、一种有机太阳能电池活性层，其特征在于：所述有机太阳能电池活性层包括电子给体为聚合物pm6，电子受体为非富勒烯y6，其固体添加剂选用苯并噻吩，以调节活性层的相分离和形貌。

4、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

5、作为本发明的优选技术方案：给体pm6和受体y6质量比为1:1.2溶解于氯仿中生成a溶液，a溶液浓度为16mg/ml,固体添加剂苯并噻吩溶解于a溶液形成b溶液，b溶液浓度为10mg/ml。

6、作为本发明的优选技术方案：所述电子给体选用聚合物pm6，电子受体选用非富勒烯l8-bo或btp-ec9。

7、本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种有机太阳能电池。

8、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

9、一种有机太阳能电池，其特征在于：采用正置器件结构：ito电极/pedot:pss/活性层/pdinn/ag，其中pedot:pss和pdinn分别为阳极和阴极界面层，活性层以聚合物pm6为给体、非富勒烯y6为受体同时以苯并噻吩为固体添加剂制备而成。

10、本发明的第三个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种有机太阳能电池的制备方法。

11、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

12、一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

13、s1，对ito导电基底进行清洗，然后在ito导电基底上旋涂阳极界面层pedot:pss，厚度为30nm；

14、s2，活性层制备过程：给体pm6和受体y6按照质量比1:1.2溶解于溶剂氯仿中，形成浓度为16mg/ml的溶液，优化固体添加剂的浓度为10mg/ml，利用该混合溶剂制备有机太阳能电池光活性层；

15、s3，随后在活性层上面旋涂阴极界面层pdinn，厚度为5nm；

16、s4，将器件放置真空蒸镀设备中，在2×10-4pa的压强下蒸镀一层厚度100nm的ag电极。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的一种有机太阳能电池、其活性层及其制备方法，将绿色且易挥发的苯并噻吩作为固体添加剂，引入聚合物太阳能电池体系pm6:y6中，并经过系统优化添加剂的含量，从而得到电池最佳浓度，实现电池光伏性能的有效提升。具体地，通过将该固体添加剂引入聚合物太阳能电池体系pm6:y6中，并优化添加剂的含量，电池最佳浓度10mg/ml，使得pm6:y6的电池效率由15.58％提升至16.76％。随后，将该添加剂应用于聚合物太阳能电池体系pm6:l8-bo和pm6:btp-ec9中，同样实现电池效率的有效提升，苯并噻吩作为固体添加剂在实现有机太阳能电池的电池效率的提升上具有极好的普适性。

18、苯并噻吩是一种极易挥发的固体添加剂，在有机太阳能电池的活性层中引入该添加剂，苯并噻吩具有芳香稠环结构，能够与给、受体很好地混溶。在活性层成膜过程中，添加剂可以随着溶剂氯仿的挥发而挥发，从而改善活性层的相分离并调节给、受体的聚集行为，进而实现电池效率的提升。同时，该过程中无需高温退火等后处理工艺，效率提升的同时有效简化了电池的制备工艺，且有利于柔性器件的开发和制备，有效克服柔性基底不耐高温的问题。另外，苯并噻吩是一种有机化合物，分子中并不含有卤素，作为固体添加剂是一种新型绿色非卤固体添加剂，在正常使用和处理的过程中，不会对人体健康和环境造成危害。

19、本发明的一种有机太阳能电池、其活性层及其制备方法，通过在聚合物太阳能电池的活性层中引入绿色、易挥发固体添加剂，从而实现电池效率的有效提升，且该添加剂具有较好的普适性。

技术特征：

1.一种有机太阳能电池活性层，其特征在于：所述有机太阳能电池活性层包括电子给体为聚合物pm6，电子受体为非富勒烯y6，以固体添加剂苯并噻吩调节活性层的相分离和形貌。

2.如权利要求1所述的有机太阳能电池活性层，其特征在于：固体添加剂苯并噻吩溶解于氯仿形成a溶液，a溶液浓度为10mg/ml；给体pm6和受体y6质量比为1:1.2溶解于a溶液中生成b溶液，b溶液浓度为16mg/ml。

3.如权利要求1所述的有机太阳能电池活性层，其特征在于：所述电子给体选用聚合物pm6，电子受体选用非富勒烯l8-bo或btp-ec9。

4.采用权利要求1-3任意一项权利要求所述的有机太阳能电池，其特征在于：采用正置器件结构：ito电极/pedot:pss/活性层/pdinn/ag，其中pedot:pss和pdinn分别为阳极和阴极界面层，活性层以聚合物pm6为给体、非富勒烯y6为受体同时以苯并噻吩为固体添加剂制备而成。

5.如权利要求4所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明的一种有机太阳能电池、其活性层及其制备方法，所述有机太阳能电池活性层包括电子给体为聚合物PM6，电子受体为非富勒烯Y6，以固体添加剂苯并噻吩调节活性层的相分离和形貌。本发明的一种有机太阳能电池、其活性层及其制备方法，通过将该固体添加剂引入聚合物太阳能电池体系PM6:Y6中，并优化添加剂的含量，电池最佳浓度10mg/mL，使得PM6:Y6的电池效率由15.58％提升至16.76％。

技术研发人员：杜鹃,秦建强,吴林泽,胡智萍,张泽宇,程曦
受保护的技术使用者：国科大杭州高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17