一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池及制备方法。该有机太阳电池依次包括层叠的衬底、透明电极、电子传输层、活性层、空穴传输层以及背电极；所述活性层为结晶聚合物充当给体、非富勒烯小分子充当受体的二元共混物，活性层厚度为100nm～300nm。本发明专利技术通过改变上述各层的层叠顺序，调节电池器件结构，可改变厚膜电池器件中电子和空穴分别传输到阴极和阳极被收集过程中的传输距离。本发明专利技术制备的有机太阳能电池的功率转化效率对活性层的厚度不敏感，在活性层厚度为100nm到300nm时，其器件的功率转化效率都能保持9％左右。这为开发出更多高效的厚膜非富勒烯太阳电池提供了一种简单的策略和理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池及制备方法
本专利技术属于光电器件领域，具体涉及一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池及制备方法。
技术介绍
能源作为人类生存和发展所不可或缺的重要因素之一，一直以来都备受人们的重视。而光伏技术作为一种能将取之不尽用之不竭的太阳光转化为电能的方法更是受到了广泛的关注。目前基于硅等无机材料的光伏技术也已经得到了广泛的应用。但是无机硅太阳电池由于其使用材料与微电子工业材料有直接竞争，且材料具有毒性以及生产这些材料需要的仪器和真空加工过程会造成高的生产成本，以及它们较重的质量产生较高的安装成本，因此具有较大的生产限制。近些年来基于共轭聚合物和小分子的有机太阳电池由于具有一系列独特的优势，可以作为弥补无机光伏短板的新技术而备受关注。有机太阳电池具有质量轻、光伏材料性质可调范围宽、可溶液加工、可实现半透明、柔性器件以及可采用卷对卷印刷工艺大面积生产等性质使其具有优异电性能、组分多功能化和较低的生产和安装成本等特点。这很好地克服无机硅太阳能电池面临的部分问题，与无机硅太阳能电池形成优势互补，两者的结合将拓宽太阳能电池的实际应用领域。产品可广泛应用于移动设备、可穿戴式电子产品、汽车等设备的移动充电装置、以及发电式建筑等领域。近几年新型非富勒烯受体的开发更是大大地促进了有机太阳电池领域的快速发展。相比于富勒烯，非富勒烯具有更强的吸收，且能级可以大幅度调节，能与更多不同的给体材料进行很好的匹配，在调控好给受体共混形貌的前提下，非富勒烯的电池器件效率具有更大的发展潜力。目前，非富勒烯受体的发展主要以ITIC类的小分子为主。其最早是北京大学占肖卫教授课题组开发的[Adv.Mater.2015,27,1170–1174]，随后中国科学院化学研究所候剑辉教授课题组通过选用吸收与ITIC互补的聚合物PBDB-T为给体且进行器件优化，最终获得超过11％的效率[Adv.Mater.2016,28,4734-4739]。之后，该领域得到了快速的发展，很多课题组报道了基于ITIC类小分子受体的高效有机太阳电池[NatureMaterials,2018,17,119]。最近候剑辉教授课题组[Adv.Mater.2018,1800868]、苏州大学李永舫院士和张茂杰教授课题组[NanoEnergy,2018,48,413–420]、以及英国帝国理工大学MartinHeeney教授课题组[Adv.Mater.2018,1705209]都报道了效率13％以上的非富勒烯有机太阳电池。目前，虽然非富勒烯有机太阳电池的效率得到了大幅度的提高，但其要产业化还需解决器件稳定性和大规模生产工艺等问题。其中大面积生产时对器件中吸活性层的成膜要求较高，因为对于有机太阳电池来说吸活性层的活性一般在100nm左右，且其大部分有机太阳电池体系的器件性能受活性层厚度影响较大。因此，如果能研发出器件性能对活性层厚度不敏感的有机太阳电池体系(也称有效厚膜器件)的话，可以一定程度地减小对工艺控制的要求和提高器件产品的良率，从而节约成本。然而目前能实现高效厚膜器件的非富勒烯电池的报道还甚少，少数几个报道的非富勒烯电池随着活性层厚度的增加，器件的填充因子和效率都有不同程度的下降[Adv.Mater.2018,30,1704546]。其主要原因是ITIC类的小分子受体的电子迁移率相对较低，一般都在10-5到10-3cm2V-1s-1(富勒烯的电子迁移率约为10-3cm2V-1s-1)。而且这少数几个报道的体系只是观察到器件性能随着活性层厚度增加下降的幅度比大部分体系的要小而已，并没有报道开发出一种实现有效厚膜器件较为通用的方法和策略。因此，为了满足有机太阳电池日后产业化大面积生产方式需求，就需要开发出实现高效厚膜非富勒烯太阳电池的方法和策略。
技术实现思路
为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，该有机太阳电池在活性层厚度为100nm到300nm之间时，都能保持9％左右的功率转化效率。本专利技术的另一目的在于提供一种实现上述基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池的制备方法。该厚膜有机太阳电池通过简单地调控器件结构改变器件中光场分布来实现。这为开发出更多高效的厚膜非富勒烯太阳电池提供了一种简单的策略和理论指导。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，依次包括层叠的衬底、透明电极、电子传输层、活性层、空穴传输层以及背电极；所述活性层为结晶聚合物充当给体、非富勒烯小分子充当受体的二元共混物，活性层厚度为100nm～300nm。所述的结晶聚合物的结构式如式(1)所示：其中n为1～10000的自然数，R1和R2均为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，R1和R2可相同可不同。所述的非富勒烯小分子的结构式如式(2)所示：其中R为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团。所述活性层是通过溶液加工制得：把给体材料和受体材料按质量比1:10～10:1混合，溶于有机溶剂后，通过涂覆形成活性层。所述电子传输层为氧化锌(ZnO)，厚度为20～40nm。所述空穴传输层为氧化钼(MoO3)，厚度为8～15nm。所述衬底为透明玻璃或塑料(如PET或PEN)。所述透明电极为氧化铟锡导电膜(ITO)或掺杂二氧化锡(FTO)，厚度为100～200nm。所述背电极为铝(Al)或银(Ag)，厚度为80～120nm。本专利技术所述的有机太阳电池，其功率转化效率对活性层的厚度不敏感，适用于卷对卷大规模生产工艺。上述基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池制备方法，包括以下步骤：(1)清洗涂覆有透明电极层的衬底并干燥；(2)在ITO层上旋涂电子传输层，厚度为20～40nm；于160～200℃退火处理20～30min；(3)将结晶聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料按照1:10～10:1的质量比进行混合，溶于溶剂中，形成混合溶液，50～120℃搅拌8～12h；然后将混合溶液旋涂于电子传输层上，得到厚度为100～300nm的活性层；(4)在活性层上真空热蒸镀厚度为8～15nm的空穴传输层；(5)在空穴传输层上真空热蒸镀厚度为80～120nm的背电极。一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池制备方法，包括以下步骤：(1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底并干燥；(2)将二乙基锌溶液旋涂于ITO层上并加热与空气和水反应生成ZnO作为电子传输层，厚度约为20～40nm，旋涂的转速为4000～6000rpm；置于160～200℃加热台退火处理20～30min；(3)将结晶聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料按照1:10～10:1的质量比进行混合，溶于邻二甲苯溶剂中，形成混合溶液，50～120℃搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，其特征在于，该有机太阳电池依次包括层叠的衬底、透明电极、电子传输层、活性层、空穴传输层以及背电极；所述活性层为结晶聚合物充当给体、非富勒烯小分子充当受体的二元共混物，活性层厚度为100nm～300nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，其特征在于，该有机太阳电池依次包括层叠的衬底、透明电极、电子传输层、活性层、空穴传输层以及背电极；所述活性层为结晶聚合物充当给体、非富勒烯小分子充当受体的二元共混物，活性层厚度为100nm～300nm。2.根据权利要求1所述的一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，其特征在于，所述的结晶聚合物的结构式如式(1)所示：其中n为1～10000的自然数，R1和R2均为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，R1和R2相同或不同。3.根据权利要求1所述的一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，其特征在于，所述的非富勒烯小分子的结构式如式(2)所示：其中R为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团。4.根据权利要求1所述的一种基于非富勒烯受体的厚膜有机太阳电池，其特征在于，所述活性层是通过溶液加工制得：把给体材料和受体材料按质量比1:10～10:1混合，溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶轩立，张桂传，
申请(专利权)人：华南协同创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44