一种三元有机太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三元有机太阳电池及其制备方法，三元有机太阳电池包括衬底和有机太阳电池元件，有机太阳电池元件依次包括阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极，所述活性层为一种结晶聚合物电子给体与两种非富勒烯小分子电子受体共混的受体层的组合，活性层的总厚度为50～200nm。本发明专利技术通过顺序沉积所制备的三元有机太阳电池相对于基于异质结制备的三元有机太阳电池，可简化获得高效三元有机太阳电池的关键问题即对活性层形貌的控制，同时又较大程度地保持给、受体层各自的结晶度来提高电荷的传输速率。

A ternary organic solar cell and its preparation method

The invention discloses a ternary organic solar cell and a preparation method thereof. The ternary organic solar cell comprises a substrate and an organic solar cell element. The organic solar cell elements in turn include an anode, a hole transport layer, an active layer, an electronic transport layer and a cathode. The active layer is a recipient of blending a crystalline polymer electron donor with two non-fullerene small molecule electron acceptors. The total thickness of active layer is 50-200 nm. Compared with ternary organic solar cells based on heterojunction, the three-component organic solar cells prepared by sequential deposition can simplify the key problem of obtaining high-efficiency ternary organic solar cells, that is, controlling the morphology of the active layer, while maintaining the crystallinity of the donor and recipient layers to a large extent to improve the charge transfer rate.

【技术实现步骤摘要】
一种三元有机太阳电池及其制备方法
本专利技术涉及有机光电器件
，特别涉及一种三元有机太阳电池及其制备方法。
技术介绍
当今世界随着经济的快速发展,能源问题越来越引起人们的重视。矿物燃料枯竭引起的能源危机，燃烧矿物燃料引起的室温效应使得地球环境面临着重大挑战，占地球总能量90％以上的太阳能逐渐进入人们视野，太阳能具有的分布广阔，获取方便，储量丰富的特点受到了众多科学学家的青睐,使得太阳能在解决严重的环境问题和世界今天面临的太阳能挑战方面发挥着关键作用，并促成了光伏技术的快速发展。有机太阳能电池高分子本体异质结光伏器件是一种近代才出现的新型半导体器件，它集中了多种优异特质于一身，诸如可以通过简易的溶液加工法制备成柔性、轻便、而且更加低廉的光电器件。近年来基于本体异质结的光伏电池，得到了迅速的发展，如基于非富勒烯受体的非富勒烯有机太阳能电池。为了进一步提升有机太阳电池的效率，可以采用叠层的方法和三元共混的方法来制备有机太阳电池器件，但相对于叠层工艺来说，三元共混是一种较为简便和有效的提升效率的策略。通过在原有的二元有机太阳电池中加入吸收互补的第三组分，可以是电子给体材料也可以是电子受体材料。从而使三元有机太阳电池的光电响应光谱拓宽，提高对太阳光谱的利用率，或者可以增强原来吸收较弱的光谱强度，从而提高短路电流，进而进一步提高有机太阳电池的效率。例如，中国科学院化学研究所的李永舫等人在基于电子给体J51和电子受体ITIC的二元有机太阳电池中，引入了第二个电子给体聚合物PTB7-Th，增强了650nm～750nm范围内的吸收，短路电流密度从16.47mA/cm2增加到17.75mA/cm2，PCE从9.26％提升到9.70％(Adv.EnergyMater.2017,7,1602215)。又如，中国科学院化学研究所的侯剑辉等人在基于电子给体PBDB-T和非富勒烯电子受体IT-M的二元有机太阳电池中，加入了宽带隙的富勒烯电子受体Bis[70]PCBM增强了原二元有机太阳电池在380nm～550nm处较弱的短波段的吸收，从而增强了外量子效率(EQE)，短路电流密度从二元电池的16.70mA/cm2提升到了17.30mA/cm2，PCE从10.80％提升到了12.10％(Adv.Mater.2017,29,1604059)。上述例子证明了三元共混是提升有机太阳电池效率的一个简便可行的方法。但是，基于本体异质结的三元有机太阳电池对加入的第三组分很敏感，形貌控制很难，所以设想通过加入光谱互补的第三组分或者增强迁移率的第三组分来提高有机太阳电池的效率往往并不能得到满意的结果，为了满足制备简便高效的有机太阳电池，就需要开发一种简化三元电池形貌控制的方法和策略。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种三元有机太阳电池，从而实现高效简便的策略制备高效的三元有机太阳电池。本专利技术的另一目的在于提供上述三元有机太阳电池的制备方法，所述的方法为顺序沉积法(Layer-by-Layer，以下简称LBL)，可较大程度地保持给、受体层各自的结晶度来提高电荷的传输速率，从而实现高效三元有机太阳电池。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种三元有机太阳电池，该三元有机太阳电池依次包括层叠的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极；所述的活性层依次包括层叠的电子给体层和电子受体层，所述的电子受体层由两种不同电子受体材料共混组成；所述电子给体层为结晶聚合物，所述结晶聚合物的结构式如式(1)所示：其中n为1～10000的自然数，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、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上官能团取代；所述电子受体材料为两种不同的非富勒烯小分子，所述非富勒烯小分子的结构为A-B-A结构，A为电子受体单元，B为稠环共轭电子给体单元，A选自以下结构中的一种：其中R1、R2和R3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、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代；B选自以下结构中的一种：其中R1和R2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、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代。优选的，所述活性层的厚度为50nm～200nm，所述活性层中的电子给体层的厚度为30～100nm。优选的，所述阳极为ITO，所述阳极的厚度为100～200nm。优选的，所述空穴传输层为PEDOT:PSS，所述空穴传输层的厚度为30～50nm。优选的，所述电子传输层为PFN-Br，所述电子传输层的厚度为3～5nm。优选的，所述阴极为Ag，所述阴极的厚度为80～120nm。优选的，所述衬底为透明玻璃。上述一种三元有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：(1)清洗涂覆有ITO层的玻璃衬底并干燥；(2)将PEDOT:PSS溶液旋涂于ITO层上作为空穴传输层，转速为3000～4000rpm，厚度为30～50nm；然后在140～160℃热退火处理10～20min；(3)将结晶聚合物溶于有机溶剂中配制得到浓度为8～10mgmL-1的给体溶液并进行加热搅拌，将给体溶液旋涂于空穴传输层上，制备得到厚度为30～100nm的电子给体层，将电子给体层在60～160℃条件下退火5～20min；将两种不同的非富勒烯小分子按照1％～99％：99％～1％的比例溶于有机溶剂中配制得到浓度为10～20mgmL-1的受体混合溶液并进行加热搅拌，将受体混合溶液旋涂在电子给体层上，制备厚度为20～100nm的电子受体层，然后在60～160℃条件下退火5～20min；(4)将PFN-Br旋涂于电子受体层上作为电子传输层，厚度为3～5nm；(5)在电子传输层上真空蒸镀厚为80～120nm的Ag阴极。优选的，在配制给体溶液时，所述给体溶液并进行加热搅拌中，所述加热的温度为80～100℃，所述搅拌的时间为10～12h。优选的，在配制受体混合溶液时，所述受体混合溶液并进行加热搅拌中，所述加热的温度为60～80℃，所述搅拌的时间为10～12h。优选的，在配制给体溶液时，所述的有机溶剂为氯苯、邻二氯苯、邻二甲苯和氯仿中的至少一种。优选的，在配制受体混合溶液时，所述的有机溶剂为氯苯、邻二氯苯、邻二甲苯和氯仿中的至少一种。优选的，在配制给体溶液和受体混合溶液时，还可加入高沸点添加剂。优选的，所述的高沸点添加剂为1,8-二典辛烷、1,8-二典辛酸、1-氯萘和二苯醚中的至少一种。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术通过使用顺序沉积制备三元有机太阳电池，提供了一种新颖的制备三元有机太阳电池的方法。(2)本专利技术中的基于顺序沉积制备三元有机太阳电池简化了三元共混的形貌控制，从而解决了三元有机太阳电池最大的形貌问题，同时又可较大程度地保持给、受体层各自的结晶度来提高电荷的传输速率，从而获得更高的器件效率。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元有机太阳电池，其特征在于，该三元有机太阳电池依次包括层叠的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极；所述的活性层依次包括层叠的电子给体层和电子受体层，所述的电子受体层由两种不同电子受体材料共混组成；所述电子给体层材料的结构式如式(1)所示：

【技术特征摘要】
1.一种三元有机太阳电池，其特征在于，该三元有机太阳电池依次包括层叠的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极；所述的活性层依次包括层叠的电子给体层和电子受体层，所述的电子受体层由两种不同电子受体材料共混组成；所述电子给体层材料的结构式如式(1)所示：其中n为1～10000的自然数，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、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上官能团取代；所述电子受体材料的结构为A-B-A结构，A选自以下结构中的一种：其中R1、R2和R3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、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代；B选自以下结构中的一种：其中R1和R2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、芳基和酯基中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上的一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上的官能团取代。2.根据权利要求1所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述活性层的厚度为50nm～200nm，所述活性层中的电子给体层的厚度为30～100nm。3.根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述阳极为ITO，所述阳极的厚度为100～200nm。4.根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层为PEDOT:PSS，所述空穴传输层的厚度为30～50nm。5.根据权利要求1或2所述的一种三元有机太阳电池，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶轩立，张桂传，任敏润，
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