基于紫外吸收剂添加的光活性层及三元有机太阳能电池制造技术

本发明专利技术涉及一种基于紫外吸收剂添加的光活性层及三元有机太阳能电池。本发明专利技术的光活性层，以重量计：包括紫外吸收剂5‑20份、电子给体材料36‑43份和电子受体材料43‑52份。本发明专利技术的光活性层以紫外吸收剂作为第三组分，增强了光活性层吸收光子的能力，改善了给、受体分子的堆积，增强了其结晶性，且优化了活性层的形貌，从而提升了电池器件的光电转换性能，本发明专利技术所制备的三元有机太阳能电池具有良好的热稳定性和存储稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于紫外吸收剂添加的光活性层及三元有机太阳能电池
本专利技术涉及有机太阳能电池领域，尤其涉及一种基于紫外吸收剂添加的光活性层及三元有机太阳能电池。
技术介绍
随着全球能源需求的急剧增长，能源问题已经成为21世纪全球可持续发展所面临的主要挑战之一，由于太阳能具有清洁、无污染、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，太阳能在所有的绿色可再生能源中占有很重要的地位。自上世纪以来，研究者们就开始致力于将太阳能转换成电能的研究，太阳能光伏发电解决能源危机也因此成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前，根据组成太阳能电池的光活性层材料的不同，人们将太阳能电池分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。根据太阳能电池研究技术的发展，太阳能电池的发展主要经历了以下阶段：第一代太阳能电池：基于晶体硅的太阳能电池。随着技术的不断发展，目前硅基太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经超30％，可以实现大面积工业生产。但由于其高昂的生产成本限制了其进一步广泛地应用；第二代太阳能电池主要基于无定形和多晶硅以及金属硫属元素化合物和其他类似的薄膜吸收剂。尽管这种电池的能量转化效率通常低于第一代太阳能电池所达到的水平，但第二代太阳能电池的生产成本远低于比第一代太阳能电池，因此产生的经济效果非常显著，这使得薄膜光伏技术开始备受关注。但由于第二代太阳能电池的光活性层材料如碲化镉或砷化镓的毒性以及铟和镓世界产量的预期短缺问题也限制了其长期使用。第三代太阳能电池主要包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池(OSCs)、钙钛矿型太阳能电池以及量子点太阳能电池等。其中有机太阳能电池由于其器件制备工艺简单、质量轻、成本低，可制备柔性、半透明器件等独特优势成为研究者们广泛关注的热点。传统OSCs由聚合物给体和富勒烯受体共混作为光吸收活性层，但由于富勒烯受体材料吸光能力较弱且带隙可调控性差，导致器件能量转换效率较低。与富勒烯受体相比，非富勒烯受体材料的结构差异大，带隙可调节空间大，在光谱吸收、能级调控以及光化学稳定性等方面均表现出巨大的优势。随着有机太阳能电池光活性层材料的设计合成以及器件制备工艺的创新研究，基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池(OPVs)器件效率不断取得突破，其单结器件的能量转换效率已超越18％。目前，体异质结有机太阳能电池被广泛研究。单结体异质结有机太阳能电池的光活性层材料主要由一种电子给体和一种电子受体材料组成。然而，基于二元共混体系活性层的OSCs存在吸收相对较窄只能利用部分太阳光谱的缺点，材料的“窄吸收”特性制约了OPVs性能的进一步突破。为了更充分地利用太阳光谱，研究者们将吸收光谱互补的至少两个活性层串联，制备了叠层OSCs，进一步地提高了有机太阳能电池的能量转换效率。但是，叠层器件制备过程相对单结器件更为复杂且成本很高，从而限制了叠层器件的实际生产应用。而三元策略，即在二元共混活性层中引入吸收互补的第三组分，能够增强光活性层的光吸收，从而提高短路电流密度，同时兼顾了单结体异质结有机太阳能电池器件制备工艺简单和叠层器件对光子的较强捕获能力的优势，是提升有机太阳能电池器件性能行之有效的方法之一。在三元有机太阳能电池中，第三组分具有重要的作用，第三组分的引入不仅能够拓宽光活性层吸收光谱，更充分地吸收太阳光子，从而提升电流(Jsc)，而且还有其他重要作用。例如，优化活性层形貌，促进激子更加有效地解离和电荷的传输，从而进一步提高有机太阳能电池的能量转换效率。此外，通过第三组分的引入还可以有效地提升器件稳定性。尽管基于三元有机太阳能电池的PCE已经超过了18％，已经基本满足商业化生产对有机太阳能电池能量转换效率的基本要求，但仍然存在一些问题，限制了其实际的生产应用的实现：(i)目前所报道的大多数三元有机太阳能电池工作中，第三组分材料通常需要复杂的设计与合成，这无疑进一步增加了器件制备的成本。(ii)目前所报道的大多数单结有机太阳能电池(PCE>17％)需要溶剂添加剂及热退火的后处理。一般来说，器件性能对于溶剂添加剂的含量是及其敏感的，而这是不利于大面积器件的制备的。并且后退火的处理也进一步增加了器件制备的工艺的步骤。目前，不需要任何处理(as-cast)的高效有机太阳能电池的相关报道远远少于溶剂添加剂加工及热退火后处理的有机太阳能电池器件的相关报道，因此，对于如何进一步提高as-cast有机太阳能电池的能量转换效率需要进一步深入研究。(iii)根据目前报道的文献，基于PM6:Y6制备的大部分三元器件中，引入第三组分提升器件效率(PCE>17％)的同时并不能够有效地提高器件稳定性。因此，这些问题的存在对三元器件中的第三组分材料的选择及高效稳定的三元有机太阳能电池的制备提出了更加严格的要求。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于紫外吸收剂添加的光活性层及三元有机太阳能电池，本专利技术的光活性层以紫外吸收剂作为第三组分，增强了光活性层吸收光子的能力，改善了给、受体分子的堆积，增强了其结晶性，且优化了光活性层的形貌，有效地提高器件的电流(Jsc)和填充因子(FF)，从而提升了电池器件的光电转换性能，本专利技术所制备的三元有机太阳能电池具有良好的热稳定性和储存稳定性。本专利技术的第一个目的是提供一种光活性层，以重量计：包括紫外吸收剂5-20份、电子给体材料36-43份和电子受体材料43-52份。优选地，以重量计，光活性层包括紫外吸收剂10份、电子给体材料41份和电子受体材料49份。在光活性层中加入紫外吸收剂，拓宽了活性层的吸收光谱，并且由于紫外吸收剂和电子给体材料之间存在有效的能量转移，从而可以有效地提高电流(Jsc)。此外，紫外吸收剂的加入显著地改善了给受体分子的堆积同时增强了其结晶性，优化了活性层的形貌，有利于电荷的传输和载流子迁移率的提高，从而提升了电池器件的光电转换性能。进一步地，紫外吸收剂的含量过低，其对器件性能的改善作用发挥不明显；当其含量过高时，会造成活性层相分离过大，破坏活性层形貌，不利于激子的解离和电荷的传输，从而不利于提升器件性能。进一步地，紫外吸收剂吸收250-400nm波段范围的紫外光。进一步地，紫外吸收剂包括二苯甲酰甲烷(DBM)。进一步地，电子给体材料包括PM6、PM7中的一种或几种。进一步地，电子受体材料包括N3、Y6或BTP-4Cl。PM6、PM7、BTP-4Cl、N3和Y6的结构式依次如下：其中，R＝乙基己基、本专利技术中，对电子给体材料和电子受体材料的种类没有特别的限制，只要满足能级匹配和相容性的要求，能够组装成太阳能电池即可，进一步地，从提高电池器件的光电转换性能和寿命的角度考虑，电子给体材料优选PM6，电子受体材料优选为Y6。进一步地，光活性层的厚度为80-120nm，优选为95-100nm。具有该厚度范围的光活性层的电池器件，具有较高的能量转换效率。本专利技术的第二个目的是提供一种三元有机太阳能电池，包括本专利技术的上述光活性层。本专利技术对包含光活性层的电池器件的构型没有特别的要求，可以组装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光活性层，其特征在于，以重量计：包括紫外吸收剂5-20份、电子给体材料36-43份和电子受体材料43-52份。/n

【技术特征摘要】
1.一种光活性层，其特征在于，以重量计：包括紫外吸收剂5-20份、电子给体材料36-43份和电子受体材料43-52份。


2.根据权利要求1所述的光活性层，其特征在于：所述紫外吸收剂吸收250-400nm波段范围的紫外光。


3.根据权利要求1所述的光活性层，其特征在于：所述紫外吸收剂包括二苯甲酰甲烷。


4.根据权利要求1所述的光活性层，其特征在于：所述电子给体材料包括PM6和/或PM7。


5.根据权利要求1所述的光活性层，其特征在于：所述电子受体材料包括N3、Y6和BTP-4Cl中的一种或几种。


6.根据权利要求1所述的光活性层，其特征在于：所述光活性层的厚度为80-120nm。

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【专利技术属性】
技术研发人员：张茂杰，林吉，郭青，国霞，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32