一种半透明有机太阳电池制造技术

本发明专利技术公开了一种半透明有机太阳电池。该电池其包括透明阴极和光活性层，其中，所述半透明有机太阳电池的光活性层中，包括固体添加剂，所述光活性层中，电子给体材料的质量占光活性层材料质量的30％以下；所述固体添加剂能够显著提高半透明有机太阳电池的光电转换效率，具有广阔的商业化应用前景。具有广阔的商业化应用前景。具有广阔的商业化应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种半透明有机太阳电池


[0001]本专利技术涉及有机光电器件
，具体涉及一种半透明有机太阳电池。

技术介绍

[0002]高效利用太阳能并对传统化石能源进行替代是减少温室气体排放的重要途径。有机太阳电池具有轻质、柔性、低成本以及可溶液加工等特质，具有广泛的研究和应用价值。伴随新材料的开发和利用，有机太阳电池的光电转换效率已经超过19％(Adv.Mater. 2021,33,2102420)，显示了巨大的商业化前景。
[0003]与普通的有机太阳能电池相比，半透明有机太阳电池能够同时具备能量转化、光透过、隔热等功能，可被广泛集成于建筑外墙、交通工具视窗、农业大棚等领域，具有更广阔的商业化价值。协调可见光透过率与能量转换效率之间的矛盾是实现半透明有机太阳电池商业化的必经之路。而当前协调这一矛盾的方法主要有两种：一是开发新的电子给体材料和电子受体材料(Adv.Mater.2019,31,1807159)，这一方法可以通过材料的结构设计对器件的透过光谱进行调节，但新材料的开发往往需要花费大量时间成本和人力成本；另一方法是在有机太阳电池器件中引入增透膜、Fabry
‑
P
é
rot电极或者介电材料/金属/介电材料(DMD)等结构 (Joule,2019,3(9):2241
‑
2254)，这些结构可以对器件的光学性能(如透过率、显示指数、自然指数等)进行调控，但这些额外结构的引入需要对器件布局进行精心设计并通过热蒸镀等方法进行加工，不利于大规模生产加工。
[0004]在有机太阳电池中，光活性层的吸收光谱是由电子给体材料与电子受体材料所决定的，而降低宽带隙电子给体材料的含量就可以方便地降低光活性层对可见光光子(380
‑
740nm) 的吸收，进而提高有机太阳电池的透过率。半透明有机太阳能电池之所以能够有望被应用于建筑外墙及屋顶、交通工具视窗等场景，主要是因为其具有优异的可见光透过性能。因此，如何通过简单的方法提高半透明有机太阳能电池的透过率显得至关重要。例如有研究者将电子给体材料与电子受体材料的质量比由1.2:1.5改变至0.8:1.5，可以将半透明太阳电池的可见光透过率从23.7％增加至27.1％(J.Mater.Chem.A,2019,7,7025
‑
7032)。然而，直接减少光活性层中电子给体材料的含量，往往会导致电池在工作中载流子传输失配、空间电荷效应、额外的载流子复合等问题，进而降低能量转化效率。例如，有研究者将PM6:Y6的光活性层中的电子给体材料质量比从45％降低至20％时，电池的能量转换效率从14.3％降低至了11.4％ (J.Phys.Chem.Lett.2021,12,20,5039
‑
5044)。在有机太阳电池的光活性层中引入添加剂，是提高太阳电池能量转换效率十分普遍的方法，因此也可以被用来提高半透明有机太阳电池的性能。例如，有研究者在PCE10和IEICO
‑
4F的质量比为1:1.5时，加入1,10
‑
癸二醇，可将太阳电池的光电转换性能从9.08％提高至11.64％(J.Mater.Chem.A,2019,7,7437
‑
7450)。
[0005]但值得注意的是，这些添加剂均只能在电子给体材料质量占光活性层总质量的质量比大于0.3时提高能量转换效率，对器件性能的提升存在一定局限性。因此，寻找新型的添加剂材料，能够在有机太阳电池中电子给体材料质量占光活性层总质量的质量比小于
0.3时显著提升电池的能量转化效率，就可以通过较为简单的方法提高电池可见光透过率的同时实现高能量转换效率。进一步，添加剂材料的引入如果能够避免单独设置阳极缓冲层，这对于促进半透明太阳电池商业化具有实际应用价值。

技术实现思路

[0006]为了克服目前技术中所存在的缺点和不足，本专利技术公开了一种用于提高半透明有机太阳电池，其在给体材料质量占光活性层总质量的质量比小于0.3时，通过加入固体添加剂，可以显著地提高有机太阳电池的能量转换效率；同时，该固体添加剂的引入能够克服单独设置阳极缓冲层这一器件结构的局限，进一步地获得高可见光透过率和高效率的半透明有机太阳电池，具有实际应用价值。
[0007]本专利技术的术语“半透明有机太阳电池”，是指同时具备透光功能与能量转换功能的有机太阳能电池。
[0008]本专利技术的术语“光活性层”，是指包括电子给体材料和电子受体材料的成分，溶于溶剂，经物理共混后，旋涂所形成的混合物的成膜态。
[0009]本专利技术的术语“透明阴极”，是指厚度为5nm至100nm的金属材质的电极。
[0010]本专利技术的术语“电子给体材料”，是指具有共轭结构的有机p型半导体材料，其在光活性层中给出电子。
[0011]本专利技术的术语“电子受体材料”，是指具有共轭结构的有机n型半导体材料，其在光活性层中获得电子。
[0012]本专利技术的术语“阳极缓冲层”，是指有机太阳电池中，介于阳极材料与光活性层材料之间的缓冲层，具有传输空穴的功能。
[0013]本专利技术的术语“阴极缓冲层”，是指有机太阳电池中，介于阴极材料与光活性层材料之间的缓冲层，具有传输电子的功能。
[0014]本专利技术旨在提供一种半透明有机太阳电池，其包括透明阴极和光活性层，
[0015]其中，所述半透明有机太阳电池的光活性层中，包括固体添加剂，
[0016]所述光活性层中，电子给体材料的质量占光活性层材料质量的30％及以下；
[0017]电子给体材料的质量占光活性层材料质量的比值，可以但不限于30％、25％、20％、15％、 10％、9％、8％、7％、6％、5％，或5％以下。
[0018]所述固体添加剂具有如下结构通式：
[0019][0020]所述R
x
为含有一个或多个基团的烷基衍生物；
[0021]所述R
y
和R
z
选自氢原子、烷氧基、烷基中的一种或多种。
[0022]本固体添加剂中含有具有良好导电性的咔唑单元，当固体添加剂与含有π
‑
π共轭结构的材料进行共混时，电荷可在咔唑单元与π
‑
π共轭结构之间进行传输，而常见的电子给
体材料和电子受体材料中均具有芳香共轭的结构单元，因此本固体添加剂可普遍作用于常见的有机太阳能电池光光活性层，而不对电子给体材料和电子受体材料的具体分子结构进行限制，并提高其导电性。
[0023]进一步地，所述透明阴极，选自铝电极、铜电极、金电极、银电极、复合电极中的一种。
[0024]本专利技术所述的复合电极，包括但不限于，铝铜合金电极、铝金合金电极、铝银合金电极、金铜合金电极、银铜合金电极、金银合金电极等两元金属共混电极；以及金银铜合金电极、金银铝合金电极、铝银铜合金电极等三元金属共混电极；以及四元或更多元金属共混电极。所述共混，其可以是不同金属之间通过熔融后，所形成的均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半透明有机太阳电池，其特征在于，所述半透明有机太阳电池的结构中，包括透明阴极和光活性层，其中，所述半透明有机太阳电池的光活性层中，包括固体添加剂，所述光活性层中，电子给体材料的质量占光活性层材料质量的30％及以下；所述固体添加剂具有如下结构通式：所述R
x
为含有一个或多个基团的烷基衍生物；所述R
y
和R
z
选自氢原子、烷氧基、烷基中的一种以上。2.根据权利要求1所述半透明有机太阳电池，其特征在于，所述透明阴极，选自铝电极、铜电极、金电极、银电极、复合电极中的一种。3.根据权利要求1所述半透明有机太阳电池，其特征在于，所述光活性层为共混物，所述共混物包括电子给体材料、电子受体材料和固体添加剂。4.根据权利要求3所述半透明有机太阳电池，其特征在于，所述电子给体材料选自聚合物类电子给体材料、小分子类电子给体材料的一种以上；所述电子受体材料选自富勒烯类电子受体材料、聚合物类电子受体材料、小分子类电子受体材料中的一种以上。5.根据权利要求4所述半透明有机太阳电池，其特征在于，所述电子给体材料包括基于特定单元A的共轭聚合物或小分子；其中，所述特定单元A选自下列结构的一种或多种：
其中，所述R1‑
R6，独立地选自碳原子数为1
‑
40的烷基，或者碳原子数为1
‑
40的烷基衍生物；所述烷基衍生物上的一个或多个碳原子，被氢原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种所取代；和/或，所述烷基衍生物上的一个或多个氢原子，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄飞，景建华，张凯，董升，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：