一种光电活性层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种光电活性层及其制备方法和应用，所述光电活性层包括p型聚合物给体材料、n型非富勒烯受体材料和p型有机共轭小分子给体材料。本发明专利技术通过将有机共轭小分子给体材料引入聚合物给体材料非富勒烯材受体材料体系构建三相体光电活性层结构，进一步形成太阳能电池，通过第三组份材料与主体给体/受体材料之间互溶性的调控，实现对三相体体系光电活性层材料的聚集特性、能量无序度以及能量损失等进行调控，进而达到同时降低带隙宽度和开路电压损失的目的。进一步提升有机薄膜太阳能电池能量转化效率。池能量转化效率。池能量转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种光电活性层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及太阳能电池
，尤其涉及一种光电活性层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]有机太阳能电池(OSC)因为其可溶液加工，可柔性、大面积制备，质量轻等特点吸引着广泛的关注，是绿色清洁能源供给的重要选项。近年来，稠环非富勒烯受体(例如Y6系列分子)等窄带隙材料研究的快速发展，加快了有机太阳能电池器件能量转化效率提升的速度。
[0003]现有技术中，如C.Li,J.Zhou,J.Song,J.Xu,H.Zhang,X.Zhang,J.Guo,L.Zhu,D.Wei,G.Han,J.Min,Y.Zhang,Z.Xie,Y.Yi,H.Yan,F.Gao,F.Liu,Y.Sun,Nat.Energy.2021,6,605，以有机聚合物作为给体、非富勒烯作为受材料制备的有机太阳能器件的能量转化效率已经提升到18％以上；相比而言，以有机小分子作为给体材料的有机太阳能电池器件性能虽稍微滞后，但目前报道的最佳能量转化效率也超过了16％，如L.Zhang,X.Zhu,D.Deng,Z.Wang,Z.Zhang,Y.Li,J.Zhang,K.Lv,L.Liu,X.Zhang,H.Zhou,H.Ade,Z.Wei,Adv.Mater.2022,34,2106316.。
[0004]相对于二元器件，三元体系的合理设计将单结有机太阳能电池器件的能量转化效率进一步提升，目前报道的最佳三元有机太阳能电池器件的能量转化效率也提升到接近19％，如L.Zhan,S.Li,Y.Li,R.Sun,J.Min,Z.Bi,W.Ma,Z.Chen,G.Zhou,H.Zhu,M.Shi,L.Zuo,H.Chen,Joule 2022,6,1
–
14；S.Bao,H.Yang,H.Fan,J.Zhang,Z.Wei,C.Cui,Y.Li,Adv.Mater.2021,33,2105301.。
[0005]迄今为止，有机太阳能电池器件的短路电流(J
sc
)和填充因子(FF)已经达到了Shockley
‑
Queisser(SQ)极限的80％和90％以上，只有开路电压(V
oc
)值低于SQ极限的80％。进一步实现开路电压和短路电流的同时提升，对于有机太阳能电池器件的能量转化效率的突破意义重大。
[0006]基于Y6系列非富勒受体材料已经将光谱利用范围拓宽到了近红外区域，显著提高了有机太阳能电池活性层对光子收集能力。然而带隙的降低意味着给体材料的最高占据分子轨道(HOMO)能级和受体材料的最低未占分子轨道(LUMO)能级差的下降，这将导致器件的开路电压的降低。因此，利用降低有机光伏材料的带隙来提升器件的J
sc
是存在限制的，其与V
oc
的增长之间的相互竞争，是限制有机太阳能电池器件效率进一步提升的障碍。如果能够在现有的高效率窄带隙有机光伏材料体系中实现带隙进一步降低，同时不损失、甚至提升器件的V
oc
，对于突破有机光伏材料带隙限制、进一步提升OSC器件的能量转化效率至关重要。但是如何在同一体系中实现活性层材料带隙和V
oc
损失的同时降低是个难题，目前尚无有效的策略被报道。
[0007]综上所述，开发一种在同一体系中实现带隙和V
oc
损失的同时降低的活性材料至关重要。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种光电活性层及其制备方法和应用，所述通过将有机共轭小分子给体材料引入聚合物给体材料非富勒烯材受体材料体系构建三相体光电活性层结构，进一步形成太阳能电池，通过第三组份材料与主体给体/受体材料之间互溶性的调控，实现对三相体体系光电活性层材料的聚集特性、能量无序度以及能量损失等进行调控，进而达到同时降低带隙宽度和开路电压损失的目的。进一步提升有机薄膜太阳能电池能量转化效率。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种光电活性层，所述光电活性层包括p型聚合物给体材料、n型非富勒烯受体材料和p型有机共轭小分子给体材料。
[0011]本专利技术中，光电活性层属于三相体系活性层，包括两种p型有机半导体材料和一种n型非勒烯衍生物组成，具备所述三相体活性层结构的太阳能电池器件的活性层材料带隙和开路电压损失同时降低，器件的能量转化效率明显提高。原因在于，在传统的聚合物给体/双受体体系的三元有机太阳能电池体系中，两种受体材料较好的互溶性将导致三元体系的EQE带边通常由两个受体中更窄带隙材料的带边决定，具有较宽带隙的第二种非富勒烯受体比例的增加甚至有可能使得三元体系的EQE带边蓝移。这不利于三元体系中V
oc
损失降低的同时活性层材料带隙的降低(即EQE曲线带边的红移)。对比于聚合物给体/双受体体系，本申请的双给体材料/非富勒受体材料的三元体系为器件活性层带隙的进一步降低提供了可能，其对于非富勒烯受体材料聚集状态的调节能导致三相体系器件活性层材料的吸收带边发生红移，进而实现器件短路电流的提升；同时优化活性层内分子排列有序度、调控体系的电荷转移态，降低器件的能量损失，能实现短路电压的协同提升。最终实现有机太阳能电池效率的进一步突破。
[0012]本专利技术中，所述p型聚合物给体材料包括但不限于D
‑
A型的聚合物。
[0013]优选地，所述p型聚合物给体材料包括PM6、PTQ10、PM7、PM7
‑
Si或PB
‑
2F中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：PM6和PTQ10的组合，PM7、PM7
‑
Si和PB
‑
2F的组合，PTQ10、PM7、PM7
‑
Si和PB
‑
2F的组合等。
[0014]本专利技术中，上述p型聚合物给体材料的结构式如下：
[0015][0016]优选地，所述n型非富勒烯受体材料包括Y6、Y6的衍生物、L8BO、QX1、QX2、BTP
‑
eC9、BTP
‑
S9、m
‑
BTP
‑
Phc6、BTP
‑
4Cl或BTP
‑
S14中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：Y6、Y6的衍生物和L8BO的组合，L8BO、QX1、QX2和BTP
‑
eC9的组合，BTP
‑
S9、m
‑
BTP
‑
Phc6、BTP
‑
4Cl、BTP
‑
S9和BTP
‑
S14的组合等，进一步优选为Y6、L8BO、QX1或QX2中的任意一种或至少两种的组合。
[0017]本专利技术中，上述n型非富勒烯受体材料的结构式如下：
[0018][0019本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电活性层，其特征在于，所述光电活性层包括p型聚合物给体材料、n型非富勒烯受体材料和p型有机共轭小分子给体材料。2.根据权利要求1所述的光电活性层，其特征在于，所述p型聚合物给体材料包括PM6、PTQ10、PM7、PM7
‑
Si或PB
‑
2F中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的光电活性层，其特征在于，所述n型非富勒烯受体材料包括Y6、Y6的衍生物、L8BO、QX1、QX2、BTP
‑
eC9、BTP
‑
S9、m
‑
BTP
‑
Phc6、BTP
‑
4Cl或BTP
‑
S14中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的光电活性层，其特征在于，所述p型有机共轭小分子给体材料包括BTID
‑
2F、ZR1、P
‑
PhS、M
‑
PhS、BTR
‑
CL、M
‑
PhI、M
‑
PhI
‑
F、M
‑
PhI
‑
2F、P
‑
PhI、P
‑
PhI
‑
F或P
‑
PhI
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚杰，闫阳珺，魏志祥，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：