一种用于逐层有机太阳能电池的宽带隙共轭聚合物添加剂制造技术

本发明专利技术涉及一种应用于逐层有机太阳能电池的宽带隙共轭聚合物添加剂，其特征是分子骨架中含有芴基团，光学带隙大于2.5eV，数均分子量大于5000，向电池的电子受体层中引入适量宽带隙共轭聚合物添加剂后，电子受体的紫外

【技术实现步骤摘要】
一种用于逐层有机太阳能电池的宽带隙共轭聚合物添加剂


[0001]本专利技术属于有机太阳能电池领域，涉及一种可用于提高逐层有机太阳能电池性能的宽带隙共轭聚合物添加剂，该添加剂应用于逐层有机太阳能电池器件结构中的上层电子受体。

技术介绍

[0002]随着时代的发展，环境污染和能源紧缺问题日益严重，寻找清洁无污染的新能源具有重要的意义。太阳能电池通过将太阳能转化为光能，实现了能源的清洁利用。常用的太阳能电池有硅太阳能电池、无机盐太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。有机太阳能电池由于质量轻，可卷对卷加工，具有分子结构可调控性等优点，近些年来收到广泛的关注。现在，单节有机太阳能电池的光电转换效率已经超过了19％。
[0003]有机太阳能电池的活性层由电子给体和电子受体这两类光伏材料构成。当光伏材料受到光照后会形成单线态激子，激子需要扩散到电子给、受体界面，此界面处形成的内建电场促使激子发生分离生成自由电荷(电子和空穴)，形成的电子、空穴分别经各自的传输通道被电极收集形成电流。但是单线态激子的寿命很短，有效扩散距离只有5～20nm，所以有效的激子分离需要合适的电子给、受体相分离尺寸。1992年，Sariciftci等发现了共轭聚合物MEH
‑
PPV(poly(2
‑
methoxy
‑5‑
(2
’‑
ethyl
‑
hexyloxy)
‑
1,4
‑
phenylene vinylene))和富勒烯(C
60
)混合，MEH
‑
PPV的光生电子可以有效转移至C
60
，并提出了体异质结(Bulk heterojunction，BHJ)的概念
[Science,258,1474
‑
1476].
。BHJ结构具有较小的相域，有效地增加了给受体接触面积，有利于激子的解离,减少激子传输过程中能量损失和载流子的复合。但是，由于本体异质结中电子给、受体之间的相互作用复杂，所以基于本体异质结的活性层其优化过程冗长且难以调控。并且，本体异质结活性层最佳形貌也总是处于亚稳态，稳定性不佳，随着时间的推移，活性层中激子分离效率下降、器件性能下降。
[0004]通过逐层沉积电子给、受体材料制备活性层的有机太阳能电池(即：逐层有机太阳能电池)，其上层电子受体材料所使用的溶剂一般可以使下层电子给体聚合物层溶胀，从而使电子受体分子可以渗透扩散到聚合物层内，在中间形成纳米级的本体异质结区域。这种逐层制备的器件可以调节活性层的垂直相区分布使得电子给体在阳极富集，电子受体在阴极富集，这有利于电荷向电极的传输，有助于抑制活性层中的电荷复合和能量损失，同时在一定程度上避免了BHJ结构中电子给、受体之间复杂的相互作用。自从电子受体小分子Y6问世以来
[Joule,3,1140
‑
1151]，Y6及其衍生物由于相邻分子间强的相互作用力可以构成三维网络结构，具有长程激子扩散的性质。因此，光照产生的电子可以在此类电子受体中有效地传输，从而为制备高效的逐层有机太阳能电池提供了可能。为了进一步改善逐层有机太阳能电池活性层中的电荷传输及抑制活性层中的电荷复合，可以分别向下层电子给体层或上层电子受体层中引入添加剂，通过分别向聚合物溶液或者小分子溶液中加入添加剂可以有针对性的改善给体层或者受体层的性质。例如，占肖卫
[Adv.Mater.,34,2205926]通过将反式双二甲苯
基硼二苯乙烯(trans
‑
bis(dimesitylboron)stilbene,BBS)作为固体添加剂，PM6:Y6:BBS器件由于增强了激子扩散、激子解离、电荷产生和电荷传输，降低了电荷复合和能量损失，使PCE由16.2％提高到了17.6％李玉良
[Joule,6,2835
‑
2848]通过结合逐层沉积和固体添加剂甲氧基取代石墨烯(methoxy
‑
substituted graphdiyne,GOMe)处理来控制活性层形态，证明了全小分子有机太阳能电池的效率高达17.18％。此固体添加剂GOMe是良好的分子堆叠调节剂，17.18％的效率是迄今为止报道的小分子有机太阳能电池的最高功率转换效率(PCE)。彭强
[Adv.Mater.,2208279]采用不同的侧链制备了P
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H、P
‑
S、P
‑
F和P
‑
Cl四种聚合物。这些聚合物由于不合适的能级排列和不利的分子相互作用，在BHJ器件中表现出较差的供体材料。相反，它们可以作为优化PM6纤维基质的有效添加剂，促进BTP
‑
eC9的渗透，形成垂直分离的缠结D/A双连续网络。通过侧链工程对其形貌进行优化，使电荷分离和收集性能逐步提高。结果表明，添加少量的P
‑
Cl作为添加剂，优化后的形貌可获得19.10％的PCE和80.5％的高FF。谭占鳌
[Small,17,2103497]通过双功能挥发性固体添加剂实现了逐层太阳能电池中每一层的独立形态改变，同时提高了器件性能和稳定性。在供体层中引入固体添加剂，有效地减少了分子间的堆积，增加了薄膜表面粗糙度，为受体层的后续扩散提供了合适的基质。在热退火的辅助下，固体添加剂的挥发为两组分的自组装和相互扩散留下了足够的空间，从而在逐层电池中实现了具有足够给体/受体界面的满意的垂直相分离。同时，受体层的分子间π
‑
π堆积和结晶度得到了显著优化，从而改善了电荷输运性能。由此可见，固体添加剂对LBL膜形态的双重作用抑制了双分子重组，加速了电荷传输
‑
收集过程。最终，在二元和四元逐层器件中分别实现了16.4％和17.4％的高PCE。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种适用于逐层有机太阳能电池，有别于溶液添加剂、可挥发性固体添加剂、光谱拓展及能级匹配型添加剂，可改善器件光伏性能的新型固体添加剂。其特征在于：所述添加剂属于宽带隙共轭聚合物，数均分子量大于5000，分子骨架中含有芴基团，光学带隙大于2.5eV。
[0006]本专利技术还提供了一种逐层有机太阳能电池器件，其特征在于：所述逐层有机太阳能电池器件依次包括：透明电极(阳极)、空穴传输层、活性层、阴极界面层、金属电极(阴极)，其中所述活性层由逐层沉积的聚合物电子给体下层、非富勒烯小分子电子受体上层(内含所述宽带隙共轭聚合物)组成，宽带隙共轭聚合物在小分子电子受体中的重量百分比为0.001
‑
10％。
[0007]本专利技术的技术方案：本专利技术涉及的活性层材料为聚合物电子给体和非富勒烯小分子电子受体。当向上层电子受体中引入适量所述宽带隙共轭聚合物添加剂后，一方面可调控电子受体相的形貌，使电子受体材料薄膜的紫外
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可见吸收光谱红移，这得益于电子受体材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于逐层有机太阳能电池活性层的宽带隙共轭聚合物添加剂，其特征在于：所述宽带隙共轭聚合物添加剂的光学带隙大于2.5eV，分子骨架中含有芴基团，数均分子量大于5000，所述逐层有机太阳能电池活性层包含聚合物电子给体下层，非富勒烯电子受体上层，和掺于非富勒烯电子受体中的所述宽带隙共轭聚合物添加剂。2.根据权利要求1所述的用于逐层有机太阳能电池活性层的宽带隙共轭聚合物添加剂，其特征在于：所述宽带隙共轭聚合物添加剂为非挥发性物质。3.根据权利要求1所述的用于逐层有机太阳能电池活性层的宽带隙共轭聚合物添加剂，其特征在于：所述宽带隙聚合物添加剂能溶于氯仿、氯苯、甲苯等有机溶剂。4.根据权利要求1所述的用于逐层有机太阳能电池活性层的宽带隙共轭聚合物添加剂，其特征在于：所述宽带隙共轭聚合物添加剂的分子骨架为共轭重复单元，且重复单元中包含芴基团或芴的衍生物。5.一种逐层有机太阳能电池器件，其特征在于：所述逐层有机太阳能电池器件依次包括：透明电极(阳极)、空穴传输层、活性层、阴极界面层、金属电极(阴极)，其中所述活性层包括聚合物电子给体下层，非富勒烯电子受体上层，和根据权利要求1
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4中任一项所述的宽带隙共轭聚合物添加剂。6.根据权利要求5所述的逐层有机太阳能电池器件，其特征在于：所述活性层由逐层沉积的方法制备而得，所述聚合物电子给体位于下层，所述非富勒烯电子受体位于上层，所述宽带隙共轭聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐新军，陈巧灵，薄志山，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：