本发明专利技术提供了一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构及其制备方法，属于有机光伏器件制备技术领域，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；所述活性层采取了在刀片刮涂过程中刮刀前溶液量的自然减少形成具有200nm左右厚度范围梯度的固体薄膜。该方法形成了活性层中平衡的供受体结晶相，实现了对厚度变化不敏感的有机光伏器件能量转换效率和光热稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于有机光伏器件结构制备领域，特别涉及一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构及其制备方法。
技术介绍
1、公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、近年来，可溶液印刷有机太阳能电池(oscs)由于具有轻质、柔性、半透明、高通量制备等优点，受到了科研界的广泛关注。目前，基于新型非富勒烯受体材料的oscs的功率转换效率(pce)已经超过19％。尽管如此，由于有机材料中较低的载流子迁移率，能够实现最佳pce的活性层厚度仅约为90-120nm，当增加活性层的厚度时会导致严重的电荷复合。此外，通过刮刀涂布或槽模涂层技术处理的更厚和更大面积的膜在溶剂蒸发过程中将经历更长的相析出时间，并且相分离尺寸将进一步放大，导致厚膜和大面积器件的效率显著下降。然而，为了适应卷对卷(r2r)制造的最佳工艺条件，以及在大面积和高印刷速度下实现均匀的薄膜，活性层需要达到一定的厚度，这是osc从实验室小面积器件向工业大面积模组过渡的主要困难之一。
3、此外，opv的稳定性不仅受到有机光伏材料的固有光稳定性和热稳定性的强烈影响而且还受活性层微观结构的影响，这取决于工艺条件，如加工助剂、多组分、后处理等因素。在空气中加工过程中功能层吸附的氧气和水对光稳定性表现出复杂的影响。筛选包括厚度在内的影响有机太阳能电池性能和稳定性的制备工艺参数是一项需要耗费大量人力物力的工作，迫切需要一种高通量实验方法加速这一过程。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供一种溶液处理有机光伏器件结构；本专利技术还提供了一种刮涂制备具有梯度活性层厚度的有机光伏器件的方法。本专利技术选取目前光电转换效率较高的聚合物供体和非富勒烯小分子受体作为活性层材料体系，其中聚合物供体材料为pm6，非富勒烯小分子受体材料为btp-ec9，通过刮涂空穴传输层、光敏活性层和电子传输层的方法制备了对厚度变化不敏感的有机光伏器件。本专利技术通过在刮涂过程中刮刀前溶液量的自然减少制备了具有厚度梯度的光敏活性层，并在不同的横向退火温度下，仅消耗较少昂贵的活性层材料就制备出了高达128个不同处理条件的有机光伏器件。通过本专利技术所述方法制备的有机活性层薄膜在不同厚度处并未表现出较大的供受体结晶度变化和形貌变化，从而对器件性能并无太大的影响。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术的第一个方面，提供了一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，包括：
4、空气氛围下，在导电玻璃表面刮涂制备空穴传输层；
5、空气氛围下，在空穴传输层上刮涂活性层材料，溶液总浓度为16-20mg/ml，基底温度为60-100℃，然后，在惰性氛围下，退火，制备厚度逐渐减小的活性层；
6、空气氛围下，在活性层表面刮涂制备电子传输层；
7、真空条件下，在电子传输层上制备阴极，即得。
8、在一些实施例中，在空气氛围下，在空穴传输层上刮涂活性层材料的具体步骤包括：刮涂速度10-40mm/s，一次滴液量为30-70μl，在惰性氛围下，40-180℃退火5-10min。在刮涂过程中，刮刀前溶液量自然减少，从而形成厚度逐渐减小的活性层薄膜。在刮涂过程中，刮刀前溶液量自然减少，从而形成厚度逐渐减小的活性层薄膜。
9、需要强调的是：本申请中由于有机活性层溶液浓度高(溶液总浓度为16-20mg/ml的共混溶液，溶剂为邻二甲苯)，同时，基底温度为60-100℃，因此，其在刮涂过程中随刮刀前溶液量减少可形成具有200nm左右厚度梯度范围的活性层固体膜。
10、优选的，在空气氛围下，在空穴传输层上刮涂活性层材料，刮涂速度25mm/s，一次滴液量为45μl，基底温度为80℃，在氮气氛围下，100℃退火10min。
11、在一些实施例中，所述活性层中，给受体为pm6和btp-ec9，质量比为1:1.1～1.2。
12、优选的，pm6:btp-ec9中pm6与btp-ec9质量比为1:1.2。
13、在一些实施例中，所述导电玻璃为ito导电玻璃，制备空穴传输层之前，将ito导电玻璃依次用清洗剂、水、丙酮、无水乙醇和异丙醇超声清洗，并用氮气吹干，再用uv处理15-25min。
14、优选的，用uv处理15min。
15、在一些实施例中，所述空穴传输层的制备方法包括：在导电玻璃表面刮涂pedot:pss，130-180℃退火10-20min；
16、优选的，在导电玻璃表面刮涂pedot：pss，150℃退火10min。
17、在一些实施例中，在活性层表面刮涂制备电子传输层的具体步骤包括：将0.5-1.5mg/ml的f3n-br溶液刮涂到活性层上，刮涂速度为10-25mm/s。
18、优选的，将1.3mg/ml的f3n-br溶液刮涂到活性层上，刮涂速度为15mm/s。
19、在一些实施例中，真空条件下，在电子传输层上制备阴极的具体步骤包括：在2.5х10-4-5х10-4pa的真空条件下，通过热蒸发制备80-100nm的ag电极。
20、优选的，在4х10-4pa的真空条件下，通过热蒸发制备100nm的ag电极。
21、本专利技术的第二个方面，提供了一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；
22、其中，所述活性层具有厚度梯度。
23、在一些实施例中，所述活性层固体薄膜在7.5～8cm长度范围内具有190～210nm厚度变化。
24、在一些实施例中，所述衬底为玻璃衬底，所述阳极为ito，所述空穴传输层的材质为pedot：pss；所述电子传输层的材质为f3n-br；所述阴极为顶部金属ag电极。
25、本专利技术的第三个方面，提供了上述方法在制备及筛选有机太阳能电池溶液处理条件中的应用。
26、本专利技术的有益效果
27、与当前高成本的依次制备并筛选最优有机太阳能电池溶液处理条件方法相比，本专利技术提出了一种具有厚度梯度活性层的有机光伏器件及制备方法。该技术有如下优点：
28、(1)在7.5cm的长度范围内实现了具有200nm左右厚度范围的活性层固体薄膜；
29、(2)结合横向退火温度大范围变化，仅消耗8mg材料就能制造出高达128个不同处理条件的有机光伏器件；
30、(3)相较于传统的有机太阳能电池，由本专利技术所提出方法制备的有机光伏器件表现出能量转换效率对厚度的不敏感性。
31、(4)本方案所提出的工艺更为简单，大幅缩减了制备及筛选有机太阳能电池溶液处理条件的时间与资源消耗。
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【技术保护点】
1.一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，在空气氛围下，在空穴传输层上刮涂活性层材料的具体步骤包括：刮涂速度10-40mm/s，一次滴液量为30-70μL，基底温度为60-100℃，在惰性氛围下，40-180℃退火5-10min。
3.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，所述活性层中，给受体为PM6和BTP-eC9，质量比为1:1.1～1.2。
4.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，所述导电玻璃为ITO导电玻璃，制备空穴传输层之前，将ITO导电玻璃依次用清洗剂、水、丙酮、无水乙醇和异丙醇超声清洗，并用氮气吹干，再用UV处理15-25min。
5.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层的制备方法包括：在导电玻璃表面刮涂PEDOT:PSS，130-180℃退火10-20min。
6.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，在活性层表面刮涂制备电子传输层的具体步骤包括：将0.5-1.5mg/mL的F3N-Br溶液刮涂到活性层上，刮涂速度为10-25mm/s。
7.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，真空条件下，在电子传输层上制备阴极的具体步骤包括：在2.5х10-4-5х10-4Pa的真空条件下，通过热蒸发制备80-100nm的Ag电极。
8.一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构，其特征在于，包括由下自上的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层及阴极；
9.如权利要求8所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构，其特征在于，所述活性层固体薄膜在7.5～8cm长度范围内具有190～210nm厚度变化。
10.权利要求1-7任一项所述方法在制备及筛选有机太阳能电池溶液处理条件中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，在空气氛围下，在空穴传输层上刮涂活性层材料的具体步骤包括：刮涂速度10-40mm/s，一次滴液量为30-70μl，基底温度为60-100℃，在惰性氛围下，40-180℃退火5-10min。
3.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，所述活性层中，给受体为pm6和btp-ec9，质量比为1:1.1～1.2。
4.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，所述导电玻璃为ito导电玻璃，制备空穴传输层之前，将ito导电玻璃依次用清洗剂、水、丙酮、无水乙醇和异丙醇超声清洗，并用氮气吹干，再用uv处理15-25min。
5.如权利要求1所述的基于梯度活性层厚度的有机光伏器件结构的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层的制备方法包括：在导电玻璃表面刮...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓艳，肖梦飞，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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