[发明专利]一种有机太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，尤其涉及一种三相体系有机薄膜太阳能电池及其制备方法。 

背景技术

有机太阳能电池，是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。目前，基于有机小分子材料的本体异质结太阳能电池的最高能量转化效率已经超过8％(A.Kyaw,D.Wang,V.Gupta,W.Leong,L.Ke,G.Bazan,A.Heeger,Acs Nano.,7(2013)4569)，而基于聚合物材料的两相薄膜太阳能器件的能量转化效率也已经突破9％(S.Liao,H.J,huo,Y.Cheng,S.Chen,Adv.Mater.,25(2013)4766)。作为激活层材料，D-A型的聚合物和小分子都存在其各自的优点，例如对于聚合物材料，其优点包括具有较好的成膜性，吸光性以及组成结构的多样性。近年来对于D-A型聚合物，或者基于D-A型有机小分子的设计与合成以及基于此类材料的两相体系的薄膜太阳能电池取得了较大的进展。但是对于聚合物而言，其结晶性能通常较差，因而为了提高其结晶的性能通常需要引入少量的1，8二碘辛烷(DIO)或者氯萘(CN)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)或者其他种类的添加剂以提高激活层的结晶进而改善激活层的形貌(Y.Liu,Z.Li,G.He,C.Li,B.Kan,M.Li,Y.Chen,J.Am.Chem.Soc.,135(2013)8484)。 

相对于聚合物，有机小分子的优点是：结构规整、结晶性好、较高的本征迁移率、没有不同合成批次之间的差异、较容易合成、提纯和进行分子的修饰。相对于聚合物，有机小分子更容易形成有序的堆积，形成有利于电荷的传输的形貌，从而得到较高的填充因子，但是有机小分子也存在相应的缺点，例如较 好的结晶性也容易导致其较大的分相尺度，不利于电荷的分离，进而得到较好的器件性能。为了调节有机小分子材料的结晶性，通常也需要引入一些其他的添加剂。但是由于DIO、CN、PDMS等添加剂在活性层中都属于惰性元素，即如果过量的添加这些物质，其有可能在激活层中形成陷阱来阻碍电荷的分离和传输。这就大大限制了此类材料的可添加的比例以及其应用的范围。 

与需要引入添加剂来提高薄膜太阳能电池的器件的能量转化效率的两相体系相比较，三相体系的光伏器件则提出了一个与之相似但又最具潜力的概念。因为相对于通过引入惰性的材料作为添加剂来改善激活层的形貌，使用具有不同特性的活性材料共混，并通过改变两者的比例来调节光伏器件的分相尺度即激活层形貌，以及薄膜层的吸光范围，进而提高其激子产生并得到较高的电流等方面显示出较大优势。例如基于两种不同给体材料一种受体材料，以及一种给体材料两种受体材料的三相体系器件，有效的避免了惰性陷阱的引入，这就大大拓宽了被掺杂的“客体”材料的比例，进而也加大了各项参数(例如开路电压、短路电流、填充因子)的可调节范围，这也为我们能够实现器件能量转化效率的有效提高，甚至打破两相体系的器件的理论效率极限提供可能。 

目前用于三相体系中的掺杂材料主要包括聚合物材料、小分子材料、染料以及不同种类的纳米粒子等。而在这些可用作“掺杂客体”的材料中有机小分子材料具有明显的优势。因为有机小分子材料的光吸收范围较广，而且较好的分子排列堆积能力为激活层形貌的调节以及给受体界面的调节提供了充分的前提。这将为载流子的传输与收集提供较好的路径以致提高器件的短路电流和填充因子。然而，目前还未见将小分子材料与聚合物共混作为三相体系的太阳能电池。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种有机太阳能电池，通过向聚合物薄膜太阳能电池激活层材料中引入具有适合的分子结构和适合比例的有机小分子材料，或者也可以说是通过向基于有机小分子材料的薄膜太阳能电池中引入适当的聚合物材料进而实现对器件性能的改进。通过利用聚合物和小分子的协同作用不仅实现了对太阳光谱利用范围的拓宽，同时还实现了对活性层形貌的可控调节，以及对光伏器件开路电压，填充因子的调节。 

为达上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种有机太阳能电池，包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、光电活性层、阴极修饰层和阴极层，所述光电活性层为基于将有机小分子与有机聚合物共混充当给体(P型)材料的三相体系。两种给体材料在激活层中都能参与光子的吸收，激子的产生，电荷的分离与收集，两种材料混合比例可以任意调节。