[发明专利]一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法，该有机光伏电池从下至上依次包括透明衬底层、金属阴极层、梯度扩散复合界面层、有机活性层、空穴传输层及金属阳极层，其中，梯度扩散复合界面层中的材料包括无机金属氧化物及有机半导体分子；制备时依次在各层上制备相应的层即可。本发明有机光伏电池的光电转化效率相比于传统金属氧化物以及有机/无机双层界面层电池显著提高，其一方面能够钝化无机界面材料的表面缺陷，降低物理缺陷导致的电荷复合几率，另一方面通过构筑具有梯度扩散结构的有机无机复合界面层，能够降低活性层与界面层能级差过大带来的电荷界面传输问题。

技术领域

本发明属于有机光伏电池领域，尤其涉及一种基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池及其制备方法。

背景技术

随着人类对能源需求的不断增大，传统的不可再生化石能源已经不能完全满足人们对可持续发展的需求。为了解决日益严峻的能源问题以及环境问题，以太阳能为代表的清洁可再生能源越来越受到人们的广泛关注。尽管基于硅基的无机太阳能电池目前已经实现产业化，但同时制造过程中所产生的污染与能耗问题则与人类的可持续发展的目标相悖。因此，研究和发展高效、稳定且低成本的新型太阳能电池对于推动人类和社会的发展具有重要意义。

有机光伏电池(OSCs)由于具有可印刷、价格低廉、质轻以及易弯曲等优势，常常被看作下一代光伏器件。近些年来，得益于新型有机半导体材料(包括给体材料与受体材料)的设计、器件物理结构的优化以及活性层形态的合理调控，OSCs的光电转化效率(PCEs)取得了大幅提高。目前PSCs的单节器件的最高PCE已达到15％，而叠层器件的最高PCE值则达到了17％以上。尽管新型活性层材料的出现不断刷新着OSCs的最高器件效率，但最佳的光伏器件效率几乎都离不开器件界面结构的优化。有机光伏电池的光电转化过程一般包含以下几个步骤：光吸收产生激子、激子扩散至给体/受体界面、激子分离形成自由电荷、自由电荷的传输以及收集过程。在有机光伏电池中，有机光活性层与无机金属电极之间的界面接触情况会直接影响活性层中产生的自由电荷向相应电极的传输与收集过程。因此，人们通过设计各类界面层材料来改善二者的界面性质，提高载流子的传输与收集效率，从而实现PSCs器件性能的进一步提高。

综合以上研究现状，为了优化传统无机金属氧化物界面层的传输性质，同时改善活性层与界面层的物理接触，构筑具有新型结构的复合界面层对于进一步提升有机光伏电池的器件效率具有重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的时提供一种能够显著提高光电转化效率、基于有机/无机梯度扩散界面层的高性能的有机光伏电池；

本发明的第二目的是提供该有机光伏电池的制备方法。

技术方案：本发明基于有机/无机梯度扩散界面层的有机光伏电池，从下至上依次包括透明衬底层、金属阴极层、梯度扩散复合界面层、有机活性层、空穴传输层及金属阳极层；其中，所述梯度扩散复合界面层中的材料包括无机金属氧化物与有机半导体分子。

本发明采用无机金属氧化物与有机半导体分子构筑具有梯度扩散界面结构的复合界面层，两种材料形成的复合薄膜没有清晰的两相界面，在两种材料的接触区形成扩散区域，不仅改善了无机金属电极与有机活性层之间的界面接触，同时也避免了在界面层中引入新的有机/无机界面，从而减少了界面势垒和缺陷，能够有效调控载流子的传输通道，降低载流子陷阱捕获几率等；同时所形成的两组分的浓度扩散结构有助于构筑瀑布式能级梯度，从而进一步促进载流子的传输能力的提高，最终提高有机光伏器件的光电转化效率。

优选的，本发明采用的无机金属氧化物包括氧化锌或氧化钛，有机半导体分子包括富勒烯衍生物小分子、非富勒烯小分子或有机双极性分子；其中，无机金属氧化物靠近金属阴极层，有机半导体分子靠近有机活性层。本发明所采用的金属氧化物与有机半导体分子的能级结构相匹配，金属氧化物比有机半导体分子需具有更高的电子亲和势。

优选的，本发明有机活性层的材料由p型有机半导体材料及n型有机半导体材料共混组成。