[发明专利]一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池领域。本发明提供的阴极界面层材料，由具有式1所示化学组成的物质形成：K_y‑x[(C_nH_2n+1)₄N]_x[AW₁₁QO₄₀]式1；式1中x和y的取值独立地为1～6且x≤y；A为P、Si、Ge、Al或As；Q为Mo或V；n为4、6、8或10。将本发明的阴极界面层材料用于有机太阳能电池，开路电压为0.74～0.905V，短路电流密度为12.00～25.44mA/cm²，填充因子为0.672～0.709，能量转换效率为7.30～14.53％，具有优异的电池性能。

技术领域

本发明涉及有机太阳能电池技术领域，尤其涉及一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

有机太阳能电池(OSC)因材料来源广、低成本、性质易调节、并可实现柔性、大面积、全溶液加工等突出优点，近年来已经成为国际上的热点研究领域。经过人们二十多年的不懈努力，OSC领域已经取得了突破性的进展。目前，单节的二元OSC的能量转换效率(PCE)已实现16.35％的高效率(Adv.Mater.2019,1901872-1901878.)。OSC的PCE不断被刷新，主要归功于新的活性材料的合成、器件结构的优化、活性层形貌的调控以及电极界面的修饰。常见体异质结OSC的器件结构是由阳极、光活性层材料、阴极组成的“三明治”结构，通常人们还会在活性层和电极之间引入界面层来修饰电极，这主要是为了降低载流子的抽取势垒，改善活性层和电极的接触，从而在电极界面处实现欧姆接触，最终优化提高器件性能。由此可见，在不断提高OSC性能的过程中，界面修饰工程是一种强有力的策略。界面修饰层通常分为阳极界面层(AIL)和阴极界面层(CIL)，PEDOT:PSS、MoO₃、V₂O₅等是较为经典的AIL材料，并且已经被成熟的应用于OSC中，而CIL材料众多，种类复杂，是人们研究的重点。

CIL能降低阴极的功函数，减小串联电阻和电荷复合损失，使活性层与阴极之间形成良好的欧姆接触，有助于传输电子及电极收集电子。在传统OSC中，CIL置于活性层上，所以CIL材料需要溶解在不破坏活性层的极性溶剂中。一般是满足水/醇可溶或者大部分水/醇可溶，这样才能保证不破坏活性层的情况下通过旋涂加工制备得到器件。常见的具有水/醇溶性的有机CIL材料包括共轭聚合物(PFN(Adv.Mater.2011,23,4636-4643.))、共轭有机小分子(PDIN、PDINO(EnergyEnvironmental Science 2014,7,1966-1973)、DCNQA-PyBr、QA-PyBr(J.Mater.Chem.A2016,4,2169-2177.)、VOPc(OPyCH₃I)₈、ZnPc(OC₈H₁₇OPyCH₃I)₈(J.Mater.Chem.A 2015,3,4547-4554.)、IIDTh-NSB(ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,32823-32832.))、非共轭聚合物(PEI、PEIE(Science 2012,336,327-332.))和非共轭有机小分子(MSAPBS(Nat.Photonics 2015,9,520-524.))，共轭聚合物和共轭有机小分子由于具有复杂的π共轭单元，合成路线困难，这会导致生产成本的增加。非共轭有机小分子材料具有明确的化学结构、容易合成，纯度较高等优点，所以溶于水/醇的非共轭有机小分子在OSCs中常被认为是有应用前景的CIL材料。