[发明专利]一种基于逐步沉积法制备的高效三元有机太阳电池

说明书

本发明公开了一种基于逐步沉积法制备的高效三元有机太阳电池，它自下而上包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，其中活性层为采用旋涂工艺在阳极修饰层上依次沉积一层宽带隙聚合物给体(PM6)薄膜与一层非富勒烯受体复合物(BO‑4Cl和BTP‑S2的混合物)薄膜。利用BTP‑S2与PM6之间较差的相容性，以及旋涂工艺成膜时大的剪切力，可使活性层具有理想的P‑i‑N形貌结构，即在阳极修饰层界面处形成给体富相，阴极修饰层界面处形成受体富相，而中间是给体与受体均匀混合的本体异质结厚膜。因此，本发明所得的三元有机太阳电池，同时实现了光电流的高效产生与高效收集，PCE不仅高于相应的本体异质结三元电池，更获得了迄今为止有机太阳电池的最高效率(18.50％)。

技术领域

本发明涉及太阳电池技术领域，尤其涉及一种基于逐步沉积法制备的高效率三元有机太阳电池。

背景技术

有机太阳电池在近几年，受益于Y系列电子受体的出现，在能量转换效率方面，获得了快速提升。目前单结电池的能量转换效率已经突破18％(Science Bulletin 2020,65,272)。

除了新材料的开发，活性层的形貌控制也是决定器件性能的关键因素。形貌控制的目的，是使光电流能在活性层中高效地产生并能被电极有效地收集。目前，人们普遍采用旋涂工艺来获得本体异质结(BHJ)的活性层形貌结构，即将电子给体和电子受体同时溶解在一种溶剂中，混合溶液旋涂得到活性层。由于旋涂成膜时剧烈的离心作用产生了大的剪切力，活性层中给体和受体能够充分混合和分布均匀，从而提供巨大的给/受体界面(本体异质结)，有利于电荷的高效产生。但是，这种形貌结构不利于电荷的有效收集：当空穴沿着给体相构筑的传输通道向阳极移动，而电子沿着受体相构筑的传输通道向阴极移动，大的给/受体界面增加了两种光生电荷(电子和空穴)在传输过程中发生复合的风险。因此，沿着电荷的传输方向，在活性层中形成给/受体的浓度梯度，即给体浓度从阴极修饰层的界面到阳极修饰层的界面逐渐增加，而受体浓度逐渐降低，这样的垂直相分布可大幅抑制电荷复合，极大改善电极对光生电荷的收集效率，从而提升器件的光伏性能(Journal of theAmerican Chemical Society 2018,140,7159；EnergyEnvironmental Science 2019,12,384)。

为此，人们开发了逐步沉积法(Layer-by-Layer,LbL)，将给体材料和受体材料依次成膜，实现有效的垂直相分布调控。常用的逐步沉积工艺有：1)正交溶剂工艺(AdvancedMaterials 2019,31,1808153)，上层溶剂必须能溶胀但不能溶解下层材料。所以，这个方法有很大的局限性，对材料体系和溶剂选择要求高，不具有普适性；2)刮涂成膜工艺(Joule2020,4,407)，先后刮涂给体、受体成膜，利用成膜时比旋涂工艺小得多的剪切力，降低上下薄膜间的相互扩散程度。但是，这个方法需要花大量时间调试刮涂参数，工艺操作繁杂，薄膜不均一。基于以上限制因素，涉及逐步沉积法的有机太阳电池研究并不多，至今，采用逐步沉积法制备的有机太阳电池最高效率为16.5％(Nat Commun 2020,11,2855),也远不比上本体异质结结构的有机太阳电池最高效率18.22％(Science Bulletin 2020,65,272)。因此，获得一种简单、普适的逐步沉积工艺以实现活性层中纵向组分梯度的有效调控，对于扩大逐步沉积法的应用范围，以及进一步提升有机太阳电池器件效率来说，具备重要的研究和应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能以简便的旋涂工艺逐步沉积活性层的有效策略，以实现活性层中具有理想纵向组分梯度的、高效率的三元有机太阳电池。

本发明的高效率的三元有机太阳电池至下而上包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，所述的活性层为采用旋涂工艺在阳极修饰层上依次沉积一层电子给体薄膜与一层电子受体复合物薄膜。