[发明专利]一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法

说明书

本发明提供的一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池领域，包括自下而上依次设置的基底、阴极电极、电子传输层、活性层、激子补给层、空穴传输层和阳极电极，活性层为由给体材料和受体材料混合而成的体异质结材料，激子补给层包括延迟荧光材料。制备方法为：先在基底上依次制备阴极电极、电子传输层和活性层，再制得延迟荧光材料的浓度为0.5～2g/L的激子补给层溶液，旋涂于活性层上，经热退火后得到激子补给层；之后制备空穴传输层和阳极电极。本发明利用延迟荧光材料中三重态激子的反向系间窜越，提高活性层中激子的数量和寿命；激子补给层优化活性层界面形貌，促进界面形成良好接触。

技术领域

本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法。

背景技术

化石能源是当今世界上利用最多的能源，2020年世界能源统计报告指出，化石燃料占全球一次性能源消费的84％，中国在2019年的能源消费增长量占世界增长量的四分之三。但是，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的。但是化石能源在使用过程中会新增大量温室气体，同时产生一些有污染的烟气，威胁全球生态。因此，发展新能源，向多能源结构过渡是解决化石能源威胁生态环境问题的必然趋势。

太阳能作为一种绿色清洁能源，资源丰富且分布广泛，是唯一用之不竭的能量资源。目前，人类对于太阳能的利用主要集中在三个方面：太阳能转化为化学能、太阳能转换为热能以及太阳能转化为电能。其中太阳能转化为电能因其广泛的社会应用价值，被认为是解决能源短缺问题最有前途的方法之一。

有机太阳能电池由于具有材料来源广、成本低、质量轻、制备工艺简单、环境友好、可实现柔性、大面积生产等优点，受到越来越多的科研工作者的关注。有机太阳能电池的工作原理主要分为以下几个步骤：(1)激子的形成：太阳光照射在活性层上，能量大于禁带宽度的光子被活性层吸收，形成激子；(2)激子的扩散与分离：材料中不同位置激子浓度存在差异，激子在材料中扩散，当激子扩散到给体和受体界面时，就会在静电势的作用下分离；激子的分离几率受激子的寿命以及扩散长度的影响；在激子的扩散与分离过程中，会发生激子的复合过程，这一过程会降低器件的光电转换效率；(3)载流子的传输：激子分离成自由电子和空穴后，在内部电场的作用下向两极传输；(4)电子和空穴的收集：电子和空穴传输到电极界面时，分别被正负电极收集。在有机太阳能电池中，活性层材料吸收光子产生的激子为单重态激子，单重态激子的扩散长度通常为5～10nm，会大大提高激子的复合几率。而有机半导体三重态激子的寿命通常比单重态激子的寿命长约6个数量级，因此，引入三重态激子，可以使激子有足够的时间扩散到给受体界面发生解离，提高激子利用率，进而提高器件的性能。

利用有机半导体三重态激子的寿命长这一特性，本发明创新性的提出一种将延迟荧光材料作为活性层激子补给层运用到有机太阳能电池的方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法，解决有机太阳能电池因激子利用率低而存在的器件性能低的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池，其特征在于，包括自下而上依次设置的基底、阴极电极、电子传输层、活性层、激子补给层、空穴传输层和阳极电极，所述活性层为由给体材料和受体材料混合而成的体异质结材料，所述激子补给层包括延迟荧光材料。

进一步地，所述延迟荧光材料为APDC-DTPA、2CzPN、4CzIPN或4CzFCN，激子补给层的厚度为5～15nm。

进一步地，所述活性层中的给体材料为PBDB-T、PTB7-Th、PTO2、PM6、PM7或BTR-Cl，受体材料为N2200、IEICO-4F、IT-4F、Y6、BTP-eC9、PC₇₁BM或ITIC。