[发明专利]一种高效率半透明有机太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明提供的一种高效率半透明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、空穴传输层和阳极电极，活性层为由主体材料和与主体材料形成分子间氢键的第三元材料混合而成的三元体异质结混合薄膜，主体材料与第三元材料的质量比为(2～2.5)：(0.05～0.2)，活性层的厚度为70～120nm。本发明通过在活性层中引入与主体材料形成分子间氢键的第三元材料，在保证较高AVT的同时降低ST‑OSC的膜厚敏感性，即活性层膜厚低至70nm时仍具有120nm膜厚的PCE；还促进主体材料的纤维状结晶，为给受体提供更多接触界面，提升短路电流及填充因子。

技术领域

本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种高效率半透明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)具有生产成本低、重量轻、柔韧性好等特征，是一种有前途的绿色能源技术。建筑集成光伏(BIPV)是有机太阳能电池最具代表性的应用之一，对有机半导体的半透明性和颜色可调性有较高要求。在过去十年中，单异质结OSC的功率转换效率(PCE)显著提高至17％。但是，半透明有机太阳能电池(ST-OSC)的PCE总是低于对应的不透明有机太阳能电池，这主要是由光电流和平均可见光透射率(AVT)的矛盾所导致。此外，ST-OSC中有机半导体材料的吸收光谱较窄，也会限制其PCE。

在众多提高ST-OSC器件性能的策略中，三元策略被认作一种有效方法，因为它可以在不增加器件厚度的情况下提高活性层的光子捕获能力，从而提高短路电流密度(Jsc)和PCE。目前，对于三元ST-OSC的研究主要集中在窄带隙材料上，它可以在不牺牲可见光透过率的前提下提高器件的PCE和AVT。孙艳明教授团队将聚合物PBT1-S加入PTB7-Th：PC71BM体系中制成三元ST-OSC，其PCE为9.2％，AVT为20％(Y.Xie,L.Huo,B.Fan,H.Fu,Y.Cai,L.Zhang,Z.Li,Y.Wang,W.Ma,Y.Chen and Y.Sun,Adv.Funct.Mater.2018,28,1800627)；台湾大学的汪等人制备了基于PM7：PTTtID-Cl：IT-4F的三元ST-OSC，其PCE为10.3％，AVT为20.5％(C.Wang,B.Jiang,J.Lu,M.Cheng,R.Jeng,Y.Lu,C.Chen,K.Wong,ChemSusChem2020,13,903–913)；浙江大学李教授团队发现，将窄带隙材料BTTPC添加到PM6：Y6系统中，可以获得PCE为13.1％，AVT为22.35％的半透明器件(D.Wang,R.Qin,G.Zhou,X.Li,R.Xia,Y.Li,L.Zhan,H.Zhu,X.Lu,H.Yip,H.Chen,C.Li,Adv.Mater.2020,32,2001621)。然而，新的窄带隙材料所需的合成周期长、成本高，阻碍了ST-OSC的发展。

此外，实现高性能ST-OSC的另一新途径是通过减少活性层厚度，在增加AVT的同时保持较高的PCE。这要求ST-OSC中的活性层具有膜厚不敏感性，即减少活性层厚度，但PCE不降低。基于此，本发明提出了一种具有膜厚不敏感性的高效率半透明有机太阳能电池及其制备方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种高效率半透明有机太阳能电池及其制备方法，通过在活性层中引入与主体材料形成分子间氢键的第三元材料，降低ST-OSC的膜厚敏感性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高效率半透明有机太阳能电池，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、空穴传输层和阳极电极，其特征在于，所述活性层为由主体材料和与主体材料形成分子间氢键的第三元材料混合而成的三元体异质结混合薄膜，主体材料与第三元材料的质量比为(2～2.5)：(0.05～0.2)。

进一步地，所述活性层的厚度为70～120nm。