本發(fā)明涉及新材料及光伏電池，具體涉及一種提高光活性層穩(wěn)定性的方法及有機(jī)光伏器件。

背景技術(shù)：

1、全世界能源需求的大幅增長，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺問題?；剂系拇罅渴褂眉觿×藴厥倚?yīng)，導(dǎo)致全球氣候惡化并引發(fā)自然災(zāi)害?；谶@些現(xiàn)狀，各國研究人員不得不將視線聚焦于風(fēng)能、水能、太陽能等可再生能源的開發(fā)和利用上。作為化石燃料的替代品，可再生能源具有極大的潛力，也是當(dāng)今的研究重點(diǎn)。

2、有機(jī)光伏器件作為一種經(jīng)濟(jì)上可行的可再生能源，因其獨(dú)特的優(yōu)勢而日益受到研究界的廣泛關(guān)注。經(jīng)過近十幾年的穩(wěn)步發(fā)展，目前有機(jī)太陽能電池的最高能量轉(zhuǎn)換效率已超過20％。與無機(jī)硅太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池的優(yōu)勢更加明顯，主要體現(xiàn)在：原材料來源更加廣泛且成本較低，原材料的分子結(jié)構(gòu)可修飾性強(qiáng)、功能可調(diào)控、成膜性較好，能夠制備柔性電子器件，加工工藝簡單、可大面積制備等。有機(jī)太陽能電池雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些問題，其中較為突出的問題就是穩(wěn)定性差，難以滿足商業(yè)化需求。

3、過去數(shù)十年間，為了提升有機(jī)光伏電池的競爭力，滿足市場對不同有機(jī)光伏電池產(chǎn)品的預(yù)期水平，大部分研發(fā)工作聚焦于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、功能新穎的高分子材料，并試圖通過三元或疊層策略實(shí)現(xiàn)光電效率的突破，這就導(dǎo)致很少有人關(guān)注光伏電池器件的穩(wěn)定性問題。分析可知光伏電池器件的穩(wěn)定性主要受到光照、水氧、加熱、機(jī)械應(yīng)力、電極擴(kuò)散等因素的制約?？諝庵械乃肿雍脱鯕鈺茐碾姌O和界面層，造成嚴(yán)重的化學(xué)和物理降解。氧氣會與光活性層分子發(fā)生氧摻雜反應(yīng)，造成電子低勢阱密度，最終嚴(yán)重?fù)p壞器件的開路電壓和填充因子。光照會使聚合物給體發(fā)生光氧化效應(yīng)生成單線態(tài)氧，使受體發(fā)生光解生成持久性自由基。另外界面層的光誘導(dǎo)降解會嚴(yán)重破壞活性層的分子結(jié)構(gòu)，造成器件性能快速下降。光活性層材料的分解溫度一般遠(yuǎn)大于加工溫度，因此光活性層材料的熱不耐受性主要是因?yàn)楸∧そ?jīng)過額外熱處理，加速了從熱力學(xué)不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)的進(jìn)程，造成了分子的過度聚集和結(jié)晶，嚴(yán)重破壞了微觀形貌。

4、綜上可知，尋求具有普適性提升有機(jī)光伏電池器件穩(wěn)定性的方法迫在眉睫。檢索發(fā)現(xiàn)，許多科研人員為了提高光活性層及相應(yīng)器件的性能做了大量探索，例如中國專利cn106784341a在氮?dú)饣驓鍤獾榷栊员Ｗo(hù)氣體下對鈣鈦礦活性層進(jìn)行微波退火處理，中國專利cn105977388b在常溫常壓下采取溶劑退火與熱退火相結(jié)合的方式處理聚合物太陽能電池的活性層，中國專利cn114744127a采用低沸點(diǎn)的溶劑蒸汽對有機(jī)太陽能電池的活性層進(jìn)行溶劑退火處理，中國專利cn111883662b采用高溫旋轉(zhuǎn)退火工藝處理有機(jī)太陽能電池的活性層。分析可知，現(xiàn)有的這些技術(shù)方案都較為復(fù)雜，更重要的是都不涉及光活性層形貌穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性的雙重提升或改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中普遍存在的有機(jī)光伏電池器件穩(wěn)定性差問題，創(chuàng)造性的采用低壓退火方式處理器件的光活性層，降低其自由體積，從而提升了光活性層的形貌穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性，再配合一系列制備方法的優(yōu)化，最終提升了器件的整體穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

2、一種提高光活性層穩(wěn)定性的方法，包括：利用給體材料、受體材料、添加劑配制漿料，利用所述漿料制備膜層，在低壓環(huán)境中對制得的膜層進(jìn)行退火處理，最終得到穩(wěn)定性優(yōu)異的光活性層薄膜。

3、具體的，所述給體材料選自pm6、d18中的至少一種，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下所示：

4、

5、具體的，所述受體材料選自l8-bo、it-4f、btp-4cl-c9-20中的至少一種，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下所示：

6、

7、具體的，所述添加劑為dio，其結(jié)構(gòu)化學(xué)式如下所示：

8、

9、具體的，配制漿料所使用的溶劑為氯仿或氯苯。

10、具體的，漿料中給體材料與受體材料的質(zhì)量比為1:1-1.5，添加劑的加入量相當(dāng)于給體、受體、溶劑三者體積之和的0.2％-0.5％。

11、具體的，所述漿料中受體材料的濃度為10-18g/l。

12、具體的，采用旋涂、刮涂或浸泡等方式在基底上制備膜層，然后將基底置于熱臺上進(jìn)行低壓退火處理。

13、具體的，所述低壓環(huán)境具體為-100kpa至-10000kpa的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛。

14、具體的，低壓退火處理的退火溫度為80-150℃，在該溫度下的保溫時(shí)間不超過20min，操作時(shí)先將熱臺預(yù)熱至退火溫度再放上基底。

15、具體的，制得的光活性層薄膜的厚度為70-100nm。

16、與此同時(shí)，本發(fā)明還提供一種按照上述方法制得的光活性層。

17、作為第三方面，本發(fā)明還提供一種包含上述光活性層的有機(jī)光伏器件，其包括依次排列的基底、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層、金屬電極。

18、具體的，所述基底為透明導(dǎo)電氧化銦錫基底。

19、具體的，所述空穴傳輸層為moo3，其制備方法如下：在高真空環(huán)境下通過掩膜版蒸鍍的方式，在基底上形成厚度為8-12nm的空穴傳輸層。

20、具體的，所述電子傳輸層為富勒烯/bcp雙層結(jié)構(gòu)，并且富勒烯和bcp的厚度均為8-12nm。該電子傳輸層的制備方法如下：首先在高真空環(huán)境下通過掩膜版將富勒烯蒸鍍至光活性層上，接著采用同樣的方法將bcp蒸鍍至富勒烯上。富勒烯和bcp的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下所示：

21、

22、具體的，所述金屬電極為ag，其厚度為80-120nm。該金屬電極通過真空蒸鍍的方式形成于電子傳輸層上。

23、本發(fā)明中低壓熱處理的作用機(jī)理主要包括以下幾點(diǎn)：①在低壓熱處理過程中，薄膜中的有機(jī)分子能夠進(jìn)行分子熱運(yùn)動(即自組裝)，提高了活性層的分子有序性，從而提高了有機(jī)太陽能電池的光電性能。②低壓熱處理可以除去殘留在光活性層中的溶劑和添加劑，提升了薄膜層及整個(gè)器件的光穩(wěn)定性。③低壓熱處理還可以降低活性層的自由體積，提前進(jìn)行成膜后的薄膜松弛行為，從而提高活性層的形貌穩(wěn)定性。綜上所述，低壓熱處理從多個(gè)層面協(xié)同提升了活性層的形貌穩(wěn)定性與光穩(wěn)定性。

24、本發(fā)明通過低壓熱處理顯著提高了光活性層的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了有機(jī)光伏器件的穩(wěn)定性和綜合性能，與現(xiàn)有同類技術(shù)相比，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)原材料成本較低且制備方法簡單，適用于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；(2)可用于多種活性層材料體系，具有較好的普適性；(3)有機(jī)光伏器件的各個(gè)功能層全部通過蒸鍍形成，可大面積制備，同樣有利于產(chǎn)業(yè)化。

技術(shù)特征：

1.一種提高光活性層穩(wěn)定性的方法，其特征在于該方法包括：以給體材料、受體材料、添加劑為原料配制漿料，利用所述漿料制備膜層，在低壓環(huán)境中對制得的膜層進(jìn)行退火處理，得到穩(wěn)定的光活性層薄膜。

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述給體材料選自pm6、d18中的至少一種，所述受體材料選自l8-bo、it-4f、btp-4cl-c9-20中的至少一種，所述添加劑為dio，配制漿料所使用的溶劑為氯仿或氯苯。

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：漿料中給體材料與受體材料的質(zhì)量比為1:1-1.5，添加劑的加入量相當(dāng)于給體、受體、溶劑三者體積之和的0.2％-0.5％。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：采用旋涂、刮涂或浸泡的方式在基底上制備膜層，然后將基底置于熱臺上進(jìn)行低壓退火處理。

5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：所述低壓環(huán)境具體為-100kpa至-10000kpa的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛。

6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：退火溫度為80-150℃，保溫時(shí)間不超過20min，操作時(shí)將熱臺預(yù)熱至退火溫度后再放上基底。

7.一種具有良好形貌穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性的光活性層，其特征在于：該光活性層按照權(quán)利要求1-6中的任意一種方法制備得到，其厚度為70-100nm。

8.基于權(quán)利要求7所述光活性層的有機(jī)光伏器件，其特征在于：該有機(jī)光伏器件包括依次排列的基底、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層、金屬電極。

9.如權(quán)利要求8所述的有機(jī)光伏器件，其特征在于：所述基底具體為透明導(dǎo)電氧化銦錫基底，所述空穴傳輸層具體為moo3，所述電子傳輸層為富勒烯/bcp雙層結(jié)構(gòu)并且富勒烯靠近空穴傳輸層，所述金屬電極具體為ag。

10.如權(quán)利要求9所述的有機(jī)光伏器件，其特征在于：空穴傳輸層的厚度為8-12nm，電子傳輸層中的富勒烯、bcp的厚度均為8-12nm，金屬電極的厚度為80-120nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種提高光活性層穩(wěn)定性的方法及有機(jī)光伏器件。首先將PM6、D18等給體材料以及L8?BO、IT?4F、BTP?4Cl?C9?20等受體材料加入到有機(jī)溶劑中，再加入DIO等添加劑混勻得到漿料，接著將漿料旋涂于基底表面并在低壓環(huán)境中進(jìn)行退火處理，由此制得了形貌穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性均較好的活性層。選擇合適的基底并結(jié)合蒸鍍等成膜方式，就能制備出具有透明導(dǎo)電氧化銦錫基底/MoO<subgt;3</subgt;/光活性層/富勒烯/BCP/Ag結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏器件。本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，其中低壓熱處理工藝一方面去除了殘留在活性層中的溶劑和添加劑，另一方面提高了活性層的分子有序性，還降低了活性層的自由體積，因此基于該活性層的有機(jī)光伏器件具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和綜合性能。

技術(shù)研發(fā)人員：王濤,李偉,劉丹,成靖超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19