一种有机太阳电池的制备方法、器件及应用

本发明属于有机光伏器件，具体涉及一种有机太阳电池的制备方法、器件及应用。

背景技术：

1、有机太阳电池(osc)因具有质量轻、可溶液加工、材料结构可设计性强以及可制备柔性器件等突出优点，在新型光伏领域展现出巨大的应用潜力；近年来，随着非富勒烯受体材料的飞速发展，有机太阳电池的光电转换效率(pce)已突破20%，在可穿戴电源、建筑光伏一体化等领域具有广阔的应用前景；然而，有机太阳电池的光电性能高度依赖于活性层薄膜的微观形貌，即给受体材料在纳米尺度上的分子聚集、结晶行为、相分离尺度以及分子取向；这些微观结构特征直接决定了激子的扩散与解离效率、载流子的传输与收集效率以及器件的非辐射复合损失，因此，活性层形貌的精细调控是有机太阳电池器件制备中的核心难题。

2、目前，为了优化活性层的形貌，现有技术普遍采用在给受体共混溶液中引入少量高沸点加工添加剂的策略；这些添加剂通常为卤代芳香化合物或含氧/硫的有机分子，通过调节溶剂的挥发速率，促进分子重排并优化相分离尺寸；然而，这种技术路线存在诸多固有的局限性：首先，高沸点添加剂在成膜后难以完全去除，残留的添加剂分子会充当陷阱态；其次，添加剂调控的工艺窗口较窄，其有效性高度依赖于环境湿度、溶剂挥发速率及退火条件，导致器件性能的批次重复性差，难以满足大面积工业化生产的一致性要求；最后，添加剂的使用增加了工艺的复杂性和成本，不利于绿色制备和产业化放大。

3、针对现有技术中对添加剂的依赖所导致的工艺复杂及重复性低等问题，本发明提出一种无需加工添加剂的有机活性层薄膜形貌调控策略；其核心在于，通过引入与主受体材料结构相近的卤素化第三组分，在不引入任何外加加工添加剂的条件下，利用该第三组分在成膜过程中调控分子间的相互作用力和堆积行为，实现对活性层微观形貌的协同优化；该方法有望在简化工艺的同时，兼顾器件的高效率，为有机光伏技术的规模化应用提供一种新颖、可靠且更简洁的技术路径。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种有机太阳电池的制备方法、器件及应用。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本申请提供了一种有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

4、于导电衬底上依次形成空穴传输层、有机活性层、电子传输层及顶部电极；

5、其中，所述有机活性层的制备过程包括：将给体材料、受体材料和卤素化第三组分溶解于有机溶剂中，配制得到不含有加工添加剂的活性层前驱体溶液；将该前驱体溶液涂覆于所述空穴传输层上，并对形成的湿膜进行退火工艺，以形成所述有机活性层；

6、所述卤素化第三组分用于在所述前驱体溶液成膜过程中，在不引入加工添加剂的条件下调控所述有机活性层的分子聚集与相分离形貌。

7、进一步的，所述卤素化第三组分为卤素取代的a-d-a型非富勒烯受体材料，选自ec9-4f、ec9-4cl和ec9-4br中的至少一种。

8、进一步的，所述给体材料、受体材料和卤素化第三组分的质量比为1:(0.8~1.0):(0.05~0.2)。

9、进一步的，所述有机溶剂选自卤代烃或芳香烃类溶剂；

10、和/或，所述活性层前驱体溶液的总浓度为5～6.5mg/ml。

11、进一步的，所述退火工艺的条件为：在80℃~120℃的温度下处理3~10min；

12、和/或，所述有机活性层的厚度为90~100nm。

13、进一步的，所述导电衬底选自刚性导电基底和柔性导电基底中的一种；

14、和/或，所述导电衬底在使用前经历超声清洗或擦拭清洗处理。

15、进一步的，所述空穴传输层的材料为ph-4pacz；

16、和/或，所述电子传输层的材料为pdinn。

17、一种有机光伏器件，由上述的制备方法制备得到；

18、其层状结构由下至上依次包括导电衬底、空穴传输层、有机活性层、电子传输层和顶部电极；

19、所述有机活性层包含给体材料、受体材料和卤素化第三组分。

20、进一步的，所述有机活性层的厚度为90~100nm，所述顶部电极的厚度为100~150nm；

21、和/或，当所述导电衬底为柔性导电基底时，所述有机光伏器件的有效面积为0.01~1cm²。

22、一种有机光伏器件在可穿戴电子设备电源中的应用。

23、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

24、本发明提出一种有机太阳电池的制备方法、器件及应用，通过在给体/受体活性层体系中引入结构相近的卤素化第三组分，无需依赖传统有机加工添加剂，即可有效调控活性层中给受体材料的分子聚集状态、结晶行为及相分离形貌，从而克服了现有技术中添加剂残留导致工艺窗口窄、重现性差的问题，在简化制备流程的同时，有效优化了电荷的产生、传输与收集过程；本发明方法制备的有机光伏器件，特别是优选ec9-4f作为第三组分时，表现出优异的面外(010)π-π堆积相干长度和更小半高宽，受体分子以face-on取向紧密堆积，显著提升了电荷传输能力并减少了非辐射复合，最终使刚性器件的能量转换效率达到20.63%，基于pen/ito的柔性器件效率也达到19.37%以上，且表现出良好的工艺可重复性；此外，本发明提供的制备方法工艺简单、绿色环保，不仅适用于刚性基底，也适用于柔性可穿戴衬底，具有大面积制备的放大潜力，能够有效推动无添加剂制备高性能有机光伏器件在可穿戴电源领域的实际应用。

1.一种有机太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述卤素化第三组分为卤素取代的a-d-a型非富勒烯受体材料，选自ec9-4f、ec9-4cl和ec9-4br中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述给体材料、受体材料和卤素化第三组分的质量比为1:(0.8~1.0):(0.05~0.2)。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自卤代烃或芳香烃类溶剂；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火工艺的条件为：在80℃~120℃的温度下处理3~10min；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电衬底选自刚性导电基底和柔性导电基底中的一种；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层的材料为ph-4pacz；

8.一种有机光伏器件，其特征在于，由权利要求1至7任一项所述的制备方法制备得到；

9.根据权利要求8所述的有机光伏器件，其特征在于，所述有机活性层的厚度为90~100nm，所述顶部电极的厚度为100~150nm；

10.权利要求8或9所述的有机光伏器件在可穿戴电子设备电源中的应用。