[發明專利]基于紫外吸收劑添加的光活性層及三元有機太陽能電池

有效

• 申請號: 202011418165.2
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112542546B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 張茂杰;林吉;郭青;國霞
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 蘇張林

本發明涉及一種基于紫外吸收劑添加的光活性層及三元有機太陽能電池。本發明的光活性層，以重量計：包括紫外吸收劑5?20份、電子給體材料36?43份和電子受體材料43?52份。本發明的光活性層以紫外吸收劑作為第三組分，增強了光活性層吸收光子的能力，改善了給、受體分子的堆積，增強了其結晶性，且優化了活性層的形貌，從而提升了電池器件的光電轉換性能，本發明所制備的三元有機太陽能電池具有良好的熱穩定性和存儲穩定性。

技術領域

本發明涉及有機太陽能電池領域，尤其涉及一種基于紫外吸收劑添加的光活性層及三元有機太陽能電池。

背景技術

隨著全球能源需求的急劇增長，能源問題已經成為21世紀全球可持續發展所面臨的主要挑戰之一，由于太陽能具有清潔、無污染、分布廣泛、取之不盡用之不竭等特點，太陽能在所有的綠色可再生能源中占有很重要的地位。自上世紀以來，研究者們就開始致力于將太陽能轉換成電能的研究，太陽能光伏發電解決能源危機也因此成為可再生能源領域研究的重點與熱點。

目前，根據組成太陽能電池的光活性層材料的不同，人們將太陽能電池分為無機太陽能電池和有機太陽能電池。根據太陽能電池研究技術的發展，太陽能電池的發展主要經歷了以下階段：第一代太陽能電池：基于晶體硅的太陽能電池。隨著技術的不斷發展，目前硅基太陽能電池的能量轉換效率(PCE)已經超30％，可以實現大面積工業生產。但由于其高昂的生產成本限制了其進一步廣泛地應用；第二代太陽能電池主要基于無定形和多晶硅以及金屬硫屬元素化合物和其他類似的薄膜吸收劑。盡管這種電池的能量轉化效率通常低于第一代太陽能電池所達到的水平，但第二代太陽能電池的生產成本遠低于比第一代太陽能電池，因此產生的經濟效果非常顯著，這使得薄膜光伏技術開始備受關注。但由于第二代太陽能電池的光活性層材料如碲化鎘或砷化鎵的毒性以及銦和鎵世界產量的預期短缺問題也限制了其長期使用。第三代太陽能電池主要包括染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池(OSCs)、鈣鈦礦型太陽能電池以及量子點太陽能電池等。其中有機太陽能電池由于其器件制備工藝簡單、質量輕、成本低，可制備柔性、半透明器件等獨特優勢成為研究者們廣泛關注的熱點。傳統OSCs由聚合物給體和富勒烯受體共混作為光吸收活性層，但由于富勒烯受體材料吸光能力較弱且帶隙可調控性差，導致器件能量轉換效率較低。與富勒烯受體相比，非富勒烯受體材料的結構差異大，帶隙可調節空間大，在光譜吸收、能級調控以及光化學穩定性等方面均表現出巨大的優勢。隨著有機太陽能電池光活性層材料的設計合成以及器件制備工藝的創新研究，基于非富勒烯受體材料的有機太陽能電池(OPVs)器件效率不斷取得突破，其單結器件的能量轉換效率已超越18％。

目前，體異質結有機太陽能電池被廣泛研究。單結體異質結有機太陽能電池的光活性層材料主要由一種電子給體和一種電子受體材料組成。然而，基于二元共混體系活性層的OSCs存在吸收相對較窄只能利用部分太陽光譜的缺點，材料的“窄吸收”特性制約了OPVs性能的進一步突破。為了更充分地利用太陽光譜，研究者們將吸收光譜互補的至少兩個活性層串聯，制備了疊層OSCs，進一步地提高了有機太陽能電池的能量轉換效率。但是，疊層器件制備過程相對單結器件更為復雜且成本很高，從而限制了疊層器件的實際生產應用。而三元策略，即在二元共混活性層中引入吸收互補的第三組分，能夠增強光活性層的光吸收，從而提高短路電流密度，同時兼顧了單結體異質結有機太陽能電池器件制備工藝簡單和疊層器件對光子的較強捕獲能力的優勢，是提升有機太陽能電池器件性能行之有效的方法之一。在三元有機太陽能電池中，第三組分具有重要的作用，第三組分的引入不僅能夠拓寬光活性層吸收光譜，更充分地吸收太陽光子，從而提升電流(J_sc)，而且還有其他重要作用。例如，優化活性層形貌，促進激子更加有效地解離和電荷的傳輸，從而進一步提高有機太陽能電池的能量轉換效率。此外，通過第三組分的引入還可以有效地提升器件穩定性。