一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池及其制备方法

1.本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池及其制备方法。


背景技术：

2.太阳能由于具有清洁安全、无污染、储量大等特点。有机太阳电池具有质轻、柔性、可溶液加工、大面积加工、成本低等优点，展现出大规模商业化应用的巨大潜力。
3.近年来，得益于有机材料的设计合成以及器件工程等方面的大量研究，单结有机太阳电池的最高效率已经达到了19％以上。尽管器件光电转换效率已经达到了商业化应用的门槛，然而仍然有一些关键的问题阻碍了向工业化生产中需要的大面积溶液加工制备技术的转化，如溶剂。事实上，目前大多数高性能的有机太阳电池主要是由低沸点溶剂氯仿制备而成的。然而，cf极易挥发且容易分解成强腐蚀性气体，会严重降低设备寿命，且不利于人员安全，更重要的是不利于工业化所需的大面积制备工艺，如印刷技术、卷对卷加工技术等，这些工艺手段都需要与之匹配的润湿性、粘度和蒸发速率，以允许形成均匀的薄膜。voigt等人发现，高沸点溶剂不仅具有更合适的粘度以形成均匀的薄膜，而且可以有助于改善大面积活性层的形貌(solar energy materials and solar cells，2012，105，77-85)。因此探索如何在中低毒甚至无毒的高沸点溶剂加工条件下实现高性能的有机太阳电池对促进工业化进程非常有必要。事实上，大多数应用在有机太阳电池活性层的材料，包括共轭聚合物和小分子通常是从卤代溶剂中合成和纯化的，根据相似相容原理，这些有机材料能在氯仿中具备良好的可加工性，相反，这些有机材料在高沸点溶剂中表现出有限的溶解性和加工性能。在同一工艺流程下，由高沸点溶剂制备的体异质结形貌难以媲美氯仿溶剂。
4.为了得到理想的形貌，研究者做了许多的努力。如华南理工大学黄飞等人通过侧链工程策略延长了y6位于tpbt的中心单元上的烷基链得到dty6，提高溶解度的同时增大受体分子间空间位阻，抑制分子过度聚集，在非卤溶剂邻二甲苯加工的大面积模块组件(18cm2)中实现超过14％的效率(joule,2020,4(9),2004-2016)。又如苏州大学崔超华等人在pm6:y6二元体系活性层中加入固体添加剂蒽，蒽与y6良好的混溶性限制了y6的过度聚集，而蒽在后续的110℃的热退火中可完全挥发，在蒽去除的动力学过程中为pm6嵌入y6基质中留下可用空间，由此形成合适的相分离和双连续互穿网络，使得氯苯溶剂加工的器件效率从10％提高到16左右，非卤溶剂邻二甲苯加工的器件效率从7％提高到15％左右(advanced functional materials,2021,31(37),2103944)。由上述例子可以看到，相比于富勒烯受体，基于稠环的非富勒烯受体的平面共轭骨架特征和强结晶度为形貌调控带来更大的难度和挑战。
5.目前基于高沸点溶剂光活性层形貌调控的方法大多依赖于材料的设计合成或添加剂的混溶性诱导，通常需要较大的试错成本和复杂的后处理手段。因此实现在溶剂蒸发过程中调控动力学参数一步“锁定”薄膜的最优形貌具有重要的现实意义。


技术实现要素：

6.目前高效的非富勒烯受体材料具有平面共轭骨架特征导致其通常在高沸点溶剂中较难形成有利的π-π堆积方向，同时强结晶度导致在其在高沸点溶剂中容易发生过度聚集，为实现平衡的电荷解离和传输带来了挑战。为了解决这样的难题，本发明提出了一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池及其制备方法，在合理的动力学参数调控下“锁定”薄膜最优形貌，淬火至电荷传输的渗流阈值附近，实现短路电流密度和填充因子的大幅提升。
7.本发明基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳能电池通过采用高沸点溶剂加工光活性层，在旋涂前预热传输层制备器件，可以有效提高器件短路电流密度和填充因子，实现高沸点溶剂加工的高效非富勒烯有机太阳电池的制备。该有机太阳电池采用经典的三明治结构：透明衬底/导电阳极/空穴传输层/光活性层/电子传输层/金属阴极。其中，光活性层为有机电子给体材料和有机电子受体材料在溶液状态下共混后旋涂而成的体异质结薄膜。本发明的核心，在于采用高沸点加工光活性层时，无需引入添加剂和进行后处理，只需要在旋涂前预热传输层，这可以有效加速高沸点溶剂蒸发速率，缩短成膜时间，抑制非富勒烯受体过度聚集，将非晶混合相组成淬火到电荷传输的渗流阈值附近。这样的快速淬火策略增强了双连续互穿网络结构形成，平衡电荷解离和传输，有效提高短路电流密度和填充因子，最终实现高沸点溶剂加工的高效非富勒烯有机太阳电池的制备。此外，本发明涉及了低毒性的非卤溶剂的使用，因此可在空气氛围下进行旋涂，同时，不引入添加剂和进行后处理，可以精简制备步骤，降低制备成本，在一定程度上促进了有机太阳电池的商业化进程。
8.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
9.一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，所述非富勒烯有机太阳电池的光活性层是由光活性层溶液旋涂在预热后的传输层上淬火得到的；所述光活性层溶液包括聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料；所述光活性层溶液中的溶剂为高沸点有机溶剂。
10.优选的，所述传输层为空穴传输层或电子传输层。
11.优选的，所述光活性层溶液中的溶剂为沸点100～200℃的有机溶剂。
12.优选的，所述光活性层溶液的预热温度为20～120℃；所述传输层的预热温度为40～200℃；
13.优选的，所述光活性层溶液中的溶剂为氯苯、邻二氯苯、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、三甲基苯中的至少一种。
14.优选的，所述光活性层溶液在旋涂前预热5～10分钟；
15.优选的，所述传输层在旋涂前预热2～5分钟；
16.优选的，所述预热后的传输层快速转移到匀胶机上进行光活性层溶液旋涂。
17.优选的，所述的光活性层溶液无需加入任何添加剂，光活性层在旋涂成膜后无需经过任何后处理。
18.优选的，所述的光活性层溶液通过加热搅拌溶解制备，加热搅拌的温度为50～80℃，加热搅拌的时间为6～12小时。进一步优选的，温度为65℃。
19.优选的，所述聚合物给体材料为窄带隙弱结晶性聚合物，所述非富勒烯小分子受体材料为具有a-d-a结构稠环的较强结晶性的非富勒烯小分子；所述光活性层的厚度为50
～300nm。
20.进一步优选的，所述聚合物给体材料为pm6，所述非富勒烯小分子受体材料为y6及其衍生物btp-ec9、l8-bo，化学结构式如下所示：
[0021][0022]
其中，聚合物给体材料的分子量为10～55kda。
[0023]
优选的，所述聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料的质量比为1:0.5～1:2；
[0024]
所述光活性层溶液中聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料的总浓度为10～30mg/ml。
[0025]
优选的，所述非富勒烯有机太阳电池自下而上依次包括层叠的透明衬底1、导电阳极2、空穴传输层3、光活性层4、电子传输层5和金属阴极6。
[0026]
进一步优选的，所述透明衬底1为玻璃；所述导电阳极2为ito，涂覆于透明衬底之上；所述空穴传输层3的材料为pedot:pss、ws2中至少一种；
[0027]
进一步优选的，所述电子传输层5的材料为pdino、pdin、pdinn、pfn-br中的一种，厚度为5～50nm；更优选的，厚度为5nm。
[0028]
进一步优选的，所述金属阴极6为ag、al、au和cu中的至少一种，厚度为80～120nm；更优选的，厚度为100nm。
[0029]
进一步优选的，所述金属阴极采用热沉积法经由真空蒸镀系统沉积而成；所述真空蒸镀系统的压强范围为1x10-4
到4x10-4
pa。
[0030]
上述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
[0031]
(1)清洗含导电阳极涂层的透明衬底并干燥；
[0032]
(2)在步骤(1)所得导电阳极涂层表面之上通过旋涂、喷涂、刮图或丝网印刷构筑一层空穴传输层，随后进行热退火处理；
[0033]
(3)预热步骤(2)所得空穴传输层，并在空穴传输层上面旋涂光活性层溶液，淬火得到光活性层薄膜；
[0034]
(4)在步骤(3)所得光活性层上旋涂一层电子传输层；
[0035]
(5)在步骤(4)所得电子传输层上真空蒸镀阴极金属。
[0036]
本发明相对于现有技术而言，具有以下优点及有益效果：
[0037]
(1)本发明提供了一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池的制备方法，无需引入添加剂，无需进行后处理，在器件优化过程大大减轻了试错成本和降低了工艺复杂性。
[0038]
(2)本发明所提供的制备方法解决了非富勒烯体系在高沸点溶剂中形貌调控的难题。抑制了非富勒烯受体分子不利于电荷传输的π共轭堆积取向以及非富勒烯受体分子的过度聚集。获得更高的eqe光谱响应以及更高的激子解离和电荷收集效率。
[0039]
(3)本发明所提供的非富勒烯有机太阳电池器件，实现了高短路电流密度和填充因子，最终在高沸点溶剂加工条件下实现了高效的光电转换效率，在一定程度上促进了有
机太阳电池的商业化进程。
附图说明
[0040]
图1为本发明中快速淬火策略的示意图；
[0041]
图2为本发明中有机太阳电池的结构示意图；
[0042]
图3为对比例1、对比例2以及实施例1不同参数的器件在光照条件下的电流密度-电压关系图；
[0043]
图4为对比例1、对比例2以及实施例1(150℃，3300rpm)的外量子效率测试结果图；
[0044]
图5为对比例1、对比例2以及实施例1(150℃，3300rpm)的净光生电流-有效电压关系图；
[0045]
图6为实施例2和对比例3在光照条件下的电流密度-电压关系图；
[0046]
图7为实施例2和对比例3的外量子效率测试结果图；
[0047]
图8为实施例2和对比例3所得的净光生电流-有效电压关系图；
[0048]
图9为实施例3和对比例4在光照条件下的电流密度-电压关系图；
[0049]
图10为实施例3和对比例4的外量子效率测试结果图；
[0050]
图11为实施例3和对比例4所得的净光生电流-有效电压关系图；
[0051]
图12为实施例4和对比例5在光照条件下的电流密度-电压关系图；
[0052]
图13为实施例4和对比例5的外量子效率测试结果图；
[0053]
图14为实施例4和对比例5所得的净光生电流-有效电压关系图；
[0054]
图15为实施例1(150℃，3300rpm)的活性层薄膜所测试的透射电子显微镜图；
[0055]
图16为对比例1的活性层薄膜所测试的透射电子显微镜图；
[0056]
图17为对比例2的活性层薄膜所测试的透射电子显微镜图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。各实施例中所采用的试剂，均可采用市售商品，没有特殊限制。
[0058]
实施例1
[0059]
实施例1器件结构为ito/pedot:pss/pm6:y6/pdin/ag。
[0060]
图2是本发明的一个实施例制备的有机太阳电池结构示意图。如图2所示，该有机太阳电池采用正装结构，自上而下依次为透明玻璃衬底1、导电阳极2(ito)、空穴传输层3(pedot:pss)、光活性层4(pm6:y6)、电子传输层5(pdin)和金属阴极6(ag)。器件结构为ito/pedot:pss/pm6:y6/pdin/ag。
[0061]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0062]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，将
电压关系图、外量子效率测试结果图、净光生电流-有效电压关系图。
[0073]
表1为pm6:y6体系中的实施例1、对比例1和对比例2的器件性能参数对比
[0074][0075][0076]
实施例2
[0077]
实施例2器件结构为ito/pedot:pss/pm6:y6/pdin/ag。
[0078]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0079]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，将pm6:y6＝1:1.2(质量比)、溶液总浓度为20mg/ml的共混溶液(溶剂为邻二甲苯)在80℃热台上预热5min，另外将玻璃衬底置于150℃热台上预热2min，接着快速转移玻璃衬底至匀胶机上，将活性层溶液以3300rpm的转速在pedot:pss上旋涂成膜，旋涂时间为60s，得到厚度约100nm的共混膜。将溶于甲醇、浓度为2mg/ml的pdin溶液均匀涂覆在活性层表面，并以3000rpm转速旋涂30s，得到厚度约为5nm的电子传输层。最后将片子置于有效面积为0.057cm2的掩膜板上，转入真空蒸镀设备，带真空度达到4
×
10-4
pa条件下加热银颗粒使其沉积到电子传输层上方，厚度为100nm。
[0080]
对比例3
[0081]
对比例3与实施例2的制备条件基本相同，主要是光活性层采用常规的常温旋涂方式，其器件结构为ito/pedot:pss/pm6:y6/pdin/ag。
[0082]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0083]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇
超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，室温下，将pm6:y6＝1:1.2(质量比)、溶液总浓度为20mg/ml的共混溶液(溶剂为邻二甲苯)以2500rpm的转速在pedot:pss上旋涂成膜，旋涂时间为60s，得到厚度约100nm的共混膜。将溶于甲醇、浓度为2mg/ml的pdin溶液均匀涂覆在活性层表面，并以3000rpm转速旋涂30s，得到厚度约为5nm的电子传输层。最后将片子置于有效面积为0.057cm2的掩膜板上，转入真空蒸镀设备，带真空度达到4
×
10-4
pa条件下加热银颗粒使其沉积到电子传输层上方，厚度为100nm。
[0084]
图6、图7和图8依次为实施例2和对比例3在相同光照条件下的电流密度-电压关系图、外量子效率测试结果图、净光生电流-有效电压关系图。
[0085]
表2为pm6:y6体系中的实施例2和对比例3的器件性能参数对比
[0086][0087][0088]
实施例3
[0089]
实施例3器件结构为ito/pedot:pss/pm6:btp-ec9/pdin/ag。
[0090]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0091]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，将pm6:btp-ec9＝1:1.2(质量比)、溶液总浓度为20mg/ml的共混溶液(溶剂为邻二甲苯)在80℃热台上预热5min，另外将玻璃衬底置于150℃热台上预热2min，接着快速转移玻璃衬底至匀胶机上，将活性层溶液以3300rpm的转速在pedot:pss上旋涂成膜，旋涂时间为60s，得到厚度约100nm的共混膜。将溶于甲醇、浓度为2mg/ml的pdin溶液均匀涂覆在活性层表面，并以3000rpm转速旋涂30s，得到厚度约为5nm的电子传输层。最后将片子置于有效面积为0.057cm2的掩膜板上，转入真空蒸镀设备，带真空度达到4
×
10-4
pa条件下加热银颗粒使其沉积到电子传输层上方，厚度为100nm。
[0092]
对比例4
[0093]
对比例4与实施例3的制备条件基本相同，主要是光活性层采用常规的常温旋涂方式，其器件结构为ito/pedot:pss/pm6:btp-ec9/pdin/ag。
[0094]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0095]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，室温下，将pm6:btp-ec9＝1:1.2(质量比)、溶液总浓度为20mg/ml的共混溶液(溶剂为邻二甲苯)以2500rpm的转速在pedot:pss上旋涂成膜，旋涂时间为60s，得到厚度约100nm的共混膜。将溶于甲醇、浓度为2mg/ml的pdin溶液均匀涂覆在活性层表面，并以3000rpm转速旋涂30s，得到厚度约为5nm的电子传输层。最后将片子置于有效面积为0.057cm2的掩膜板上，转入真空蒸镀设备，带真空度达到4
×
10-4
pa条件下加热银颗粒使其沉积到电子传输层上方，厚度为100nm。
[0096]
图9、图10和图11依次为实施例3和对比例4在相同光照条件下的电流密度-电压关系图、外量子效率测试结果图、净光生电流-有效电压关系图。
[0097]
表3为pm6:btp-ec9体系中的实施例3和对比例4的器件性能参数对比
[0098][0099]
实施例4
[0100]
实施例4器件结构为ito/pedot:pss/pm6:l8-bo/pdin/ag。
[0101]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0102]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，将pm6:l8-bo＝1:1.2(质量比)、溶液总浓度为20mg/ml的共混溶液(溶剂为邻二甲苯)维持室温，另外将玻璃衬底置于150℃热台上预热2min，接着快速转移玻璃衬底至匀胶机上，将活性层溶液以3300rpm的转速在pedot:pss上旋涂成膜，旋涂时间为60s，得到厚度约100nm的
共混膜。将溶于甲醇、浓度为2mg/ml的pdin溶液均匀涂覆在活性层表面，并以3000rpm转速旋涂30s，得到厚度约为5nm的电子传输层。最后将片子置于有效面积为0.057cm2的掩膜板上，转入真空蒸镀设备，带真空度达到4
×
10-4
pa条件下加热银颗粒使其沉积到电子传输层上方，厚度为100nm。
[0103]
对比例5
[0104]
对比例5与实施例4的制备条件基本相同，主要是光活性层采用常规的常温旋涂方式，其器件结构为ito/pedot:pss/pm6:l8-bo/pdin/ag。
[0105]
上述有机太阳电池的具体制备方法包括以下步骤：
[0106]
ito导电玻璃在反面刻字，以便后续使用。随后依次使用四次超纯水和一次异丙醇超声清洗刻蚀ito的玻璃衬底。每个步骤持续15min，完成后将其置于70℃烘箱中烘干。实验前，先对ito进行o2plasma处理，目的是完成对ito进一步清洗。然后在ito的表面旋涂一层pedos:pss(4083),转速为4000rpm，旋涂时间为30s，最终厚度为40nm。旋涂完成后将玻璃衬底置于150℃热台上热退火处理15min。随后将玻璃衬底转移到充满氮气的手套箱内，室温下，将pm6:l8-bo＝1:1.2(质量比)、溶液总浓度为20mg/ml的共混溶液(溶剂为邻二甲苯)以2500rpm的转速在pedot:pss上旋涂成膜，旋涂时间为60s，得到厚度约100nm的共混膜。将溶于甲醇、浓度为2mg/ml的pdin溶液均匀涂覆在活性层表面，并以3000rpm转速旋涂30s，得到厚度约为5nm的电子传输层。最后将片子置于有效面积为0.057cm2的掩膜板上，转入真空蒸镀设备，带真空度达到4
×
10-4
pa条件下加热银颗粒使其沉积到电子传输层上方，厚度为100nm。
[0107]
图12、图13和图14依次为实施例4和对比例5在相同光照条件下的电流密度-电压关系图、外量子效率测试结果图、净光生电流-有效电压关系图。
[0108]
表3为pm6:l8-bo体系中的实施例4和对比例5的器件性能参数对比
[0109][0110]
对比例1和对比例2的器件性能差异表明，对比例1的开路电压和短路电流存在很大的损失，这源于活性层不良形貌的形成。如图16和17所示，相比于对比例2，对比例1的活性层薄膜表现出较大的相尺寸，这应该是由于氯苯缓慢的溶剂挥发特性促使分子在自组装过程中形成大尺度的液液相分离。大的相分离程度无法为激子解离提供充足的d/a接触面积，造成了对比例1低下的光子利用率，这可以从图4和图5的eqe光响应和饱和净光生电流-有效电压关系得以验证。通过对比例1和实施例1各条件的对比可发现，增大热衬底的温度，器件可以获得三个基本参数的显著提升，衬底温度为150℃是转折点，衬底温度的进一步提
高会使短路电流和填充因子有所下降。因此最佳衬底温度为150℃，此时薄膜混合相的组成被淬火至电荷传输的渗流阈值附近，最优条件的器件效率为16.74％。总之，快速淬火策略有助于氯苯加工的pm6:y6器件获得优异的器件性能，甚至优于不处理的氯仿加工器件，“锁定”更均匀平滑的活性层形貌纹理，如图15所示，进而获得更有效的激子解离和电荷收集，导致更均衡高效的eqe光响应。
[0111]
下面将快速淬火策略中应用于非卤溶剂邻二甲苯加工的不同体系的器件制备中。
[0112]
pm6:y6体系测试结果及主要参数如图6和表1所示。其中对比例3中基于常规室温旋涂方式的器件的开路电压为0.778v，短路电流密度为16.01ma/cm2，填充因子为68.61％，光电转换效率为8.54％。实施例2中基于快速淬火策略旋涂方式的器件的开路电压为0.808v，短路电流密度为26.37ma/cm2，填充因子为76.80％，光电转换效率为16.38％。可以看到基于快速淬火策略在pm6:y6体系中实现了三个基本参数的同时提升，最终导致光电转换效率翻了将近一倍。外量子效率测试结果如图7所示，实施例2相比对比例3，拓宽了近红外的响应边，短波段和长波段上的光响应得到了显著的提升。净光生电流-有效电压测试结果如图8所示，实施例2相比于对比例3，在相同的有效电压下，具有更高的净光生电流，再者具有更高的饱和净光生电流，说明实施例2中的器件具有更高效的激子解离和电荷收集效率。
[0113]
pm6:btp-ec9体系测试结果及主要参数如图9和表2所示。其中对比例4中基于常规室温旋涂方式的器件的开路电压为0.848v，短路电流密度为23.45ma/cm2，填充因子为76.08％，光电转换效率为15.12％。实施例3中基于快速淬火策略旋涂方式的器件的开路电压为0.834v，短路电流密度为27.67ma/cm2，填充因子为76.83％，光电转换效率为17.74％。可以看到基于快速淬火策略在pm6:btp-ec9体系中牺牲了些许开路电压值，换来了大幅提升的短路电流密度以及略微提升的填充因子，最终实现了非卤溶剂加工器件前列水平的效率值。外量子效率测试结果如图10所示，实施例3相比对比例4，略微拓宽了近红外的响应边，在425nm-625左右波段光响应有所上升，在625-850nm左右波段光响应的提升补全了响应缺口。净光生电流-有效电压测试结果如图11所示，实施例3相比于对比例4，具有更高的饱和净光生电流，说明实施例3中的器件具有更高效的激子解离和电荷收集效率。
[0114]
pm6:l8-bo体系测试结果及主要参数如图12和表3所示。其中对比例5中基于常规室温旋涂方式的器件的开路电压为0.865v，短路电流密度为22.78ma/cm2，填充因子为76.63％，光电转换效率为15.10％。实施例4中基于快速淬火策略旋涂方式的器件的开路电压为0.854v，短路电流密度为25.40ma/cm2，填充因子为77.38％，光电转换效率为16.78％。可以看到基于快速淬火策略在pm6:l8-bo体系中牺牲了些许开路电压值，换来了大幅提升的短路电流密度以及有所提升的填充因子。外量子效率测试结果如图13所示，实施例4相比对比例5，无论是短波段还是长波段，光响应都有较大的提升。净光生电流-有效电压测试结果如图14所示，实施例4相比于对比例5，具有更高的饱和净光生电流，说明实施例4中的器件具有更高效的激子解离和电荷收集效率。
[0115]
由此可见，对于非富勒烯体系，在高沸点加工制备器件过程中采用快速淬火策略能有效改善载流子传输和拆分通道，增强光电响应，实现高效的器件转换效率。
[0116]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变
化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述非富勒烯有机太阳电池的光活性层是由光活性层溶液旋涂在预热后的传输层上淬火得到的；所述光活性层溶液包括聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料；所述光活性层溶液中的溶剂为高沸点有机溶剂。2.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述传输层为空穴传输层或电子传输层；所述光活性层溶液中的溶剂为沸点100～200℃的有机溶剂。3.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述光活性层溶液的预热温度为20～120℃；所述传输层的预热温度为40～200℃；所述光活性层溶液中的溶剂为氯苯、邻二氯苯、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、三甲基苯中的至少一种。4.根据权利要求3所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述光活性层溶液在旋涂前预热5～10分钟；所述传输层在旋涂前预热2～5分钟；所述预热后的传输层快速转移到匀胶机上进行光活性层溶液旋涂。5.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体材料为窄带隙弱结晶性聚合物，所述非富勒烯小分子受体材料为具有a-d-a结构稠环的较强结晶性的非富勒烯小分子；所述光活性层的厚度为50～300nm。6.根据权利要求5所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体材料为pm6，所述非富勒烯小分子受体材料为y6及其衍生物btp-ec9、l8-bo，化学结构式如下所示：其中，聚合物给体材料的分子量为10～55kda。7.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料的质量比为1:0.5～1:2；所述光活性层溶液中聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料的总浓度为10～30mg/ml。8.根据权利要求1所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述非富勒烯有机太阳电池自下而上依次包括层叠的透明衬底(1)、导电阳极(2)、空穴传输层(3)、光活性层(4)、电子传输层(5)和金属阴极(6)。9.根据权利要求8所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池，其特征在于，所述透明衬底(1)为玻璃；所述导电阳极(2)为ito，涂覆于透明衬底之上；所述空穴传输层(3)的材料为pedot:pss、ws2中至少一种；所述电子传输层(5)的材料为pdino、pdin、pdinn、pfn-br中的一种，厚度为5～50nm；所述金属阴极(6)为ag、al、au和cu中的至少一种，厚度为80～120nm；所述金属阴极采用热沉积法经由真空蒸镀系统沉积而成；所述真空蒸镀系统的
压强范围为1x10-4
到4x10-4 pa。10.权利要求1-9任一项所述的基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)清洗含导电阳极涂层的透明衬底并干燥；(2)在步骤(1)所得导电阳极涂层表面之上通过旋涂、喷涂、刮图或丝网印刷构筑一层空穴传输层，随后进行热退火处理；(3)预热步骤(2)所得空穴传输层，并在空穴传输层上面旋涂光活性层溶液，淬火得到光活性层薄膜；(4)在步骤(3)所得光活性层上旋涂一层电子传输层；(5)在步骤(4)所得电子传输层上真空蒸镀阴极金属。

技术总结
本发明公开了一种基于快速淬火策略的非富勒烯有机太阳能电池及其制备方法。本发明的非富勒烯有机太阳电池的光活性层是由光活性层溶液旋涂在预热后的传输层上淬火得到的；所述光活性层溶液包括聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料；所述光活性层溶液中的溶剂为高沸点有机溶剂。本发明通过采用高沸点有机溶剂加工光活性层，在旋涂前预热传输层制备器件，可以有效提高器件短路电流密度和填充因子，实现高沸点溶剂加工的高效非富勒烯有机太阳电池的制备。本发明的高沸点溶剂可以为低毒性的非卤溶剂，因此可在空气氛围下进行旋涂，同时，不引入添加剂和进行后处理，可以精简制备步骤，降低制备成本，在一定程度上促进了有机太阳电池的商业化进程。机太阳电池的商业化进程。机太阳电池的商业化进程。


技术研发人员：何志才 何濠启
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/8/23