一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池

本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池。

背景技术：

1、有机太阳电池近年来取得了突破性进展。目前，单结和叠层有机太阳电池的最高能量转换效率(pce)分别达到19.6％和20.1％，基本可以满足实际应用的效率要求(nat.mater.2022,21,656；joule 2022,6,1-14)。尽管与无机电池相比，有机太阳电池在效率上仍然存在一定差距，但有机太阳电池具有许多独特的优势，包括柔性、质量轻、颜色可调、半透明和低成本溶液加工性(nat.energy 2021,6,1045；adv.mater.2022,34,2200044)。因此，制备高性能的有机太阳电池，并充分利用其优势，开发更多样化的应用场景，例如可穿戴电子器件、建筑或车辆集成光伏、生物医疗器件等，对有机太阳电池的发展意义重大(nature 2018,561,516；nat.commun.2021,12,2234)。

2、然而，当前有机太阳电池普遍采用的透明电极是基于稀有元素和易碎的氧化铟锡(ito)，成为有机太阳电池无法发挥其柔性等特色的主要瓶颈。为此，人们致力于开发各种替代ito的透明电极材料，例如金属纳米线(nws)、金属网格、超薄金属、石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等。其中，银纳米线由于其高导电性和良好的透光率而受到最多的研究(adv.mater.2020,32,1908478；adv.mater.2021,2103017)。但是，银纳米线电极的粗糙表面有可能刺穿活性层，导致电池发生短路的概率变大。此外，基于超薄金属薄膜(如超薄银)的透明电极也得到了广泛的探索，它表现出高导电性和强陷光性的优点，并为有机太阳电池提供了优越的柔韧性和器件面积放大能力(adv.mater.2022,34,2200044)。然而，超薄金属在衬底上的成膜机制，一般遵循“孤岛生长”(island growth)方式，只有达到一定的厚度(≥10nm)，金属原子才能铺满整个衬底，形成完整的导电网络；同时，“孤岛生长”方式使薄膜中的金属颗粒变大、表面不光滑，增大了对入射太阳光的散射。因此，如何在保持超薄金属薄膜高导电率的前提下进一步改善其透光能力，成为一大挑战。

3、值得注意的是，在超薄柔性衬底(<10μm)上制备有机太阳电池是拓宽有机太阳电池应用的一个非常有前景的发展方向，因为这种超薄有机太阳电池(也称超柔有机太阳电池)可以使器件表现出超柔韧和超轻量的特性，以满足不同场景甚至一些极端环境的需求，如航空航天领域对太阳电池高功率密度的苛刻要求(adv.mater.2022,34,2106683)。但是，目前超柔有机太阳电池的能量转换效率仍然落后于传统的刚性玻璃衬底有机太阳电池，其中的重要原因是，超薄衬底容易褶皱的缺点严重影响了在其上沉积的透明电极的薄膜质量。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，该结构使基于超薄银的透明电极同时获得高透光率和高导电率，并使超薄银电极远离容易褶皱的超薄衬底，以实现一种高能量转换效率和高功率密度的超柔有机太阳电池。

2、本发明的高效超柔有机太阳电池自下而上包括柔性衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层、阴极和减反射层，所述的阴极为基于超薄银的透明电极。

3、所述的基于超薄银的透明电极为5～15nm厚的银，更为优选的，为5～15nm厚的银和其下不超过2nm厚的金构成的双层薄膜。

4、优选的，所述的阴极修饰层为5～15nm厚的pfn-br、pdino或bis-fimg，它们的化学结构式依次为(a)、(b)、(c)：

5、

6、优选的，所述的活性层为聚合物给体pm6和非富勒烯受体l8-bo的共混膜，厚度为50～300nm。

7、优选的，所述的阳极修饰层为10～30nm厚的pedot:pss和其下3～8nm厚的pcp-2f-li构成的双层薄膜。

8、优选的，所述的减反射层为20～100nm厚的teo2；

9、优选的，所述的阳极为80～150nm厚的金、银或铜；

10、优选的，所述的衬底为0.5～10μm厚的聚酰亚胺(pi)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(tpu)或苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)。

11、本发明的创新点在于采用基于超薄银的透明电极和顶入射结构来制备超柔有机太阳电池，从而带来以下优势：

12、1、顶入射结构的优点是入射光不需要穿透衬底而直接被活性层吸收，这使得器件的光伏性能与衬底的光学性能无关，从而丰富了衬底的选择。因此，可以选择不同的衬底来制备不同类型的有机太阳电池，以满足各种场合的使用需求。特别是在本发明中，当选择柔性好和力学强度高的聚合物衬底制备超柔有机太阳电池时，顶入射结构使超薄银电极远离容易褶皱和表面张力小的超薄聚合物衬底超薄银受到的内应力小，可优选电极修饰层实现良好浸润，薄膜质量得到保证。

13、2、本发明的透明电极是在传统的超薄银电极下具有一层1nm左右的金作为种子层，再加上银原子与电极下面的阴极修饰层材料形成ag-o和ag-i相互作用，这些因素都诱导超薄银的成膜机制从“孤岛生长”(island growth)向“逐层生长”(layer by layergrowth)方式转变，超薄银即使厚度只有8nm，仍然非常平整、均匀、连续与光滑，在保持高导电率的前提下改善了透光率，为实现高效率超柔有机太阳电池奠定了基础。

14、由于上述优点，本发明获得了迄今为止超柔有机太阳电池的最高能量转换效率(pce＝17.32％)，也获得了目前所有光伏技术中的最高功率密度(39.72w g-1)。

技术特征：

1.一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，它自下而上包括柔性衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层、阴极和减反射层，其特征在于，所述的阴极为基于超薄银的透明电极。

2.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的基于超薄银的透明电极为5～15nm厚的银。

3.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的基于超薄银的透明电极为5～15nm厚的银和其下不超过2nm厚的金构成的双层薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的阴极修饰层为5～15nm厚的pfn-br、pdino或bis-fimg，它们的化学结构式依次为(a)、(b)、(c)：

5.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的活性层为聚合物给体pm6和非富勒烯受体l8-bo的共混膜，厚度为50～300nm。

6.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的阳极修饰层为10～30nm厚的pedot:pss和其下3～8nm厚的pcp-2f-li构成的双层薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的减反射层为20～100nm厚的teo2。

8.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的阳极为80～150nm厚的金、银或铜。

9.根据权利要求1所述的一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，其特征在于，所述的衬底为0.5～10μm厚的聚酰亚胺(pi)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(tpu)或苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)。

技术总结
本发明公开了一种顶入射结构的高效超柔有机太阳电池，它自下而上包括柔性衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层、阴极和减反射层，其中阴极是基于超薄银的透明电极。尤其是通过优选阴极修饰层以及引入不超过2nm厚的金作为种子层，使超薄银表面更加光滑和均匀，该透明电极能够进一步提高有机太阳电池的光电能量转换效率(PCE)。同时，利用顶入射结构对不同衬底的广泛适应性，该有机太阳电池在厚度仅为1.3μm的聚酰亚胺柔性衬底上也能实现与mm级刚性玻璃衬底相媲美的PCE(17.32％)。由此，本发明获得了迄今为止超柔有机太阳电池的最高效率，也获得了目前所有光伏技术中的最高功率密度(39.72W g<supgt;‑1</supgt;)。

技术研发人员：施敏敏,郑祥均,陈红征,左立见
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13