[发明专利]一种基于盘状液晶柱的有机太阳能电池结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于盘状液晶柱的有机太阳能电池结构及其制备方法，由下至上依次包括透明导电衬底、空穴传输层、盘状液晶层、有机活性层、电子传输层、金属电极，盘状液晶层的材质为盘状液晶材料，盘状液晶层为若干盘状液晶柱状模块形成的盘状液晶柱。本发明添加盘状液晶层，提高了活性层中拥有face‑on和edge‑on结晶取向的微晶的尺寸，实现了给、受体和HATP盘状液晶柱之间的电荷传输以及3维电荷传输通道；电子迁移率得到大幅度提升；抑制了三线态激子的产生，提高了自由载流子的产率；提高了光电转换效率；抑制基于非富勒烯体系的有机太阳能电池中光电转换效率对活性层厚度的敏感性，为未来的卷对卷生产提供了帮助。

技术领域

本发明涉及一种基于盘状液晶柱的有机太阳能电池结构及其制备方法，属于有机太阳能电池器件制备技术领域。

背景技术

在过去的几十年中，有机太阳能电池由于其具备重量轻、成本低、制备工艺简单等众多优势受到了大家高度的关注。在最近的一段时间，由作为有机光伏材料的给体和受体所组成的体异质结有机太阳能电池的光电转换效率最高达到了16％以上。其中，能够提高电池性能的方法许多，比如热退火处理、溶剂退火处理、添加剂处理等。然而，这些方法已经经历了十分成熟的发展，关于其在细节上的调控以及内部的物理机制的研究已获得了广泛的认同。3维电荷传输作为一种较晚被发现的能够提高器件性能的途径，相关的研究更多地只是体现在器件性能的改变上，并没有对相应器件内部的物理过程做出阐释。同时，形成3维电荷传输的方法通常是采用第三种光伏材料(或是给体，或是受体)作为第三元添加到活性层内，这不仅对材料上的选择有局限性，也提高了整个器件的制备成本。

具有较大π共轭分子的液晶(LC)材料作为一种低成本加工并且非常适用于光电器件设计的材料而受到了人们的广泛研究。LC材料可以通过自组装的方式形成一种具有较高有序度的纳米级结构，这种结构可以为电荷载流子的传输提供一种具有一定各向异性的通道，具有较高的迁移率。同时，LC材料可以用简单的溶液法进行加工，且易于制备大面积的薄层分子的电子器件。其中，盘状液晶(DLC)作为LC材料中的一类，它会通过自组装的分子堆积方式形成一种可以提供一维电荷传输的柱状模块。这种DLC柱状模块的电荷迁移率较高，可以超过1cm²/V·s，同时，通过理论模拟出来的无缺陷DLC柱的迁移率可以超过10cm²/V·s。因此，以DLC柱状模块作为电荷的传输通道，对于3维电荷传输通道的形成以及电荷载流子迁移率的提高具有极好的应用前景。

发明内容

针对目前有机太阳能电池中3维电荷传输的种种缺陷，本发明提供了一个成本更低廉，制备过程更简单且具有一定普适性的方法以解决这种不足。

本发明选取盘状液晶材料2,3,6,7,10,11-hexaacetoxytriphenylene(HATP)作为界面层以及给、受体体系作为有机活性层，本发明选取了两种给、受体体系，分别为富勒烯体系和非富勒烯体系，其中以聚合物给体材料PBDB-T作为两种体系的给体，富勒烯衍生物PC₇₁BM作为富勒烯体系的受体，小分子材料IT-M作为非富勒烯体系的受体。HATP作为一种DLC，具有较高的载流子迁移率，可自组装形成柱状模块作为电荷传输的通道，成本低廉且已通过商业化的方式被广泛使用。采取HATP作为界面层的方法，实现了普适性更高的3维电荷传输通道，解决有机太阳能电池中的电荷迁移率较低的问题，抑制了活性层底部的缺陷态和三线态激子的产生，实现了有机太阳能电池J_SC和PCE的进一步提升，且更加适合于未来的商业化生产，具有很好的应用前景。