CN114725285A - 一种适用于室内环境光的双层太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于室内环境光的双层太阳电池，其包括活性层，所述活性层为双层结构，其中，所述双层结构为电子给体层和电子受体层叠加而成的结构。该双层太阳电池包括活性层的制备方法包括如下步骤：S1.将电子给体材料通过良溶剂溶解并沉积；S2.将电子受体材料通过良溶剂与给体劣溶剂的混合溶剂溶解并沉积在电子给体层上；同时限定了电子给体材料和电子受体材料在对应溶剂中的相关溶解度。该双层太阳电池在室内环境光下具有优异的光电转化效率。

Description

一种适用于室内环境光的双层太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机光伏器件领域，具体涉及一种适用于室内环境光的双层太阳电池及其制备方法。
背景技术
随着5G信息技术及物联网技术的快速发展，各类微电子终端设备应运而生。此类设备具有小尺寸、微功耗、高度分散的特征，要求持续稳定的离网式能源供给，且一般在室内使用。相较于太阳光的宽发射光谱和高辐照强度，室内LED灯和荧光灯的发射光谱范围仅为400-700nm，辐照强度不到太阳光的1％，低于1mW/cm2。由于光谱范围不匹配及低载流子浓度造成的复合加剧，硅基太阳电池的光电转化效率在室内环境光下较低。而有机太阳电池具有光谱连续可调，可见光透过率高、陷阱复合相对较小及柔性等特征，更加适合在室内工作环境中将弱光转化为持续稳定的电能。
目前高效的室内有机太阳电池普遍基于本体异质结结构制备，亦即将电子给体材料和电子受体材料按比例共混溶解，通过溶液加工工艺构筑共混活性层。本体异质结共混的活性层形貌调控相对复杂，同时连续互穿的网络结构和非理想的界面接触都会导致较大的陷阱复合损失。而双层结构有机太阳电池相对独立的分层结构和理想的界面接触可显著降低暗电流并抑制陷阱复合和双分子复合，因此，希望尝试通过构筑双层活性层结构来改善室内光伏性能。
一般地，正装双层结构有机太阳电池的采用正交溶剂法制备双层活性层，即电子给体材料独立溶解并沉积，电子受体材料选取正交溶剂溶解并沉积在电子给体层上。这里的正交溶剂须同时满足良好溶解受体材料而不溶解给体材料的特点，给制备条件和工艺带来很大的限制。而有人也提出电子受体材料采用一般的良溶剂溶解，如Song Yi Park等人(Adv.Energy Mater.2021,2103237)所记载的方法，其制备了一种双层器件，电子给体材料和电子受体材料均采用了良溶剂进行溶解加工(分别为氯苯和二氯甲烷)。而这一方法往往会在电子受体层沉积过程中破坏电子给体层，使得器件光电性能受到不良影响。
发明内容
为了克服目前技术中所存在的缺点和不足，本发明公开了一种适用于室内环境光的双层有机太阳电池以及相关制备方法。电子给体材料独立溶解并沉积，电子受体材料通过混有给体劣溶剂的混合溶剂溶解并沉积在电子给体层上，从而构筑双层太阳电池器件。该双层太阳电池具有相对独立的分层结构，其活性层垂直相分离尺度较高，具有理想的界面接触，避免了电子给体层和电子受体层与相反极性电极直接接触。令人意外地发现，基于此方法制备的双层器件可有效地降低漏电流、压制暗电流，提高激子抽取能力，减少陷阱复合，从而提高在室内环境光下的光电转化效率。
本发明的术语“室内环境光”，是指发射波谱主要覆盖400-700nm的室内照明灯光，如荧光灯、白炽灯、LED灯等，一般为照度100-2000lux的LED灯光。
本发明的术语“太阳光”，是指发射波谱覆盖280-4000nm的自然或模拟太阳光，一般为标准AM 1.5G太阳光谱。
本发明的一个目的在于提供一种适用于室内环境光的双层太阳电池，其包括活性层，所述活性层为双层结构，
其中，所述双层结构为电子给体层和电子受体层叠加而成的结构。
进一步地，所述适用于室内环境光的双层太阳电池还包括电子传输层或空穴传输层的至少一种。
进一步地，所述活性层中，
所述电子给体层含有电子给体材料，所述电子给体材料选自基于特定单元1的P型有机半导体，
所述电子受体层含有电子受体材料，所述电子受体材料选自基于特定单元2的N型有机半导体；
其中，所述特定单元1含有下列结构的一种或多种：
Figure BDA0003543349300000021
所述特定单元2含有下列结构的一种或多种：
Figure BDA0003543349300000031
其中，所述R1-R6，独立地选自碳原子数为1-40的烷基，或者碳原子数为1-40的烷基衍生物；
所述烷基衍生物上的一个或多个碳原子，被氢原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种所取代；
和/或，
所述烷基衍生物上的一个或多个氢原子，被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种取代；
所述X1-X6，独立地选自氢原子、氟原子、氯原子、氰基、硝基的一种或多种。
进一步地，所述电子传输层选自有机化合物1、无机化合物1，或其组合；
其中，所述有机化合物1选自富勒烯及其衍生物、萘二酰亚胺及其衍生物、苝二酰亚胺及其衍生物、4,7-二苯基-1,10-菲啰啉、聚乙烯亚胺、聚乙氧基乙烯亚胺、2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲、[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴]、溴代-[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴]、8-羟基喹啉锂、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯、双(2-甲基-8-喹啉)-4-(苯基苯酚)铝、1,3,5-三[(3-吡啶基)-苯-3-基]苯，或以上材料的混合物或复合物；
所述无机化合物1选自氧化锌、氧化锡、氧化镁、铝掺杂氧化锌、镁掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、氧化钛、氧化钽、硫化锌、硫化铬，或以上材料的混合物或复合物。
进一步地，所述空穴传输层选自有机化合物2、无机化合物2，或其组合；
其中，所述有机化合物2选自4,4'-环己基二[N,N'-二(4-甲基苯基)苯胺]、N,N'-双(萘-1-基)-N,N'-双(苯基)-联苯胺、N,N'-双(萘-1-基)-N,N'-双(苯基)-2,7-二氨基9,9-螺二芴、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、4,4',4"-三(咔唑-9-基)三苯胺、聚(4-丁基三苯胺)、聚乙烯咔唑、聚苯乙烯-N,N'-二苯基-N,N'-双-(3-甲基苯基)-(1,1)-联苯-4,4'-二胺全氟环丁烷、聚3,4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐中的一种或多种；
所述无机化合物2选自氧化钨、氧化钼、氧化钒、氧化铬、氧化镍、氧化铜、氧化亚铜、硫氰酸亚铜、硫化铜、碘化铜，或以上材料的混合物或复合物。
本发明的另一个目的，在于提供上述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法，其包括如下步骤：
S1.将电子给体材料通过良溶剂溶解并沉积；
S2.将电子受体材料通过良溶剂与给体劣溶剂的混合溶剂溶解并沉积在电子给体层上；
其中，所述电子给体材料和所述电子受体材料，在所述良溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≥1mg/ml；所述电子给体材料，在所述给体劣溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≤1mg/ml。
本发明所述的混合溶剂，是指良溶剂与给体劣溶剂以一定体积比混合所得的混合体。其目的在于，在指定溶液加工温度下，不影响电子受体材料的溶解和加工，同时在电子受体层沉积过程中降低对电子给体层的破坏。其中，所述电子给体材料，在所述混合溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≤2mg/ml；所述电子受体材料，在所述混合溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≥5mg/ml。
值得注意的是，本发明中所述的给体劣溶剂仅针对电子给体材料(一般是聚合物)，因此配制的混合溶剂对成膜的电子给体层的侵蚀破坏很小，不会溶解掉电子给体层；同时混合溶剂对电子受体材料又有足够的溶解性，可以实现溶液加工并制备成膜。本专利创造性地研究了电子受体材料溶剂的选取对电子给体层的影响，通过往电子受体材料的良溶剂中引入给体劣溶剂来大幅降低对电子给体材料的溶解性，使得混合溶剂既可以实现对电子受体材料的理想加工，又可以防止受体溶液在沉积过程中对电子给体层的侵蚀，从而显著地提升了双层太阳电池的性能，尤其是在室内光下的光伏性能。
值得注意的是，本发明对于电子受体材料的选择也非常重要。一般而言，非富勒烯小分子受体材料的溶解性能优异，尤其是相对于聚合物给体材料而言，巨大的溶解性差异使得混合溶剂的选取配制非常容易。一方面，给/受体的良溶剂不必相同，受体良溶剂可能对给体材料的溶解性不好，一定程度上可以保护电子给体层；另一方面引入给体劣溶剂的混合溶剂对受体材料的溶解性足够，不影响电子受体层的加工。非富勒烯受体材料的支链结构多，并且各类端基与溶剂分子有较强的相互作用，因而溶解性能比富勒烯受体材料好很多。同时，小分子受体相较聚合物受体来说，溶解性具有天然优势。若电子受体材料选择为传统的富勒烯结构或聚合物，溶解性能与电子给体材料的差异不明显，会给混合溶剂的选取配制增加困难。因此，为了更加匹配本发明的技术方案，电子受体材料优选为基于特定单元2的非富勒烯小分子受体材料。
进一步地，所述混合溶剂中，良溶剂与给体劣溶剂的体积比一般为1:1-20:1。
取决于电子给体材料结构的不同，可以对良溶剂与给体劣溶剂的体积比在上述范围内进行调整，所述良溶剂与给体劣溶剂的体积比的范围包括但不限于：2:1、3:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1。
进一步地，所述良溶剂选自苯类溶剂、呋喃类溶剂、酯类溶剂、烷烃类溶剂、烷烃衍生物类溶剂、醛类溶剂、腈类溶剂、酰胺类溶剂、酮类溶剂中的至少一种。
上述溶剂中，还包括但不限于，该溶剂分子结构中的任意的、至少一个位点，被一个或多个其他原子或特定基团所取代的结构，即溶剂的衍生物。所述特定基团选自烷基、烷基衍生物、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基、醚基中的一种或多种；
所述烷基选自碳原子数为1-40的烷基；所述烷基衍生物选自碳原子数为1-40的烷基衍生物；
所述烷基衍生物上的一个或多个碳原子，被氢原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种所取代；
和/或，
所述烷基衍生物上的一个或多个氢原子，被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种取代。
本发明所述的良溶剂，具体地，可以但不限于：甲苯、二甲苯、三甲苯、苯甲醚、甲基苯甲醚、甲氧基乙二醇、γ-丁内酯、苯、氯苯、二氯苯、三氯苯、二苯醚、氯萘、二碘辛烷、二硫辛烷、二碘己烷、氯仿、二氯甲烷、四氯甲烷、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙腈等，或其混合物。
进一步地，所述给体劣溶剂选自醇类溶剂、醚类溶剂中的至少一种。
本发明所述的给体劣溶剂，泛指与上述良溶剂极性相差较大的溶剂，具体地，可以但不限于：甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、异戊醇、甲醚、乙醚、丙醚、丁醚等，或其混合物。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明中的双层有机太阳电池，其活性层结构不同于传统的电子给体材料和电子受体材料共混形成本体异质结结构，而是采用电子给体材料和电子受体材料依次沉积的双层结构，无需复杂的形貌优化，可大幅降低太阳电池的生产工艺难度。
2.本发明通过往电子受体材料的良溶剂中引入给体劣溶剂来降低对电子给体材料的溶解性，使得受体溶液在沉积过程中对电子给体层的渗透和侵蚀显著降低，突破了双层有机太阳电池制备对正交溶剂的依赖限制，拓展了加工工艺的选择。
3.本发明中的双层有机太阳电池，其相对独立的分层结构导致活性层垂直相分离尺度较高，理想的界面接触可避免电子给体层和电子受体层与相反极性电极直接接触，能有效降低暗电流，提高激子抽取能力，抑制陷阱复合，从而提高电池在室内环境光下的光电转化效率。
附图说明
图1示出了实施例1～3、对比例1～4中的电子给体材料PBDB-T、PM6，电子受体材料OY2、OY3的化学结构式。
图2a为实施例1～3和对比例4制备的双层有机太阳电池结构示意图；
图2b为对比例1～3制备的本体异质结有机太阳电池结构示意图。
图3a为测试例2中实施例1、对比例1和对比例4所作有机太阳电池的J-V曲线图；
图3b为测试例2中实施例2、对比例2所作有机太阳电池的J-V曲线图；
图3c为测试例2中实施例3、对比例3所作有机太阳电池的J-V曲线图。
图4为测试例1和测试例2中，实施例1、对比例1和对比例4所作有机太阳电池，分别在太阳光和室内光照射下的光电转化效率的对比图。
图5为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池紫外-可见光吸收的测试图。
图6为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池外量子效率的测试图。
图7为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池暗电流的测试图。
图8为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池光电流-有效电压的测试图。
图9为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池电压-光强依赖的测试图。
图10为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池电流密度-光强依赖的测试图。
图11为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池不同光强下电荷抽取时间的测试图。
图12为测试例3中实施例1与对比例1所作有机太阳电池不同光强下电荷衰减寿命的测试图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例。实施例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。
本发明实施例中，电子给体材料和电子受体材料饱和溶液的浓度的测试方法如下所述：
采用平衡法中经典的摇瓶法：将过量的固体溶质置于液体溶剂中，密封后加热到60℃后恒温5天，连续或间歇搅拌以促进固体的溶解，尽量接近真正的固-液相平衡状态。静置后，吸取上层的饱和清液，利用分光光度法分析其组成，从而获得固体溶质在液体溶剂中饱和溶液的浓度。
实施例1
一种具有共混层的有机太阳电池，其结构从下到上依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ITO(110nm)/空穴传输层(40nm)/电子给体层(70nm)/电子受体层(30nm)/电子传输层(20nm)/阴极Ag(100nm)。
其中，所述空穴传输层为PEDOT:PSS薄膜；所述电子给体层为聚合物给体PM6薄膜，所述电子受体层为非富勒烯受体OY3薄膜，所述电子传输层为聚{2,7-[9,9'-双(N,N-二甲基丙基-3-乙基溴化铵)芴]-交替-5,5'-[2,6-(双-2-噻吩基)-N,N'-二异辛基-1,4,5,8-萘并酰亚胺]}(PNDI-F3N)薄膜，所采用制备工艺为溶液旋涂法。
上述双层有机太阳电池的制备方法包括以下步骤：
S1.将透明导电基底(玻璃基底+ITO)依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声清洗干净，放入烘箱干燥备用。
S2.将ITO导电玻璃在UVO紫外灯下照射10min，空穴传输层PEDOT:PSS以3600rpm的转速旋涂在ITO上，在150℃的热台上退火15min后转移至手套箱备用。
S3.将聚合物电子给体材料PM6溶于良溶剂氯苯中，浓度为8mg/ml，以1400rpm的转速旋涂在空穴传输层上。
S4.将非富勒烯电子受体材料OY3溶于良溶剂氯仿和给体劣溶剂正丁醇的混合溶剂中(v/v＝4:1)，加入混合溶剂的体积为1％的氯萘添加剂，浓度为8mg/ml，以5000rpm的转速旋涂在电子给体层上。
S5.将制备的器件置于真空过渡仓中抽取2h，除去添加剂和多余溶剂。
S6.将PNDI-F3N溶于甲醇中，浓度为1mg/ml，以2000rpm的转速旋涂在电子受体层上。
S7.通过真空热蒸镀在电子受体层上沉积一层100nm的Ag，制备成双层太阳电池器件。
S8.通过光固化在太阳电池器件上包封一层紫外固化胶，以适应器件测试环境。
其中，测得50℃下，PM6给体在氯苯、正丁醇、混合溶剂中饱和溶液的浓度分别为30.7mg/ml、0.1mg/ml和1.2mg/ml；OY3受体在氯仿、混合溶剂中饱和溶液的浓度分别为53.2mg/ml和25.7mg/ml。
实施例2
一种适用于室内环境光的双层有机太阳电池，其结构从下至上依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ITO(110nm)/空穴传输层(40nm)/电子给体层(70nm)/电子受体层(30nm)/电子传输层(20nm)/阴极Ag(100nm)。
其中，所述空穴传输层为PEDOT:PSS薄膜；所述电子给体层为聚合物电子给体材料PM6薄膜，所述电子受体层为非富勒烯二聚体电子受体材料OY2薄膜，所述电子传输层为PNDI-F3N薄膜，所采用制备工艺为溶液旋涂法。
上述双层有机太阳电池的制备方法同实施例1，将聚合物给体材料PM6溶于良溶剂二甲苯中，浓度为10mg/ml，以1200rpm的转速旋涂在空穴传输层上；将非富勒烯受体材料OY2溶于良溶剂二甲苯和给体劣溶剂正丁醇的混合溶剂中(v/v＝5:1)，加入混合溶剂的体积为1％的氯萘添加剂，浓度为10mg/ml，以4000rpm的转速旋涂在电子给体层上。
其中，测得50℃下，PM6给体在二甲苯、混合溶剂中饱和溶液的浓度分别为34.2mg/ml和1.7mg/ml；OY2受体在二甲苯、混合溶剂中饱和溶液的浓度分别为54.5mg/ml和31.3mg/ml。
实施例3
一种适用于室内环境光的双层有机太阳电池，其结构从下至上依次包括：玻璃基底(1μm)/阳极ITO(110nm)/空穴传输层(40nm)/电子给体层(70nm)/电子受体层(30nm)/电子传输层(20nm)/阴极Ag(100nm)。
其中，所述空穴传输层为PEDOT:PSS薄膜；所述电子给体层为聚合物电子给体材料PBDB-T薄膜，所述电子受体层为非富勒烯三聚体电子受体材料OY3薄膜，所述电子传输层为PNDI-F3N薄膜，所采用制备工艺为溶液旋涂法。
上述双层有机太阳电池的制备方法同实施例1，将聚合物给体材料PBDB-T溶于良溶剂邻二甲苯中，浓度为8mg/ml，以1200rpm的转速旋涂在空穴传输层上；将非富勒烯受体材料OY2溶于良溶剂邻二甲苯和给体劣溶剂正丁醇的混合溶剂中(v/v＝6:1)，加入混合溶剂的体积为1％的氯萘添加剂，浓度为8mg/ml，以4000rpm的转速旋涂在电子给体层上。
其中，测得50℃下，PBDB-T给体在邻二甲苯、正丁醇、混合溶剂中饱和溶液的浓度分别为40.8mg/ml、0.1mg/ml和0.8mg/ml；OY3受体在邻二甲苯、混合溶剂中饱和溶液的浓度分别为51.2mg/ml和38.9mg/ml。
对比例1
对比例1与实施例1的有机太阳电池结构唯一不同在于，采用本体异质结结构，以相同厚度的共混活性层代替实施例1的双层活性层。
对比例1与实施例1的有机太阳电池活性层制备方法不同在于，将电子给体材料PM6和电子受体材料OY3以质量比1:1溶解于氯仿中，总浓度为12mg/ml，旋涂速度为2200rpm制备得到100nm的共混活性层。
对比例2
对比例2与实施例2的有机太阳电池结构唯一不同在于，采用本体异质结结构，以相同厚度的共混活性层代替实施例2的双层活性层。对比例2与实施例2的有机太阳电池活性层制备方法不同在于，将电子给体材料PM6和电子受体材料OY2以质量比1:1溶解于氯仿中，总浓度为12mg/ml，以旋涂速度为2400rpm制备得到100nm的共混活性层。
对比例3
对比例3与实施例3的有机太阳电池结构唯一不同在于，采用本体异质结结构，以相同厚度的共混活性层代替实施例3的双层活性层。
对比例3与实施例3的有机太阳电池活性层制备方法不同在于，将电子给体材料PBDB-T和电子受体材料OY3以质量比1:1溶解于氯仿中，总浓度为12mg/ml，以旋涂速度为2500rpm制备得到100nm的共混活性层。
对比例4
对比例4与实施例1所作有机太阳电池的双层活性层结构相同。
对比例4与实施例1的有机太阳电池活性层制备方法不同在于，将非富勒烯电子受体材料OY3溶于纯溶剂氯仿中，不添加给体劣溶剂，以5000rpm的转速旋涂在电子给体层上。
测试例1
为了测试实施例1～3，对比例1～4中所得有机太阳电池在太阳光下的光电转化效率(以PCE表示)，做出以下测试条件：使用AAA级太阳光模拟器AM 1.5G(辐照强度即输入功率为100mW/cm2)，在填充氮气的手套箱中利用Keithley源表进行测试得到相应的电流密度-电压曲线(J-V曲线)。所得结果如表1所示。
表1实施例1～3，对比例1～4所作有机太阳电池的太阳光伏性能参数
Figure BDA0003543349300000101
注：表1中转化效率的计算公式为：转化效率＝输出功率/太阳光输入功率。
从上表数据可知，实施例1～3和对比例4均采用了双层活性层结构，对比例1～3采用了共混活性层结构，两种结构对应的太阳电池的太阳光伏性能参数差别不大。
测试例2：
对于实施例1～3，对比例1～4中所得有机太阳电池在室内环境光下的光电转化效率(以PCE表示)，测试条件如下：使用台湾光焱公司的ILS-30室内光模拟器和照度光谱仪，扣除黑暗环境下的背景噪声后模拟出色温2700K、照度200lux的LED灯发射光谱(辐照强度即输入功率为56μW/cm2)，在大气环境下利用Keithley源表进行测试得到相应的电流密度-电压曲线(J-V曲线)。所得结果如表2所示。
表2实施例1～3，对比例1～4所作有机太阳电池的室内光伏性能参数
Figure BDA0003543349300000102
注：表2中转化效率的计算公式为：转化效率＝输出功率/室内光输入功率。
从上表数据可知，实施例1～3采用了双层活性层结构，对比例1～3采用了共混活性层结构，双层结构太阳电池的室内光伏的转化效率相对于共混结构太阳电池得到明显提高，主要来自于短路电流和填充因子的提升。同时，实施例1相对于对比例4所作双层太阳电池的室内光伏性能参数也有明显提升，这说明混合溶剂的引入有力地保护了电子给体层，有利于获得更高效的器件性能。表2的相关室内光伏J-V曲线，在图3a-3c中示出。这说明本发明的双层太阳电池尤为适用于室内环境光的应用场景中。
如图4所示光电转化效率对比图中，实施例1相对于对比例1所作有机太阳电池的太阳光伏性能参数差别不大，而室内光伏性能参数的提升非常明显。这是由于双层结构可有效减少陷阱复合，这部分减少的陷阱复合对于太阳光伏性能提升贡献很小。而室内环境光的光照强度很低，太阳电池内部的极低的载流子浓度导致陷阱复合加剧并占主导地位，这种情况下减少的陷阱复合对于性能的提升作用就非常明显。同时双层结构有利于电荷在垂直方向传输到对应电极，这个优势在低载流子浓度状态下也被放大。实施例1相对于对比例4的室内光伏性能参数也有明显提升，主要是由于电子受体材料通过混有给体劣溶剂的混合溶剂溶解，其溶液在沉积过程中对电子给体层的渗透和侵蚀会显著降低，进一步提高了双层活性层的垂直相分离尺度，优化了相接触并降低了陷阱复合损失。
测试例3：
为了进一步分析影响上述结果的因素，我们将实施例1和对比例1所作有机太阳电池进行对照测试，包括紫外-可见光吸收测试、外量子效率测试、暗电流测试、光电流与有效电压测试、光强依赖测试、瞬态光电流测试和瞬态光电压测试。
如图5所示紫外-可见光吸收图中，实施例1所作双层有机太阳电池的吸收强度在620nm至800nm波长范围内均大于对比例1，这反映了双层有机太阳电池具有更高的光子收集能力，可改善光吸收。
如图6所示外量子效率测试图中，实施例1所作双层有机太阳电池的外量子效率在约420nm至800nm波长范围内均要高于对比例1，这反映了双层有机太阳电池具有更强的载流子收集能力，载流子不易损失。同时，这部分提升在发射光谱400-700nm的室内环境光下对电池电流密度的提升贡献很大，使得太阳电池的短路电流得到提高。
如图7所示暗电流测试图中，实施例1所作双层有机太阳电池的暗电流低于对比例1近一个数量级。这表明双层活性层结构良好的相接触可有效减少漏电流的产生，垂直相分离结构也能减少陷阱复合贡献的暗电流。同样，这部分降低的暗电流对于20μA cm-2左右的室内光伏短路电流的提升作用明显，而对20mA cm-2左右的太阳光伏短路电流的提升作用很小。
如图8所示光电流-有效电压测试图中，经过数据处理可得实施例1所作双层有机太阳电池的激子解离概率为96.73％，激子抽取概率为83.92％，而对比例1所作有机太阳电池的激子解离概率为95.23％，激子抽取概率为80.02％，且二者的最大激子产生速率都为1.47m-3s-1。这个结果清楚说明，在激子产生速率相同的情况下，双层有机太阳电池拥有更高的激子抽取概率，这是由于双层活性层结构拥有高度垂直的相分离尺度，激子在给受体界面处解离，生成的电荷在各自相区传输并到达对应电极，激子更易抽取，同时陷阱复合损失更低，使得太阳电池的短路电流和填充因子都有所提升。
如图9所示电压-光强依赖测试图中，实施例1所作双层有机太阳电池的开路电压与光强依赖的拟合曲线的理想因子为1.11，对比例1中这一值为1.27。理想因子越接近于1，表示电池器件的陷阱复合损失越少。实施例1所作双层有机太阳电池的陷阱复合明显更低，表明双层活性层的垂直相分离结构可显著降低陷阱复合损失。而且，双层有机太阳电池在低光强下的电压损失更小，可以保持较高的开路电压。
如图10所示电流密度-光强依赖测试图中，实施例1所作双层有机太阳电池的电流密度与光强依赖的拟合斜率为0.99，对比例1中这一值为0.95。斜率值越接近于1，表示电池器件的双分子复合损失越少。实施例1所作双层有机太阳电池的双分子复合相对更低，表明双层活性层的垂直相分离结构可显著降低双分子复合损失。这是由于双层活性层结构拥有高度垂直的相分离尺度，激子在给受体界面处解离，生成的电荷在各自相区传输并到达对应电极，减少了不同电荷相遇的概率，双分子复合损失更低。但考虑到低光强下较低的载流子密度，双分子复合并不是主要损失方式，因而对室内光伏性能提升贡献不大。
如图11所示，通过在不同偏置光强下对器件进行瞬态光电流测试，经数据处理得到不同光强下电荷抽取时间的测试图。横向整体来看，低光强下器件内部产生的电荷数量少，因而电荷抽取时间短，效率高。当偏置光变强，电荷浓度也随之增加，电荷抽取需要更多的时间。当偏置光强提高到5％以上时，电荷抽取时间到达一个瓶颈值，之后随光强增加而略微减少。纵向对比来看，双层器件的电荷抽取更高效，且在室内弱光下的优势更明显。这是因为垂直的相分离结构使电荷更有效地在垂直方向传输，提高了电荷抽取能力。
如图12所示，通过在不同偏置光强下对器件进行瞬态光电压测试，经数据处理得到不同光强下电荷衰减寿命的测试图。横向整体来看，当偏置光强增大，器件内部的电荷浓度增大，直接造成双分子复合损失加剧，因此电荷衰减寿命随光强增大而急剧缩短。纵向对比来看，双层器件的电荷衰减寿命相对更长，且在室内弱光下的优势更明显。这是因为低光强下，器件的双分子复合几率小，而陷阱复合损失占主导。双层活性层结构具有更少的陷阱，一定程度上降低了陷阱复合损失。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种适用于室内环境光的双层太阳电池，其特征在于，所述适用于室内环境光的双层太阳电池包括活性层，所述活性层为双层结构，
其中，所述双层结构为电子给体层和电子受体层叠加而成的结构。
2.根据权利要求1所述适用于室内环境光的双层太阳电池，其特征在于，所述适用于室内环境光的双层太阳电池还包括电子传输层或空穴传输层的至少一种。
3.根据权利要求1所述适用于室内环境光的双层太阳电池，其特征在于，所述活性层中，
所述电子给体层含有电子给体材料，所述电子给体材料选自基于特定单元1的P型有机半导体，
所述电子受体层含有电子受体材料，所述电子受体材料选自基于特定单元2的N型有机半导体；
其中，所述特定单元1含有下列结构的一种或多种：
Figure FDA0003543349290000011
所述特定单元2含有下列结构的一种或多种：
Figure FDA0003543349290000021
其中，所述R1-R6，独立地选自碳原子数为1-40的烷基，或者碳原子数为1-40的烷基衍生物；
所述烷基衍生物上的一个或多个碳原子，被氢原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种所取代；
和/或，
所述烷基衍生物上的一个或多个氢原子，被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基的一种或多种取代；
所述X1-X6，独立地选自氢原子、氟原子、氯原子、氰基、硝基的一种或多种。
4.根据权利要求2所述适用于室内环境光的双层太阳电池，其特征在于，所述电子传输层选自有机化合物1、无机化合物1，或其组合；
其中，所述有机化合物1选自富勒烯及其衍生物、萘二酰亚胺及其衍生物、苝二酰亚胺及其衍生物、4,7-二苯基-1,10-菲啰啉、聚乙烯亚胺、聚乙氧基乙烯亚胺、2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲、[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴]、溴代-[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴]、8-羟基喹啉锂、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯、双(2-甲基-8-喹啉)-4-(苯基苯酚)铝、1,3,5-三[(3-吡啶基)-苯-3-基]苯，或以上材料的混合物或复合物；
所述无机化合物1选自氧化锌、氧化锡、氧化镁、铝掺杂氧化锌、镁掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、氧化钛、氧化钽、硫化锌、硫化铬，或以上材料的混合物或复合物。
5.根据权利要求2所述适用于室内环境光的双层太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层选自有机化合物2、无机化合物2，或其组合。
其中，所述有机化合物2选自4,4'-环己基二[N,N'-二(4-甲基苯基)苯胺]、N,N'-双(萘-1-基)-N,N'-双(苯基)-联苯胺、N,N'-双(萘-1-基)-N,N'-双(苯基)-2,7-二氨基9,9-螺二芴、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、4,4',4"-三(咔唑-9-基)三苯胺、聚(4-丁基三苯胺)、聚乙烯咔唑、聚苯乙烯-N,N'-二苯基-N,N'-双-(3-甲基苯基)-(1,1)-联苯-4,4'-二胺全氟环丁烷、聚3,4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐中的一种或多种；
所述无机化合物2选自氧化钨、氧化钼、氧化钒、氧化铬、氧化镍、氧化铜、氧化亚铜、硫氰酸亚铜、硫化铜、碘化铜，或以上材料的混合物或复合物。
6.权利要求1-5任一项所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法，其特征在于，所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法包括如下步骤：电子给体材料和电子受体材料分别独立溶解并沉积成膜。
7.根据权利要求6所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法，其特征在于，所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法包括如下步骤：
S1.将电子给体材料通过良溶剂溶解并沉积；
S2.将电子受体材料通过良溶剂与给体劣溶剂的混合溶剂溶解并沉积在电子给体层上；
其中，所述电子给体材料和所述电子受体材料，在所述良溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≥1mg/ml；所述电子给体材料，在所述给体劣溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≤1mg/ml。
8.根据权利要求7所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法，其特征在于，所述电子给体材料，在所述混合溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≤2mg/ml；所述电子受体材料，在所述混合溶剂中，50℃下饱和溶液的浓度≥5mg/ml。
9.根据权利要求7所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法，其特征在于，所述良溶剂选自苯类溶剂、呋喃类溶剂、酯类溶剂、烷烃类溶剂、烷烃衍生物类溶剂、醛类溶剂、腈类溶剂、酰胺类溶剂、酮类溶剂中的至少一种。
10.根据权利要求7所述适用于室内环境光的双层太阳电池的制备方法，其特征在于，所述给体劣溶剂选自醇类溶剂、醚类溶剂中的至少一种。
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