一种隔热半透明有机太阳能电池及其制备方法和应用

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种隔热半透明有机太阳能电池及其制备方法和应用。

背景技术：

1、半透明有机太阳能电池(stosc)因为其质量轻、可溶液加工、成本低、材料能级和带隙易于调控等优点，发展前景十分广阔。stosc是一种集成光电转换和光子透过两种特性于一体的功能器件，既能吸收利用光子转换成电能，又能透过可见光区的光子实现透光，是一种受到广泛关注的太阳能光电转换技术，在光伏建筑一体化、车载玻璃、可穿戴电子产品等领域具有极大的应用潜力。

2、公开号为cn117715494a的发明专利申请公开了一种活性层及使用该活性层的多元有机太阳电池。该发明专利所研发的第三组分材料，具备特殊的u型分子构型，借助u型嘧啶类受体组分在调控能级水平和增强分子堆叠强度上的优势，可有效改善多元体系中的电荷复合和电荷分离行为。因此，基于u型嘧啶类受体组分的多元有机太阳电池，相较于二元体系，可同时实现开路电压和填充因子的有效提升，进而将相应体系的能量转换效率(pce)提升到19.67％的水平。此外，引入u型嘧啶类受体组分还能有效提升多元体系的光稳定性，从而使相应的有机太阳电池兼具高效率和高稳定性。但该发明专利申请提供的多元有机太阳能电池的可见光透过率和光利用率还有待提升。

3、公开号为cn108899428a的发明专利申请公开了一种半透明有机太阳能电池，包括铟锡氧化物(ito)透明导电玻璃衬底、竖直生长的银纳米棒阵列、zno电子传输层、聚合物活性层、缓冲层moo3、al/ca:ag多层透明电极和alq3有机透明封装层。该发明专利申请在太阳能电池顶部设置了混合蒸镀的钙银(ca:ag)透明电极，兼具优异的光透过率和电导率；同时，在底部透明导电铟锡氧化物电极(ito)处设置了银纳米棒阵列，通过ag纳米棒对光的散射，增加了太阳光在器件内部的传输距离，从而提高了光的捕获率，该半透明太阳能电池可广泛应用于太阳能建筑一体化及汽车玻璃视窗等。但该专利的近红外隔热率和能量转换效率有待提升。

4、stosc发电与透光性能难以兼顾和平衡，这是由于光电转换能力相关的能量转换效率和可见光透光水平相关的可见光透过率之间存在难以协调的平衡问题。符合光电建筑一体化应用的半透明有机太阳能电池往往还需要考虑对紫外和红外线的隔绝。因此，半透明有机太阳能电池在能量转换效率、可见光透过率和近红外光隔热率等指标之间相互制约，很难达到理想平衡，阻碍了半透明有机太阳能电池的发展，难以满足未来半透明有机太阳能电池期望与建筑集成应用的要求。

5、因此，平衡半透明有机太阳能电池光学和电学性能仍是重大的课题挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种隔热半透明有机太阳能电池，该有机太阳能电池具有合适的能量转换效率和较高的可见光透过率，以及优异的近红外隔热率，显色良好、颜色观感佳。

2、本发明提供了一种隔热半透明有机太阳能电池，包括：

3、衬底；

4、阳极；

5、空穴传输层；

6、三元活性层，其为由聚合物给体和两种非富勒烯小分子受体组成的共混膜；

7、电子传输层；

8、阴极；

9、二氧化碲抗反射层，其厚度为30-60nm；

10、其中，所述阳极、所述空穴传输层、所述三元活性层、所述电子传输层和所述阴极依次重叠在所述衬底的一侧，并且阳极最靠近衬底。

11、本发明提供的二氧化碲厚度与活性层的吸光和厚度等参数协同调节能够提高半透明器件的显色指数、表观颜色等，提升整体器件的审美观感。此外，二氧化碲覆于银电极阴极顶部，可以提高器件的光稳定性和水稳定性。

12、优选地，所述二氧化碲抗反射层的厚度为40-50nm。随着超薄银电极的轻微变化，如从8-20nm范围内调节银电极厚度过程中，二氧化碲的厚度也会略有浮动，在优选40-50nm范围内时，teo2-ag的组合层能够有效提高400-700nm范围内的可见光透过率，光电场中心发生偏移，器件外部的光场强度在可见光波段也会增强，说明二氧化碲抗反射层提高可见光透过率的有效性。同时，在700nm之后的透过率提升有但不显著，会造成一定的光子吸收损失，但是对于光电转换性能影响轻微，说明二氧化碲优选厚度能够保持光电转换效率的有效性。优选厚度下的二氧化碲抗反射层能使半透明器件在轻微牺牲光电性能的情况下大幅度提高可见光透过率，最终导致电池的透光和发电之间性能平衡，使光利用效率水平显著提升。

13、优选地，所述增透层(arc)位于衬底的另一侧，所述增透层由单层或多层氟化镁构成。本发明通过设置arc有效降低了玻璃和空气界面的光学反射，提高了可见光区的透过率，提高了近红外区域的外量子效率，这与本发明提供的三元活性层的吸收光谱范围匹配，可大幅度提高三元半透明电池的可见光透光率和光电转换效率，进而提升光利用率。

14、进一步优选地，所述增透层为1-4层氟化镁层，厚度为0.1-1μm。

15、优选地，本发明提供的隔热半透明有机太阳能电池，还包括带通滤波片，所述带通滤波片位于二氧化碲抗反射层远离阴极的一侧，所述带通滤波片由三氧化二铁和二氧化硅交替堆叠形成。

16、本发明提供的带通滤光片的透过和截止波段与三元活性层薄膜的吸收曲线完美匹配，将该带通滤光片布置在二氧化碲抗反射层远离阴极的一侧，能够将近紫外和近红外区域的非可见光子反射到活性层内二次吸收利用，同时不影响可见光区域的光透过。

17、进一步优选地，所述带通滤波片的层数为2-20，厚度为0.1-1μm

18、优选地，所述带通滤波片位于所述衬底的另一侧，所述带通滤波片由三氧化二铁和二氧化硅交替堆叠形成。

19、本发明将带通滤波片置于所述衬底的另一侧，从而隔绝紫外光(<375nm)和红外光(>1000nm)，一方面可以保护活性层所用聚合物和小分子材料不受紫外光的破坏作用，提高器件稳定性；一方面，在光电建筑一体化应用场景的半透明电池，阻断紫外线和红外线可以保护人体免受紫外线辐射导致的晒伤，使建筑物冬暖夏凉更节能等。

20、优选地，所述聚合物给体为pm6、d18或pce10(ptb7-th)，所述非富勒烯小分子受体为y系列受体或者it系列受体中的至少一种；

21、所述聚合物给体的结构式为：

22、

23、所述y系列受体为btp-ec9、btp-s9、l8bo、btp-s2、ieico-4f、ch1007、h3或y6，其分子结构式为：

24、

25、优选地，pm6和受体混合物btp-s9和btp-ec9的重量比例为1：0.65：0.65。

26、优选地，所述三元活性层的厚度为40-200nm，所述阴极的厚度为10-16nm。

27、(1)优选电极厚度与arc、teo2和带通滤光(dm)层协同作用，arc的厚度影响ito电极的透过光谱，影响吸光层浓度、给受体比例的筛选，吸光层的厚度、吸收等参数影响电极厚度的调谐，不同的电极厚度具有不同的导电率和透过率，决定性影响了半透明器件的可见光透过率和光电转换效率等关键指标；(2)前述arc、活性层以及阴极的变化同样影响覆于其上的二氧化碲的厚度调谐，活性层吸收、厚度以及阴极厚度影响了teo2对于电池透光率和光场中心的调谐；(3)dm的调谐则主要与活性层的吸收光谱相关。本发明采用的聚合物给体与y系列非富勒烯受体等吸光材料具有明显的选择性吸光能力(450-700nm和700-950nm范围具有强吸收)，决定了dm需要350-750nm具有强透过而其他波段需要具有强吸收，故不同吸光层需要优选不同透过范围的dm层。因此，以上说明三元活性层的吸收、薄膜厚度以及阴极厚度对于arc、teo2和dm的影响需要全面综合考量。

28、优选地，所述衬底为玻璃，所述阳极为氧化铟锡，所述空穴传输层为pedot：pss，所述电子传输层为pdinn，所述阴极为银。

29、另一方面，本发明提供了一种根据所述的隔热半透明有机太阳能电池的制备方法，包括：

30、在衬底上形成阳极，在所述阳极上形成空穴传输层，在氮气的气氛下在所述空穴传输层上形成三元活性层，在所述三元活性层上形成电子传输层，在所述电子传输层上形成阴极，在所述阴极上形成二氧化碲抗反射层得到隔热半透明有机太阳能电池。

31、优选地，在所述空穴传输层上形成三元活性层，包括：在所述空穴传输层上旋涂三元活性层溶液后退火形成三元活性层，所述三元活性层溶液采用氯仿做为溶剂，优选添加剂为1,8二碘辛烷(dio)，添加剂优选比例为0.3％的总溶液体积分数。

32、优选地，旋涂三元活性层溶液的速度为2000-5000rpm，退火温度为40-200℃，退火时间为2-10min。

33、优选地，阴极厚度为10nm，空穴传输层厚度为15nm，电子传输层厚度为10nm。

34、本发明采用的对称受体btp-ec9和非对称受体btp-s9与pm6给体搭配的三元策略，可以在不改变共混薄膜吸收轮廓的前提下，优化活性层形貌，改善电荷动力学，降低电压损失，实现开路电压(voc)、短路电流(jsc)和填充因子(ff)的综合提升。本发明制备的采用给受体重量比例为1：0.65：0.65的不透明三元有机太阳能电池可以实现18.66％的高能量转化效率(pce)，(开路电压为0.854v，短路电流密度为27.28ma cm-2，填充因子为80.24％，pce为18.66％)。三元器件的性能明显优于对应的两个二元体系，表现在三个参数的同时提升。

35、本发明采用的多层光学调控方案可以大幅改善半透明有机太阳能电池的能量转换效率、可见光透过率、近红外光隔热率三者之间的平衡。基于上述优选的三元活性层制备的半透明有机太阳能电池：1)在不添加任何光学调控层时，可以制备得到能量转换效率(pce)12.94％，可见光透过率(apt)23.57％，光利用率(lue)3.1％，近红外光隔热率(irr)85.45％的半透明器件。2)在衬底底部添加增透层后，可以明显提高太阳光的入射总量和外量子效率，制备得到能量转换效率14.18％，可见光透过率24.36％，光利用率3.5％的半透明器件。3)在阴极顶部添加抗反射层后，可以降低银电极在可见光区域的反射，使更多可见区域光子从器件内部透射出去，提高半透明器件的可见光透过率，最终制备得到了能量转换效率11.73％，可见光透过率37.73％，光利用率4.4％的半透明器件。4)在抗反射层顶部添加带通滤光层后，可以选择性透射可见光区光子，将紫外区域和近红外的光反射进活性层吸收利用，中远红外区域的非可见光子反射出外界，制备得到能量转换效率12.82％，可见光透过率35.70％，光利用率4.6％，近红外光隔热率96.8％的综合高性能半透明有机太阳能电池器件，其显色指数良好，颜色观感佳。

36、另一方面，本发明所述的一种半透明有机太阳能电池可兼顾发电、透光、隔热和显色指数高、审美观感好等优势。本发明提供了一种所述的隔热半透明有机太阳能电池在太阳能玻璃建筑、汽车玻璃视窗、可实时调节透明度和色彩的智能窗户、户外广告大屏、应用于便携电子设备、户外环境中的可穿戴设备或衣物以及航空航天等领域的应用。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、本发明通过合适厚度二氧化碲抗反射层实现了对可见光透过率的大幅提升，进而提升了光利用率，而对近红外光光透过率提升不明显，保证了较好的近红外隔热率和能量转换效率，提高了半透明器件的整体光利用效率，有效地实现了发电、透光、美观和隔热等综合性能的均衡调谐。