一种基于高通量光学设计的彩色半透明有机太阳能电池的制备方法

本发明涉及光伏领域，具体地涉及一种基于高通量光学设计的彩色半透明有机太阳能电池的制备方法。

背景技术：

1、半透明太阳能电池因其在发电窗户和光伏建筑一体化(bipv)等方面的潜在应用而引起人们越来越多的关注。目前bipv中的太阳能收集系统主要由传统硅光伏组件组成，但这种传统硅光伏组件因其不透明的性质在使用上受到诸多限制，如无法取代大厦的透明玻璃幕墙等。为了弥补这方面的不足，人们开始使用彩色半透明有机太阳能电池(stopv)，彩色stopv的出现是对发电窗户的一种极具前景的补充，它在能够高效发电的同时还兼具有透明性与装饰性。另外，随着吸收波段位于近红外区域的非富勒烯受体(nfa)的飞速发展，stopv的能量转换效率(pce)已经从原来的12％提高至14％，平均透光率已经从原来的25％提高至40％。然而由于有机活性层材料的吸收光谱较宽，且后电极的选择有限，因此目前依然存在很难对电池整体的颜色进行调控的不足。

2、为了实现多种色彩的stopv，各类光学调控手段如光学微腔、光耦合层或光学镀膜等也逐渐引起了广泛的关注。在各种光学调控手段中，光学微腔成为了一种简单有效的方案，其可通过调节透射光的共振获得各种彩色器件。通常，光学微腔为金属层、介电层、金属层的“三明治”结构组成，器件的颜色和介电层的复折射率与各层的厚度有关。然而，这对实现高效的彩色器件又提出了挑战，不仅需要在pce和透明度之间取得平衡，还需要精准设计器件的颜色。为解决这一问题，高通量计算现已被证明是精确调整多个变量(材料、厚度)和最终结论的强力工具，可大大加快各种颜色器件中光学微腔的设计并能够辅助制备过程。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种彩色半透明有机太阳能电池及一种基于高通量光学设计的彩色半透明有机太阳能电池的制备方法。

2、一方面，本发明提供了一种彩色半透明有机太阳能电池，包括由下至上依次设置的透明衬底、阳极、空穴传输层、有机活性层、电子传输层、阴极、介电层和顶金属层，其中，阴极、介电层及顶金属层构成光学微腔。

3、优选的，所述透明衬底为玻璃，所述阳极为氧化铟锡(ito)导电薄膜，优选的，所述ito导电薄膜的制备方法为磁控溅射，

4、所述空穴传输层为聚3,4-乙二氧基噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)，优选的，所述pedot:pss的制备方法为旋涂，

5、所述有机活性层为pm6:l8-bo复合薄膜，优选的，pm6为聚[(2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩])-alt-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩-5',7'-双(2-乙基己基)苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮)，l8-bo为2,2'-((2z,2'z)-((12,13-双(2-乙基己基)-3,9-(2-丁基辛基)-12,13-二氢-[1,2,5]噻二唑并[3,4-e]噻吩[2",3”:4',5']噻吩[2',3':4,5]吡咯并[3,2-g]噻吩[2',3':4,5]噻吩[3,2-b]吲哚-2,10-二基)双(甲亚胺基))双(5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢茚并[2,1-二(亚甲基)]吡咯-2,1-二亚甲基))二甲基丙烯腈，所述有机活性层用于吸收阳光中的可见光与近红外光并产生解离激子，优选的，所述有机活性层的制备方法为旋涂，

6、所述电子传输层为聚[[2,7-双(2-乙基己基)-1,2,3,6,7,8-六氢-1,3,6,18-四氧代苯并[lmn][3,8]菲咯啉-4,9-二基]-2,5-噻吩二基[9,9-双[3-(二甲基氨基)丙基]-9h-芴-2,7-二基]-2,5-巯基(pndit-f3n)，优选的，所述pndit-f3n的制备方法为旋涂，

7、所述阴极为银(ag)金属薄膜，优选的，所述阴极的制备方法为热蒸镀，所述顶金属层为银(ag)金属薄膜，优选的，所述阴极的制备方法为热蒸镀。

8、优选的，所述有机活性层的混合比例为1:1.2，pm6的质量配比的值为1，对应的l8-bo的质量配比的值为1.2；最终得到的pm6:l8-bo共混薄膜的厚度为120nm。

9、另一方面，本发明提供了一种基于高通量光学设计的彩色半透明有机太阳能电池的制备方法，具体为，步骤1：将ito磁控溅射沉积在透明衬底表面上，得到ito导电薄膜，透明衬底和ito导电薄膜构成ito基板，

10、步骤2：使用清洗机对ito基板的表面进行清洗，并将清洗后的ito基板放置在高温柜中干燥，优选的，清洗剂包括洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇，分别使用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗ito基板，并在高温干燥柜中用80℃干燥，

11、步骤3：将干燥后的ito基板用等离子清洗机清洗，优选的，将干燥后的ito基板用等离子清洗机清洗5-10分钟，

12、步骤4：将空穴传输层pedot:pss溶液旋涂在ito基板表面上，得到pedot:pss薄膜，所述ito基板和所述pedot:pss薄膜构成pedot:pss基板，优选的，pedot:pss溶液在使用前经过孔径为0.45μm的水系滤头过滤，得到过滤后的pedot:pss溶液，以3000rpm的转速在ito基板上旋涂过滤后的pedot:pss溶液60秒，随后在130℃退火台上进行20分钟退火，得到厚度为40nm的pedot:pss薄膜，

13、步骤5：根据质量比配置有机给体pm6及有机受体l8-bo，得到pm6:l8-bo有机给受体共混溶液，优选的，将pm6:l8-bo以1:1.2的质量比溶解在含有5vol％1,8-二碘辛烷添加剂的氯仿中，得到16mg ml-1的pm6:l8-bo共混溶液，在常温下使用磁力搅拌器搅拌pm6:l8-bo共混溶液24小时，得到充分混合的pm6:l8-bo共混溶液，

14、步骤6：将充分混合的pm6:l8-bo共混溶液旋涂在pedot:pss基板的表面上，得到pm6:l8-bo薄膜，pm6:l8-bo薄膜和pedot:pss基板构成pm6:l8-bo基板，优选的，在旋涂前使用磁力搅拌器将充分混合的pm6:l8-bo共混溶液在40℃下搅拌20分钟，得到预热后的充分混合的pm6:l8-bo共混溶液，在o2和h2o水平小于0.01ppm的手套箱中以3500rpm的转速在pedot:pss基板上旋涂预热后的充分混合的pm6:l8-bo共混溶液30秒，随后在110℃退火台上进行10分钟退火，得到厚度为120nm的pm6:l8-bo薄膜，

15、步骤7：根据浓度比配置电子传输层pndit-f3n，得到pndit-f3n溶液，优选的，将pndit-f3n以1.0mg ml-1的浓度溶解在含有5vol％乙酸助溶剂的甲醇中，得到pndit-f3n溶液，优选的，在常温下使用磁力搅拌器搅拌pndit-f3n溶液24小时，得到充分混合的pndit-f3n溶液，

16、步骤8：将充分混合的pndit-f3n溶液旋涂在pm6:l8-bo基板的表面上，得到pndit-f3n薄膜，pndit-f3n薄膜和pm6:l8-bo基板构成pndit-f3n基板，优选的，在o2和h2o水平小于0.01ppm的手套箱中以3000rpm的转速在pm6:l8-bo基板上旋涂充分混合的pndit-f3n溶液30秒，得到厚度为10nm的pndit-f3n薄膜，

17、步骤9：在真空环境下，在pndit-f3n基板的表面蒸镀沉积阴极ag，得到ag导电薄膜，ag导电薄膜和pndit-f3n基板构成ag基板，优选的，在真空环境下，在pndit-f3n基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为35nm的阴极ag导电薄膜，

18、步骤10：在真空环境下，在ag基板的表面蒸镀沉积介电层zns或laf3或moo3，得到zns薄膜或laf3薄膜或moo3薄膜，zns薄膜或laf3薄膜或moo3薄膜和ag基板构成zns基板或laf3基板或moo3基板，

19、步骤11：在真空环境下，在zns基板或laf3基板或moo3基板表面蒸镀沉积不同厚度的顶金属层ag金属，得到顶层ag薄膜，顶层ag薄膜和zns基板或laf3基板或moo3基板构成ag/zns基板或ag/laf3基板或ag/moo3基板。

20、优选的，步骤10中，

21、若需制备的stopv呈蓝色，则在真空环境下，在ag基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为35nm的介电层zns薄膜，

22、若需制备的stopv呈绿色，则在真空环境下，在ag基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为120nm的介电层laf3薄膜，

23、若需制备的stopv呈红色，则在真空环境下，在ag基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为110nm的介电层moo3薄膜。

24、优选的，步骤11中，

25、若需制备的stopv呈蓝色，则在真空环境下，在zns基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为20nm的顶金属层ag薄膜，

26、若需制备的stopv呈绿色，则在真空环境下，在laf3基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为30nm的顶金属层ag薄膜，

27、若需制备的stopv呈红色，则在真空环境下，在moo3基板的表面上以的速率热蒸镀沉积厚度为35nm的顶金属层ag薄膜。

28、优选的，阴极、介电层与顶金属层的厚度与介电层的材料通过高通量光学设计模型计算确定，具体步骤为：

29、利用传输矩阵法并通过输入参数，获得多层光学系统的最大透过率(tmax)、能量转换效率(pce)与色度坐标(chromaticity coordinate)，

30、所述输入参数包括：阳极、空穴传输层、有机活性层、电子传输层、阴极、介电层和顶金属层的厚度d、折射系数n以及消光系数k，

31、将阴极的厚度d1从10～100nm进行划分，以5nm为间隔；将介电层的厚度d2从0～200nm进行划分，以4nm为间隔；将顶金属层的厚度d3从0～100nm进行划分，以5nm为间隔；将介电层的折射系数n1从1～3进行划分，以0.1为间隔；同时，将介电层的消光系数视为0，

32、将上述所有组合中遍历的色度坐标在cie 1931色度空间中按照蓝色、绿色、红色进行三色分区，

33、在筛选出的所有色度坐标位于蓝色区的结果中，以tmax为横坐标、以pce为纵坐标，绘制tmax-pce散点图，在tmax-pce散点图中进行进一步筛选，获得阴极、介电层与顶金属层的厚度与介电层的材料。

34、优选的，在筛选出的所有色度坐标位于绿色区/红色区的结果中，以tmax为横坐标、以pce为纵坐标，绘制tmax-pce散点图，在tmax-pce散点图中进行进一步筛选，获得阴极、介电层与顶金属层的厚度与介电层的材料。

35、通过上述技术方案，本发明基于高通量光学设计的彩色半透明有机太阳能电池的制备方法，能够系统模拟各类光学微腔对stopv器件内部光场分布带来的变化，通过高通量计算，并基于银/介电层/银的光学微腔结构，从几十万余种组合(包括介电层材料选择和厚度优化以及银的厚度优化)中筛选出了三种适用于蓝色、绿色或红色stopv光学微腔的材料选择与微腔制备工艺。最终优化后的蓝色、绿色与红色stopv能够实现15％至16％的pce与20％至24％的最大透过率。