一种自组装三元共聚物薄膜材料及基于该材料的太阳电池

本发明属于太阳电池领域，具体涉及一种基于自组装三元共聚物薄膜材料及基于该材料的太阳电池。

背景技术：

1、有机-无机杂化钙钛矿材料兼具无机半导体材料吸收强、迁移率高、载流子寿命长、可调控带隙等优异的光电性能，以及有机物较好的可大面积溶液加工性，在光电转化领域备受关注。目前，基于碘化铅的钙钛矿太阳电池效率已超过25％。

2、在钙钛矿电池结构中，空穴传输层材料的选择与优化，对电池性能的提高起到了非常重要的作用。在反型结构钙钛矿电池中，空穴传输层材料组要有以pedot:pss为代表的水溶性导电聚合物，以聚噻吩、ptaa、poly-tpd为代表的有机高分子半导体材料，以niox为代表的无机半导体材料以及自组装单分子(sam)层材料。其中，pedot:pss由于具有吸水性，对活性层钙钛矿材料的长期工作稳定性会有不利的影响；niox等无机半导体薄膜由于采用了制程相容的湿法制备方法，无法避免其中存在缺陷，往往需要进一步的表面修饰；ptaa等高分子半导体材料薄膜的疏水性过于明显，会带来钙钛矿大面积制备中埋底界面接触不良的问题。自组装单分子(sam)层材料是最近又一成功应用于钙钛矿电池空穴传输层的新型材料。在结构上，sam带有螯合基团，可以化学锚定到金属氧化物基底(透明电极或无机半导体空穴传输材料)上，sam还带有共轭基团构成的电荷传输基元，以实现光生空穴的有效提取与传输。然而，sam是有机小分子，成膜性不佳，在实际使用中难以达到设计该类材料时所希望的，在基底上形成致密均匀且结构取向一致的单分子层，往往出现聚集和分布不均匀的问题，进而导致接触电阻的增加以及钙钛矿与透明电极直接而形成传输能垒，并导致器件性能的劣化。如果能够发明一种既具有sam结构优势，又兼具聚合物材料良好的成膜性的空穴传输材料，对于实现可大面积溶液加工的高稳定、高效率光伏器件具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中自组装单分子层材料成膜性不佳，容易出现聚集和分布不均匀的问题，并提供一种自组装三元共聚物薄膜材料及基于该材料的太阳电池。

2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种自组装三元共聚物薄膜材料，为由结构单元m、结构单元n和结构单元l构成的嵌段聚合物，化学式为—(m1-x-y—nx—ly)m—，0.05≤x≤0.9，0.05≤y≤0.9，m≤50；

4、所述结构单元m的结构通式为如下结构中的一种：

5、

6、式中：a为碳原子、氧原子、氮原子、硫原子或硒原子；b为烷基链；c为-po3h2、-so3h、-bo3h2、-sio3h或-cooh；r1为甲基、甲氧基、胺基、氢原子或卤素原子；r2为甲基、甲氧基、胺基、氢原子或卤素原子；

7、所述结构单元n的结构通式为以下结构中的一种

8、

9、式中：a为碳原子、氧原子、氮原子、硫原子或硒原子；b为烷基链

10、所述结构单元l的结构通式为以下结构中的一种：

11、

12、式中：n＝1、2或3，a为胺基或氢原子。

13、第二方面，本发明提供了一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，该太阳电池为多层复合结构，自下而上顺次为基底(1)、透明电极层(2)、空穴传输层(3)、活性层(4)、电子传输层(5)和金属电极层(6)；其中空穴传输层(3)采用如权利要求1所述的自组装三元共聚物薄膜材料。

14、作为上述第二方面的优选，所述的活性层(4)的材料化学式为fa1-mmam-ncsnpbi3-xbrx，0≤m≤1，0≤n≤0.3，0≤x≤0.3。

15、作为上述第二方面的优选，所述的基底(1)材料为玻璃或石英。

16、作为上述第二方面的优选，所述的透明电极层(2)为氧化铟锡层、氟掺氧化铟锡层、氧化镍层中的一层或双层。

17、作为上述第二方面的优选，所述的电子传输层(5)为c60层、pcbm层、zno层、bcp层、lif层中的一层或多层。

18、作为上述第二方面的优选，所述的金属电极层(6)的材料为银/铝混合物、银、铝或金。

19、相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：

20、本发明通过对化学结构的合理设计，采用了自组装三元共聚物为空穴传输层材料。自组装三元共聚物的主链结构由共轭结构单元非刚性交替连接，一方面可以具有可调的能级结构和良好的空穴传输特性，另一方面不同共轭结构单元间非刚性连接避免了刚性连接的溶解性问题，有效保证材料具有良好的成膜性，同时交替的结构特征能够确保成膜后各功能结构单元在基底上的相对均匀分布，有利于提高界面层结构的均一性。自组装三元共聚物薄膜的侧链有螯合基团，以增强薄膜与基底的相互作用，以达到辅助主链结构单元定向排列的作用。以上结构特点保证了自组装三元共聚物薄膜既是高质量钙钛矿活性层生长所需的优质的基底材料，也是性能优异空穴传输材料，对于实现可大面积溶液加工的高稳定、高效率太阳电池的制备具有十分重要的意义。

技术特征：

1.一种自组装三元共聚物薄膜材料，其特征在于，为由结构单元m、结构单元n和结构单元l构成的嵌段聚合物，化学式为—(m1-x-y—nx—ly)m—，0.05≤x≤0.9，0.05≤y≤0.9，m≤50；

2.一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，其特征在于，太阳电池为多层复合结构，自下而上顺次为基底(1)、透明电极层(2)、空穴传输层(3)、活性层(4)、电子传输层(5)和金属电极层(6)；其中空穴传输层(3)采用如权利要求1所述的自组装三元共聚物薄膜材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，其特征在于所述的活性层(4)的材料化学式为fa1-mmam-ncsnpbi3-xbrx，0≤m≤1，0≤n≤0.3，0≤x≤0.3。

4.根据权利要求2所述的一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，其特征在于所述的基底(1)材料为玻璃或石英。

5.根据权利要求2所述的一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，其特征在于所述的透明电极层(2)为氧化铟锡层、氟掺氧化铟锡层、氧化镍层中的一层或双层。

6.根据权利要求2所述的一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，其特征在于所述的电子传输层(5)为c60层、pcbm层、zno层、bcp层、lif层中的一层或多层。

7.根据权利要求2所述的一种基于自组装三元共聚物薄膜的太阳电池，其特征在于所述的金属电极层(6)的材料为银/铝混合物、银、铝或金。

技术总结本发明公开了一种自组装三元共聚物薄膜材料及基于该材料的太阳电池。该太阳电池包括基底、透明电极层、空穴传输层、活性层、电子传输层、金属电极层；从基底自下到上顺次设有透明电极层、空穴传输层、活性层、电子传输层、金属电极层。空穴传输层材料是一种自组装三元共聚物薄膜，其特征由不同功能结构单元构成的嵌段聚合物，该聚合物兼具了良好的可溶解性、成膜性与铆钉基底的能力，可以实现功能单元在基底上结构有序的均匀组装，从而为活性层钙钛矿的生长提供优质的基底，并实现高效的空穴提取与传输，对于实现可大面积溶液加工的高稳定、高效率太阳电池的制备具有十分重要的意义。技术研发人员：吴刚,陈红征受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10