一种三元宽带隙有机光伏体系、太阳电池及其功能化应用

技术领域

本发明设计了多功能化应用的有机三元半导体体系，具体主要应用于集成发光显示和有机光伏驱动低功耗电子设备。

背景技术

随着物联网(IoT)生态系统的快速发展，数百亿的室内低功耗电子设备需要大量的离网电源(传统的化学电池(纽扣电池)和商业电力驱动)。然而，这些离网电源需要不断更新和定期维护，同时也带来严重的环境污染。为了实现“双碳”目标，需摆脱常规能源技术，构建多元化和智能化的可再生绿色能源新体系。与其他绿色能源技术相比，有机光伏成本低、可溶液加工、质轻、环境友好，以及在弱光条件下表现出优异的器件性能可驱动大量的低功耗电子器件。尽管有机光伏材料被大量设计开发，由于室内和室外光源光谱响应范围不同，导致缺乏高效的适用于室内有机光伏材料，同时加工溶剂的致癌性，限制室内有机光伏器件的性能的提升，导致延缓室内有机光伏的实际应用。因此，迫切需要开发构建绿色、高效的室内有机光伏新体系，并探索有机光伏器件在集成显示与低功耗电子器件上实际应用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明通过三元策略结合绿色溶剂构建绿色、高效的室内有机光伏新体系，并应用于集成显示与低功耗电子器件。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种三元宽带隙有机光伏体系，以宽带隙材料BTA3和BTA1作为受体材料，J52-Cl作为给体材料，四氢呋喃作为溶剂；其中J52-Cl和BTA3作为主体系，BTA1作为第三组分调控三元体系的能级结构和活性层微观形貌；

所述J52-Cl的结构如下：

所述BTA3的结构式如下：

所述BTA1的结构式如下：

进一步，所述给受体材料的质量比为1:1，BTA3:BTA1受体的质量比为0.9～0.7：0.1～0.3。优选的，BTA3:BTA1受体的质量比为0.8:0.2。

第二方面，本发明提供一种三元宽带隙有机太阳能电池，包括从下到上依次堆叠的基底、底部电极、界面层、活性层、界面层和顶部电极；

所述活性层为第一方面所述的三元有机光伏体系；

所述界面层为空穴传输层或电子传输层。

进一步，所述基底分为硬质基底或柔性基底。

进一步，所述硬基底包括玻璃；所述柔性基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷。

进一步，所述底部电极包括氧化铟锡(ITO)、金属纳米线(纳米环、纳米棒、纳米颗粒等)、超导PEDOT:PSS和有机导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯等)。

进一步，所述空穴传输层包括导电高分子(如：PEDOT:PSS(4083))和p-型金属氧化物如：MoO

进一步，所述有机太阳能电池可分为大面积有机光伏组件和单节小面积有机光伏器件。

进一步，所述有机太阳能电池制备可通过旋涂工艺、刮涂工艺、狭缝涂布工艺、卷对卷印刷工艺以及喷涂工艺等制备。

第三方面，本发明提供第二方面所述的太阳能电池作为太阳能电源或作为发光器件的应用。

进一步，产生太阳能的光源为室外光或室内光，室内光辐照强度可约为50lux-2000lux。

进一步，在外加2-10V的偏压下作为显示发光器件。

本发明具有如下有益效果：

本发明选择以J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机半导体体系(四氢呋喃作为加工溶剂)作为示例，以LED作为光源，光强为1000lux下小面积的器件(0.04cm

本发明基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系制备了高效的大面积不透明和半透明有机光伏组件，并获得优异的器件性能(LED，1000lux)。因次，将其应用于室内光驱动温湿度传感器。

本发明基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系，制备了图案化的有机光伏器件应用于有机发光二极管(OLED)用作集成显示成像。

附图说明

图1为制备有机室内光伏器件的材料结构式；

图2为一个标准太阳光光源的光谱(AM 1.5G，100mW/cm

图3为基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系(四氢呋喃(THF)作为加工溶剂)在太阳光谱(AM 1.5G，100mW cm

图4为2700K，1000lux下的LED发射功率和积分功率；

图5为基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系(四氢呋喃作为加工溶剂)在LED光谱(2700K，1000lux)下小面积器件的电流-电压曲线；

图6为基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系(四氢呋喃作为加工溶剂)在LED光谱(2700K，1000lux)下不透明的大面积光伏组件(12cm

图7为基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系(四氢呋喃作为加工溶剂)在LED光谱(2700K，1000lux)下半透明的大面积光伏组件(12cm

图8为基于J52-Cl:BTA3:BTA1三元有机光伏体系的半透明器件的透过率曲线；

图9为在室内光下有机太阳能电池驱动温湿度传感器示意图；

图10为在室内光下有机太阳能电池驱动温湿度传感器实际应用图；

图11为有机太阳能电池的ITO电极刻蚀图案用于有机发光二极管应用；

图12为有机太阳能电池的顶部电极掩膜版设计图案用于有机发光二极管应用；

图13为有机太阳能电池用于有机发光二极管集成显示实际应用(显示指引牌)；

图14为有机太阳能电池供电的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

下述具体实施案例中所用的材料以及溶剂均可在商业中购买到，并无进一步修饰或加工。

实施例

本实施案例中选择以J52-Cl:BTA3作为主体系，BTA1作为第三组分构建高效的J52-Cl:BTA3:BTA1的三元室内光伏体系。其中给受体材料的质量比为1:1，BTA3:BTA1受体比例为0.8:0.2，此时三元器件在一个太阳光照条件下的效率为11.22％，其中开路电压为1.275V，短路电流为12.98mA cm

以上述活性层为基础进一步制备太阳能电池，包括从下到上依次堆叠的基底、底部电极、界面层(电子传输层)、活性层、界面层(空穴传输层)和顶部电极；其中，基底为透明玻璃或者PET柔性透明基底，底部电极为ITO，电子传输层为PFN-Br，空穴传输层为PEDOT:PSS，顶部电极为铝或者银。

优化后的三元体系的小面积(0.04cm

优化后的三元体系的大面积(12cm

优化后的三元体系的大面积(12cm

将上述所述的有机光伏组件在室内光的辐照下直接驱动温湿度传感器，示意图如图9和实际产品图如图10。从图10中可以看出，优化后的光伏组件在室内光下可直接驱动温湿度传感器，并可正常稳定工作。

根据如图11所示进行ITO电极的图案化刻蚀，然后将优化后的三元有机室内光伏体系以及界面层等逐层沉积在ITO基底上，再次通过图案化的掩膜版(图12)进行顶部电极的制备。将制备好的器件在外加偏压下可作为有机发光二极管器件用于集成显示，实际产品示意图如图13。图14示出了有机太阳能电池供电的示意图。

上述实施方式仅示范性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施案例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。