[发明专利]一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池。

背景技术

相比于传统的无机太阳电池，有机太阳电池由于能采用低成本的溶液加工方法制备成质轻超薄的大面积柔性器件，从而受到广泛的重视，引发了研究热潮。目前，有机太阳电池的活性层都采用给体与受体共混而成的本体异质结。经过二十多年人们持续不断的研究，主要由于各种新型给体材料(包括聚合物给体和小分子给体)的成功开发以及器件结构的优化，有机太阳电池取得了突飞猛进的进步，据报道，单节的聚合物太阳电池和小分子太阳电池的最高能量转换效率(PCE)都已达到～10％(Nature Photonics,2015,9,174；Journal of the American Chemical Society,2014,136,15529)，叠层有机太阳电池的PCE更是达到了12％(Http://www.heliatek.com/)，预示着有机太阳电池即将进入产业化。

但是，无论有机太阳电池采用何种给体材料和怎样的器件结构，要获得高的PCE，受体材料清一色地都是富勒烯及其衍生物，最常用的是PC₆₁BM和PC₇₁BM。然而，富勒烯受体也存在明显的缺点，如对太阳光的吸收很弱、能级结构难以大幅度调控，特别是纯化过程繁琐费时，导致成本高昂，这无疑会极大地阻碍有机太阳电池的产业化进程。为此，人们正在大力开发有机非富勒烯受体，将其应用于有机太阳电池领域。

例如，中科院化学所的詹传郎等人设计合成了一种苝酰亚胺二聚体Bis-PDI-T-EG，将它与窄带隙聚合物给体PBDTTT-C-T共混制得的有机太阳电池，PCE为4.03％(Advanced Materials,2013,25,5791)；美国华盛顿大学的Jenekhe等人进一步改进分子结构，设计合成了一种新型酰亚胺二聚体DBFI-DMT，将它与窄带隙聚合物给体PSEHTT共混制得的有机太阳电池，PCE提高到6.37％(Advanced Materials,2015,27,3266)。另外，Jenekhe等人还合成了一种苝酰亚胺与萘酰亚胺的共聚物30PDI，将它与窄带隙聚合物给体PBDTTT-C-T共混制得的有机太阳电池，PCE也高达6.29％(Journal of the American Chemical Society,2015,137,4424)。

以上的工作都是将非富勒烯受体与窄带隙聚合物给体共混制备有机太阳电池。如果采用聚3-己基噻吩(P3HT)作为给体，它与非富勒烯受体共混制得的有机太阳电池，PCE通常小于3％(Polymer Chemistry,2013,4,4631；Chemical Communications,2013,49,6307；Advanced Energy Materials,2013,3,724)。这类电池PCE不高的主要原因是：1、P3HT的带隙较宽，无法吸收利用波长大于650nm的太阳光；2、P3HT的HOMO能级较高(-5.0eV)，与受体的LUMO能级的能级差小，导致电池的开路电压(V_OC)变小。尽管P3HT有以上缺点，但P3HT仍然是一种非常重要的聚合物给体，它具有非常高的空穴迁移率(0.6cm²V^-1s^-1)，这使得基于P3HT的有机太阳电池在活性层厚度在几十到几百纳米之间变化时，器件效率基本不变；另外，采用工业化Roll-Roll工艺制备的基于P3HT的大面积太阳电池，器件效率相对于实验室制备的小面积太阳电池只有～30％的下降，而基于其他给体的大面积有机太阳电池，器件效率的下降程度超过50％(Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95,1348)。这说明P3HT作为给体具有广阔的商业化前景。因此，必须开发适用于P3HT的高性能非富勒烯受体。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能在扩大光谱吸收范围和提高开路电压的情况下，基于非富勒烯受体的有机太阳电池。

基于非富勒烯受体的有机太阳电池包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，所述的活性层为P3HT和非富勒烯受体的共混膜。

所述的非富勒烯受体为SF(DPPB)₄，化学结构式为：

所述的活性层中P3HT与SF(DPPB)₄的重量比为1：1～4：1，活性层的厚度为50～200nm。