[发明专利]一种高效率的三元有机太阳电池

说明书

本发明公开了一种高效率的三元有机太阳电池，它包括衬底、阴极、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极，其中活性层为一种聚合物电子给体PBDB‑T与两种小分子电子受体HF‑PCIC和IEICO‑4F的共混膜。利用PBDB‑T、HF‑PCIC和IEICO‑4F三者互补的吸收，特别是借助于IEICO‑4F对活性层形貌的优化，本发明制备的三元有机太阳电池，实现了300‑1000nm宽光谱范围内的良好光电响应，相对于基于PBDB‑T:HF‑PCIC的二元有机太阳电池，短路电流密度的提升高达7.2mA/cm²，能量转换效率(PCE)最高为11.20％，远高于二元电池的8.82％。此外，三元有机太阳电池还表现出很低的能量损失(0.59eV)，从而使电池具有较高的开路电压。

技术领域

本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种高效率的三元有机太阳电池。

背景技术

传统的有机太阳电池的活性层是一种电子给体与一种电子受体组成的二元共混膜(二元有机太阳电池)。但是，由于有机类电子给体和电子受体具有非连续的能级结构，使得二元共混膜难以获得宽而强的光谱吸收范围，限制了电池对太阳光的吸收利用，短路电流密度无法与具有连续能级结构(能带)的无机太阳电池(如单晶硅和多晶硅太阳电池)相媲美。为此，人们在二元有机太阳电池中添加与原有二元共混膜吸收互补的第三组分(既可以是电子给体，也可以是电子受体)，使得到的三元有机太阳电池的光电响应光谱拓宽，或者原先吸收弱的谱段的吸光能力增强，从而短路电流密度增加，能量转换效率(PCE)也有一定的提升。

例如，中科院化学所的侯剑辉等人在基于电子给体J52和电子受体IT-M的二元有机太阳电池中，引入了在780-900nm范围内有强吸收的电子受体IEICO，将吸收边从二元电池的780nm拓展到三元电池的900nm，短路电流密度从17.1mA/cm²增加到19.7mA/cm²，PCE从9.4％提升到11.1％(Advanced Materials,2017,29,1700437)。又如，四川大学的彭强等人在基于电子给体PTB7-Th和电子受体SFBRCN的二元有机太阳电池中，添加中等带隙的电子给体PBDB-T，改善二元电池在某些短波长区间吸光能力不足的缺点，从而将短路电流密度从二元电池的17.11mA/cm²增加到三元电池的17.86mA/cm²，PCE从10.10％提升到12.27％(Advanced Materials,2017,29,1704271)。

上述成功的实例证明构筑三元电池是提高有机太阳电池PCE简单而且有效的方法。然而，我们也可以从上述例子中看出，目前的三元电池对光伏性能的改善程度还比较有限，特别是在短路电流密度上，增长率大于20％或增长绝对值大于5mA/cm^-2的实例，还未见论文和专利报道。这是因为，有机太阳电池的活性层形貌，包括纳米级相分离结构和贯穿整个活性层的电荷传输通道等，对其光伏性能起着至关重要的作用。在二元共混膜中添加第三组分，容易造成原有良好形貌的破坏，影响光生电荷的产生和传输，从而限制了电池短路电流密度和效率的提升幅度。另一方面，为了拓宽吸光范围，三元电池中的第三组分势必为比原有二元材料体系带隙更窄的电子给体或受体，如在近红外区强吸收的材料，带隙的变窄意味着材料HOMO能级的升高与(或)LUMO能级的降低，因此极易造成电池开路电压的明显降低，从而也限制了三元电池效率的改善程度。所以，如何在三元有机太阳电池中大幅度增加短路电流密度，同时保持较高的开路电压，是一大挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能大幅度增加短路电流密度的、同时具有较高开路电压的、高效率的三元有机太阳电池。

高效率的三元有机太阳电池包括衬底、阴极、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极，所述的活性层为一种电子给体与两种电子受体的共混膜。

所述的一种电子给体为PBDB-T，两种电子受体为HF-PCIC和IEICO-4F，化学结构式为：