[发明专利]有机光伏电池及其非富勒烯受体

说明书

本文中描述了有机光伏电池OPV和其组合物。在一或多个实施例中，带有OPV的活性层的受体包含非富勒烯受体。此类非富勒烯受体可以提供改进的OPV性能特性，诸如改进的功率转换效率、开路电压、填充因子、短路电流和/或外量子效率。非富勒烯受体的一个示例是(4,4,10,10‑四(4‑己基苯基)‑5,11‑(2‑乙基己氧基)‑4,10‑二氢‑二噻吩基[1,2‑b:4,5b′]苯并二噻吩‑2,8‑二基)双(2‑(3‑氧代‑2,3‑二氢茚‑5,6‑二氯‑1‑亚基)丙二腈。

本申请要求于2017年11月6日提交的美国临时申请第62/582,212号的权益，其全部内容通过引用被整体结合于本文中。

关于联邦资助研究的声明

本发明是根据能源部授予的DE-EE0006708和美国海军研究所授予的N00014-17-1-2211，在政府支持下做出的。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本公开总体涉及电活性、光学活性、太阳能和半导体器件，并且更具体地，涉及有机光伏电池和此类有机光伏电池中的近红外非富勒烯受体组合物。

背景技术

光电子器件依靠材料的光学和电子属性来以电子方式产生或检测电磁辐射或从环境电磁辐射产生电。

光敏光电子器件将电磁辐射转换成电。也称为光伏(PV)器件或电池的太阳能电池是一种被专门用来产生电力的光敏光电子器件。可以从日光以外的光源产生电能的PV器件可以被用来驱动功率消耗负载，以提供例如照明、加热，或为诸如计算器、收音机、计算机或远程监控或通信设备的电子电路或器件供电。这些发电应用可以牵涉到电池或其它能量存储器件的充电，使得当来自太阳或其它光源的直接照明不可用时操作可以继续，或以平衡PV器件的功率输出与特定应用要求。

传统上，光敏光电子器件由若干个无机半导体构成，例如晶体硅、多晶硅和非晶硅、砷化镓、碲化镉等。

最近的努力集中在使用有机光伏(OPV)电池来以经济的生产成本实现可接受的光伏转换效率。OPV为太阳能转换提供了低成本、轻质和机械灵活的途径。与聚合物相比，小分子OPV共享使用带有明确分子结构和重量的材料的优点。这导致用于纯化的可靠途径和使用高度控制的热沉积来沉积多个层的能力，而不用担心溶解和因此损坏先前沉积的层或次电池。

除了追求高器件效率之外，OPV还具有独特的优点，诸如供在建筑光伏一体化(BIPV)中使用的半透明太阳能电池的应用。考虑到现代城市环境中窗户和立面的巨大表面积，开发带有高效率和高透射率的半透明太阳能电池变得日益重要。对于高度透明的太阳能电池，可见光必须对眼睛不受抑制地传播，并且因此不能被吸收。选择性地收集近红外(NIR)辐射避免了效率和透射率之间的竞争。然而，在常规富勒烯基OPV中缺乏高性能NIR吸收剂阻止了获得高效但高度透明(在可见中)的器件。迄今为止，基于富勒烯受体的半透明OPV仅显示小于或等于4％的PCE以及61％的平均可见光透射率。

开发小能隙非富勒烯受体(NFA)的进展为实现高效率和透明度提供了新的机会。然而，大多数NFA在UV-Vis范围中强烈吸收，而在NIR范围中带有吸收截止的NFA很少。Yao等人在德国应用化学国际版(Angew.Chem.Int.Ed.)第56卷第3045页(2017)中报道了吸收边缘延伸到大约1000nm的受体-π-桥-供体-π-桥-受体(a-π-d-π-a)NFA。由于π桥与供体和受体单元之间的大扭转角，扭曲的分子构象导致降低的电荷迁移率和填充因子(FF)，因此降低了PCE。

发明内容

本文中描述了有机光伏电池(OPV)和它们的组合物。在一或多个实施例中，OPV的活性层的受体包含以下结构之一：

其中：

A或B个别地选自由以下项所组成的群组：