[發明專利]一種高效率的三元有機太陽電池

有效

• 申請號: 201810024413.1
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108365098B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 陳紅征;占玲玲;李水興;施敏敏
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46
• 代理公司: 33200 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅<國際申請>=<國際公布>

本發明公開了一種高效率的三元有機太陽電池，它包括襯底、陰極、陰極修飾層、活性層、陽極修飾層和陽極，其中活性層為一種聚合物電子給體PBDB?T與兩種小分子電子受體HF?PCIC和IEICO?4F的共混膜。利用PBDB?T、HF?PCIC和IEICO?4F三者互補的吸收，特別是借助于IEICO?4F對活性層形貌的優化，本發明制備的三元有機太陽電池，實現了300?1000nm寬光譜范圍內的良好光電響應，相對于基于PBDB?T:HF?PCIC的二元有機太陽電池，短路電流密度的提升高達7.2mA/cm²，能量轉換效率(PCE)最高為11.20％，遠高于二元電池的8.82％。此外，三元有機太陽電池還表現出很低的能量損失(0.59eV)，從而使電池具有較高的開路電壓。

技術領域

本發明涉及太陽電池，尤其涉及一種高效率的三元有機太陽電池。

背景技術

傳統的有機太陽電池的活性層是一種電子給體與一種電子受體組成的二元共混膜(二元有機太陽電池)。但是，由于有機類電子給體和電子受體具有非連續的能級結構，使得二元共混膜難以獲得寬而強的光譜吸收范圍，限制了電池對太陽光的吸收利用，短路電流密度無法與具有連續能級結構(能帶)的無機太陽電池(如單晶硅和多晶硅太陽電池)相媲美。為此，人們在二元有機太陽電池中添加與原有二元共混膜吸收互補的第三組分(既可以是電子給體，也可以是電子受體)，使得到的三元有機太陽電池的光電響應光譜拓寬，或者原先吸收弱的譜段的吸光能力增強，從而短路電流密度增加，能量轉換效率(PCE)也有一定的提升。

例如，中科院化學所的侯劍輝等人在基于電子給體J52和電子受體IT-M的二元有機太陽電池中，引入了在780-900nm范圍內有強吸收的電子受體IEICO，將吸收邊從二元電池的780nm拓展到三元電池的900nm，短路電流密度從17.1mA/cm²增加到19.7mA/cm²，PCE從9.4％提升到11.1％(Advanced Materials,2017,29,1700437)。又如，四川大學的彭強等人在基于電子給體PTB7-Th和電子受體SFBRCN的二元有機太陽電池中，添加中等帶隙的電子給體PBDB-T，改善二元電池在某些短波長區間吸光能力不足的缺點，從而將短路電流密度從二元電池的17.11mA/cm²增加到三元電池的17.86mA/cm²，PCE從10.10％提升到12.27％(Advanced Materials,2017,29,1704271)。

上述成功的實例證明構筑三元電池是提高有機太陽電池PCE簡單而且有效的方法。然而，我們也可以從上述例子中看出，目前的三元電池對光伏性能的改善程度還比較有限，特別是在短路電流密度上，增長率大于20％或增長絕對值大于5mA/cm^-2的實例，還未見論文和專利報道。這是因為，有機太陽電池的活性層形貌，包括納米級相分離結構和貫穿整個活性層的電荷傳輸通道等，對其光伏性能起著至關重要的作用。在二元共混膜中添加第三組分，容易造成原有良好形貌的破壞，影響光生電荷的產生和傳輸，從而限制了電池短路電流密度和效率的提升幅度。另一方面，為了拓寬吸光范圍，三元電池中的第三組分勢必為比原有二元材料體系帶隙更窄的電子給體或受體，如在近紅外區強吸收的材料，帶隙的變窄意味著材料HOMO能級的升高與(或)LUMO能級的降低，因此極易造成電池開路電壓的明顯降低，從而也限制了三元電池效率的改善程度。所以，如何在三元有機太陽電池中大幅度增加短路電流密度，同時保持較高的開路電壓，是一大挑戰。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種能大幅度增加短路電流密度的、同時具有較高開路電壓的、高效率的三元有機太陽電池。

高效率的三元有機太陽電池包括襯底、陰極、陰極修飾層、活性層、陽極修飾層和陽極，所述的活性層為一種電子給體與兩種電子受體的共混膜。

所述的一種電子給體為PBDB-T，兩種電子受體為HF-PCIC和IEICO-4F，化學結構式為：