[發明專利]有機光伏電池及其非富勒烯受體

在審

• 申請號: 201880076844.0
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN111712928A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: S·福里斯特;Y·李;X·劉
• 申請（專利權）人: 密西根大學董事會
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042;H01L51/46;C07D495/22;C07D519/00
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 高敏

本文中描述了有機光伏電池OPV和其組合物。在一或多個實施例中，帶有OPV的活性層的受體包含非富勒烯受體。此類非富勒烯受體可以提供改進的OPV性能特性，諸如改進的功率轉換效率、開路電壓、填充因子、短路電流和/或外量子效率。非富勒烯受體的一個示例是(4,4,10,10?四(4?己基苯基)?5,11?(2?乙基己氧基)?4,10?二氫?二噻吩基[1,2?b:4,5b′]苯并二噻吩?2,8?二基)雙(2?(3?氧代?2,3?二氫茚?5,6?二氯?1?亞基)丙二腈。

本申請要求于2017年11月6日提交的美國臨時申請第62/582,212號的權益，其全部內容通過引用被整體結合于本文中。

關于聯邦資助研究的聲明

本發明是根據能源部授予的DE-EE0006708和美國海軍研究所授予的N00014-17-1-2211，在政府支持下做出的。政府對本發明享有一定的權利。

技術領域

本公開總體涉及電活性、光學活性、太陽能和半導體器件，并且更具體地，涉及有機光伏電池和此類有機光伏電池中的近紅外非富勒烯受體組合物。

背景技術

光電子器件依靠材料的光學和電子屬性來以電子方式產生或檢測電磁輻射或從環境電磁輻射產生電。

光敏光電子器件將電磁輻射轉換成電。也稱為光伏(PV)器件或電池的太陽能電池是一種被專門用來產生電力的光敏光電子器件。可以從日光以外的光源產生電能的PV器件可以被用來驅動功率消耗負載，以提供例如照明、加熱，或為諸如計算器、收音機、計算機或遠程監控或通信設備的電子電路或器件供電。這些發電應用可以牽涉到電池或其它能量存儲器件的充電，使得當來自太陽或其它光源的直接照明不可用時操作可以繼續，或以平衡PV器件的功率輸出與特定應用要求。

傳統上，光敏光電子器件由若干個無機半導體構成，例如晶體硅、多晶硅和非晶硅、砷化鎵、碲化鎘等。

最近的努力集中在使用有機光伏(OPV)電池來以經濟的生產成本實現可接受的光伏轉換效率。OPV為太陽能轉換提供了低成本、輕質和機械靈活的途徑。與聚合物相比，小分子OPV共享使用帶有明確分子結構和重量的材料的優點。這導致用于純化的可靠途徑和使用高度控制的熱沉積來沉積多個層的能力，而不用擔心溶解和因此損壞先前沉積的層或次電池。

除了追求高器件效率之外，OPV還具有獨特的優點，諸如供在建筑光伏一體化(BIPV)中使用的半透明太陽能電池的應用。考慮到現代城市環境中窗戶和立面的巨大表面積，開發帶有高效率和高透射率的半透明太陽能電池變得日益重要。對于高度透明的太陽能電池，可見光必須對眼睛不受抑制地傳播，并且因此不能被吸收。選擇性地收集近紅外(NIR)輻射避免了效率和透射率之間的競爭。然而，在常規富勒烯基OPV中缺乏高性能NIR吸收劑阻止了獲得高效但高度透明(在可見中)的器件。迄今為止，基于富勒烯受體的半透明OPV僅顯示小于或等于4％的PCE以及61％的平均可見光透射率。

開發小能隙非富勒烯受體(NFA)的進展為實現高效率和透明度提供了新的機會。然而，大多數NFA在UV-Vis范圍中強烈吸收，而在NIR范圍中帶有吸收截止的NFA很少。Yao等人在德國應用化學國際版(Angew.Chem.Int.Ed.)第56卷第3045頁(2017)中報道了吸收邊緣延伸到大約1000nm的受體-π-橋-供體-π-橋-受體(a-π-d-π-a)NFA。由于π橋與供體和受體單元之間的大扭轉角，扭曲的分子構象導致降低的電荷遷移率和填充因子(FF)，因此降低了PCE。

發明內容

本文中描述了有機光伏電池(OPV)和它們的組合物。在一或多個實施例中，OPV的活性層的受體包含以下結構之一：

其中：

A或B個別地選自由以下項所組成的群組：