[發明專利]一種三元富勒烯有機太陽能電池

在審

• 申請號: 202011082128.9
• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112259687A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 朱衛國;唐煒;朱夢冰;張斌;譚華;劉煜
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 謝新萍

本發明公開了一種三元富勒烯有機太陽能電池，屬于光伏技術領域。在聚合物給體材料(PTB7?Th)與富勒烯受體材料(PC₇₁BM)組成的二元富勒烯本體異質結有機太陽能電池的活性層中，加入基于非對稱的噻吩并異苯并吡喃的(A'?D)₂A型小分子給體材料(TiC8)，構建了一類高效穩定的具有PTB7?Th：TiC8：PC₇₁BM活性層的三元富勒烯有機太陽能電池，器件的能量轉換效率達到了10.40％，且在氮氣氣氛中放置4500h后，器件的能量轉換效率仍然維持在原來的81％。與二元富勒烯有機太陽能電池相比，該三元富勒烯有機太陽能電池不僅能量轉換效率提升了18.3％，而且穩定性也得到了顯著提升。

技術領域

本發明屬于光伏技術領域，具體涉及一種包含聚合物給體材料、小分子給體材料與富勒烯受體材料的高效穩定的三元富勒烯有機太陽能電池。

背景技術

富勒烯有機太陽能電池是一類新型光伏電池。相對于傳統無機太陽能電池而言，它具有高效、清潔、無污染、重量輕、成本低、制備簡單、可卷對卷加工、柔性大面積制備等優點，是一類發展前景好的綠色可再生能源技術，已成為國際新能源領域研究的熱點。但富勒烯受體材料吸光能力差，使得激子的產生過程只能依賴于聚合物給體的光激發。為了克服富勒烯受體材料的固有缺陷，拓寬光活性層的光譜吸收，促進電荷的產生和傳輸，提高富勒烯有機太陽能電池的短路電流密度和能量轉換效率，近年，通過引入第三組分，發展了三元共混有機太陽能電池技術，電池的能量轉換效率超過了17％，然而，電池的穩定性差。如何發展高效穩定的有機太陽能電池已成為迫在眉睫需要解決的關鍵問題。

發明內容

為了解決現有技術中存在的技術問題，本發明通過在聚合物給體材料(PTB7-Th)(制備方法參見：K.Zhang,Z.Hu,F.Huang,Y.Cao,2015,Adv.Mater.27,3607-3613.6)與富勒烯受體材料(PC₇₁BM)組成的二元富勒烯本體異質結有機太陽能電池的活性層中，引入一種基于非對稱的噻吩并異苯并吡喃的(A'-D)₂A型小分子給體材料(TiC8)或(TiC12)(制備方法參見：CN201810407358.4基于噻吩并異苯并吡喃的zigzag型中寬帶隙小分子電子給體材料及其應用)，提供了一種由兩個給體材料和一個富勒烯受體材料構建的高效穩定的三元共混富勒烯有機太陽能電池。

非對稱的噻吩并異苯并吡喃的(A'-D)₂A型小分子給體材料，不僅能拓寬光活性層的光譜吸收，而且能誘導光活性層形成微結晶，減少晶界缺陷，改善相分離，抑制雙分子電荷重組，促進電荷產生和傳輸，提高載流子遷移率。因此，這種三元共混富勒烯有機太陽能電池不僅具有顯著提高的短路電流和能量轉換效率，而且具有顯著提升的器件穩定性。器件的能量轉換效率提升了18.3％，器件在氮氣氣氛中放置4500h后，器件的能量轉換效率仍然維持在原來81％水平。

本發明提供的一種高效穩定三元富勒烯有機太陽能電池構建技術是將非對稱的噻吩并異苯并吡喃的(A'-D)₂A型小分子給體材料(TiC8)作為第三組分，引入到二元富勒烯有機太陽能電池的光活性層，構建高效穩定的三元富勒烯有機太陽能電池。引入的非對稱的噻吩并異苯并吡喃的(A'-D)₂A型小分子給體材料(TiC8)或(TiC12)，不僅可以拓寬光活性層光譜吸收，而且可以誘導光活性層形成微結晶，減少晶界缺陷，改善相分離，抑制雙分子電荷重組，促進電荷的產生和傳輸，最終導致器件的短路電流密度、能量轉換效率和穩定性的全面提升。

本發明提供的三元富勒烯有機太陽能電池采用本體異質結正向結構，依次為：襯底層、透明導電陽極、陽極緩沖層、光活性層、陰極緩沖層和金屬陰極。

光活性層中，給體材料包含非對稱的噻吩并異苯并吡喃的(A'-D)₂A型小分子給體材料TiC8或TiC12和窄帶隙聚合物給體材料PTB7-Th。