[發明專利]一種3D非富勒烯受體小分子的合成及其在三元有機太陽能電池中的應用

有效

• 申請號: 202210007896.0
• 申請日: 2022-01-05
• 公開（公告）號: CN114539240B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 譚華;徐穎;龍意;于俊婷;朱衛國
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C07D417/14
• 分類號: C07D417/14;H10K85/60;H10K30/50
• 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: 王志慧

本發明公開了一種3D非富勒烯受體小分子的合成及其在三元有機太陽能電池中的應用。該小分子材料是以3D結構螺二芴為核，2,1,3?苯并噻二唑和雙氰基?3?己基羅丹寧組成分子的臂。將該分子材料作為第三組分(受體)，摻雜到PM6:PC₇₁BM二元聚合物電池中，得到三元PSCs的PCE為10.05％，較PM6:PC₇₁BM二元聚合物電池的PCE(9.12％)提高了10％，本發明的三元器件制備是一種有效的提高器件PCE的新方法。

技術領域

本發明涉及聚合物太陽能電池(PSCs)受體小分子材料和三元聚合物太陽能電池器件領域：1、涉及一個新型3D幾何結構非富勒烯受體小分子材料SF(BRCN)₄的設計和合成；2、以該新材料作為第三組分，PM6:PC₇₁BM二元聚合物太陽能電池為主體，制備本體異質結有機光伏電池(BHJ-OPVs)器件，獲得器件能量轉換效率(PCE)為10.05％和一種有效提升器件PCE的方法。

背景技術

本體異質結聚合物太陽能電池(BHJ-PSCs)是一類新型的光伏電池，主要由包含給體材料和受體材料的活性層組成，由于其獨特的結構和卓越的性能而受到廣泛關注。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、可大面積制備等優點，是一類發展前景較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，近年來，研究者們通過在二元有機太陽能電池中引入第三組分，發展三元共混有機太陽能電池技術，至今三元有機太陽能電池的能量轉換效率已經超過了18％。

據報道，在2010年，最早的三元PSCs之一是基于Koppe等人的富勒烯衍生物─[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯(PC₆₁BM)。并且，大量工作表明，三元PSCs的研究主要集中在將聚合物或小分子給體作為第三種組分添加到基于聚合物給體和富勒烯衍生物受體的活性層中。而當二元中聚合物給體或富勒烯受體發生改變時，二元體系的效率就會隨之改變，此時將第三組分加入二元體系中，三元體系的效率就會隨著二元體系的改變而改變，三元效果是否優于二元不可預知。近年來，非富勒烯受體因其具有平面型、化學結構易調節、制作成本低廉、合成線路簡單等優勢被廣泛用于三元PSCs的活性層中。因此，針對其他類型的非富勒烯受體作為第三組分被用于三元PSCs活性層的研究是有意義和有趣的。

發明內容

針對三元PSCs的研究現狀，本發明的目的是合成非平面型非富勒烯受體材料并以之為第三組分，制備本體異質結有機光伏電池(BHJ-OPVs)器件，以獲得實現高PCE的新方法。一方面，設計合成了一種新型3D非富勒烯受體小分子SF(BRCN)₄，基于螺二芴為核與2,1,3-苯并噻二唑和雙氰基-3-己基羅丹寧連接而成；另一方面，以總質量占比4％SF(BRCN)₄為第三組分(受體)，摻雜到PM6:PC₇₁BM二元聚合物電池中，得到三元PSCs的PCE為10.05％，較PM6:PC₇₁BM二元聚合物電池的PCE提高10％。本發明的三元器件制備是一種有效的提高器件PCE的新方法。

本發明提供了一種新型3D非富勒烯受體小分子SF(BRCN)₄，結構如下所示：