一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池制造技术

本发明专利技术公开了一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池。它包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，其中活性层为聚3-己基噻吩（P3HT）和非富勒烯受体SF(DPPB)4的共混膜。所述的活性层中P3HT与SF(DPPB)4的重量比为1：1～4：1，活性层的厚度为50～200nm。利用SF(DPPB)4合适的LUMO能级和较宽的吸收光谱等特性，本发明专利技术制备的有机太阳电池具有很高的开路电压VOC（1.00～1.21V）和拓宽的光谱响应范围（300-710nm），能量转换效率（PCE）最高为4.00 %，优于在同等器件结构下采用富勒烯受体PC61BM的有机太阳电池的效率（PCE=3.18 %）。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池
本专利技术涉及太阳电池，尤其涉及一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池。
技术介绍
相比于传统的无机太阳电池，有机太阳电池由于能采用低成本的溶液加工方法制备成质轻超薄的大面积柔性器件，从而受到广泛的重视，引发了研究热潮。目前，有机太阳电池的活性层都采用给体与受体共混而成的本体异质结。经过二十多年人们持续不断的研究，主要由于各种新型给体材料(包括聚合物给体和小分子给体)的成功开发以及器件结构的优化，有机太阳电池取得了突飞猛进的进步，据报道，单节的聚合物太阳电池和小分子太阳电池的最高能量转换效率(PCE)都已达到～10％(NaturePhotonics,2015,9,174；JournaloftheAmericanChemicalSociety,2014,136,15529)，叠层有机太阳电池的PCE更是达到了12％(Http://www.heliatek.com/)，预示着有机太阳电池即将进入产业化。但是，无论有机太阳电池采用何种给体材料和怎样的器件结构，要获得高的PCE，受体材料清一色地都是富勒烯及其衍生物，最常用的是PC61BM和PC71BM。然而，富勒烯受体也存在明显的缺点，如对太阳光的吸收很弱、能级结构难以大幅度调控，特别是纯化过程繁琐费时，导致成本高昂，这无疑会极大地阻碍有机太阳电池的产业化进程。为此，人们正在大力开发有机非富勒烯受体，将其应用于有机太阳电池领域。例如，中科院化学所的詹传郎等人设计合成了一种苝酰亚胺二聚体Bis-PDI-T-EG，将它与窄带隙聚合物给体PBDTTT-C-T共混制得的有机太阳电池，PCE为4.03％(AdvancedMaterials,2013,25,5791)；美国华盛顿大学的Jenekhe等人进一步改进分子结构，设计合成了一种新型酰亚胺二聚体DBFI-DMT，将它与窄带隙聚合物给体PSEHTT共混制得的有机太阳电池，PCE提高到6.37％(AdvancedMaterials,2015,27,3266)。另外，Jenekhe等人还合成了一种苝酰亚胺与萘酰亚胺的共聚物30PDI，将它与窄带隙聚合物给体PBDTTT-C-T共混制得的有机太阳电池，PCE也高达6.29％(JournaloftheAmericanChemicalSociety,2015,137,4424)。以上的工作都是将非富勒烯受体与窄带隙聚合物给体共混制备有机太阳电池。如果采用聚3-己基噻吩(P3HT)作为给体，它与非富勒烯受体共混制得的有机太阳电池，PCE通常小于3％(PolymerChemistry,2013,4,4631；ChemicalCommunications,2013,49,6307；AdvancedEnergyMaterials,2013,3,724)。这类电池PCE不高的主要原因是：1、P3HT的带隙较宽，无法吸收利用波长大于650nm的太阳光；2、P3HT的HOMO能级较高(-5.0eV)，与受体的LUMO能级的能级差小，导致电池的开路电压(VOC)变小。尽管P3HT有以上缺点，但P3HT仍然是一种非常重要的聚合物给体，它具有非常高的空穴迁移率(0.6cm2V-1s-1)，这使得基于P3HT的有机太阳电池在活性层厚度在几十到几百纳米之间变化时，器件效率基本不变；另外，采用工业化Roll-Roll工艺制备的基于P3HT的大面积太阳电池，器件效率相对于实验室制备的小面积太阳电池只有～30％的下降，而基于其他给体的大面积有机太阳电池，器件效率的下降程度超过50％(SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2011,95,1348)。这说明P3HT作为给体具有广阔的商业化前景。因此，必须开发适用于P3HT的高性能非富勒烯受体。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种能在扩大光谱吸收范围和提高开路电压的情况下，基于非富勒烯受体的有机太阳电池。基于非富勒烯受体的有机太阳电池包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，所述的活性层为P3HT和非富勒烯受体的共混膜。所述的非富勒烯受体为SF(DPPB)4，化学结构式为：所述的活性层中P3HT与SF(DPPB)4的重量比为1：1～4：1，活性层的厚度为50～200nm。所述的活性层经过退火处理，退火温度为60～200℃，退火时间为5～30min。所述的衬底为玻璃；所述的阳极为ITO；所述的阳极修饰层为PEDOT与PSS的共混膜；所述的阴极修饰层为PFN；所述的阴极为Al。本专利技术的优点在于采用SF(DPPB)4作为有机太阳电池的受体。在SF(DPPB)4的分子结构中，四个吡咯并吡咯二酮(DPP)单元与中心的螺芴单元以及末端的四个苯环形成共轭，从而使分子的带隙变小，光谱吸收范围向长波长方向拓展，有利于有机太阳电池吸收利用更多的太阳光；同时，这种共轭作用不是完全共平面的，DPP单元与螺芴单元以及苯环之间有一定的二面角(22°和24°)，因此不会导致分子的LUMO能级大幅下降，与给体P3HT的HOMO能级之间的能级差仍然很大，从而保证有机太阳电池有很高的开路电压。另外，螺芴单元使SF(DPPB)4具有三维立体结构，防止SF(DPPB)4形成大的聚集体，确保P3HT和SF(DPPB)4的共混膜具有小的相分离尺寸，促进活性层中激子的分离，提高有机太阳电池的光电流。附图说明图1活性层中P3HT与SF(DPPB)4的重量比为2：1并进行120℃前退火处理以及活性层中P3HT与PC61BM的重量比为1：0.8并进行120℃后退火处理的有机太阳电池在光照下的电流-电压曲线。具体实施方式基于非富勒烯受体的有机太阳电池包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，所述的活性层为P3HT和非富勒烯受体的共混膜。所述的非富勒烯受体为SF(DPPB)4，化学结构式为：所述的活性层中P3HT与SF(DPPB)4的重量比为1：1～4：1，活性层的厚度为50～200nm。所述的活性层经过退火处理，退火温度为60～200℃，退火时间为5～30min。所述的衬底为玻璃；所述的阳极为ITO；所述的阳极修饰层为PEDOT与PSS的共混膜；所述的阴极修饰层为PFN；所述的阴极为Al。实施例1利用2,2’,7,7’-四(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂戊硼烷-2-基)-9,9’-螺二芴(B4-SF)与3-(5-溴噻吩-2-基)-2,5-双(2-乙基己基)-6-(5-苯基噻吩-2-基)-2,5-吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(Br-DPPB)的Suzuki偶联反应来合成SF(DPPB)4，反应方程式为：其中，B4-SF用文献ChemicalCommunication,2012,48,11847报道的方法合成，Br-DPPB用文献JournalofMaterialsChemstryA,2015,3,1902报道的方法合成。SF(DPPB)4的合成步骤为：在250mL两口圆底烧瓶中，加入0.146gB4-SF、0.721gBr-DPPB和2.212gK2CO3，再加入50mL甲苯、3mL乙醇和8mL水，搭建密闭反应回流装置，将混合溶液用液氮进行冷冻，然后进行三次抽真空充氮气的循环，在氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池，包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，其特征在于活性层为P3HT和非富勒烯受体的共混膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池，包括衬底、阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，其特征在于活性层为P3HT和非富勒烯受体的共混膜；所述的非富勒烯受体为SF(DPPB)4，化学结构式为：2.根据权利要求1所述的一种基于非富勒烯受体的有机太阳电池，其特征在于所述的活性层中P3HT与SF(DPPB)4的重量比为1：1～4：1，活性层的厚度为50～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：施敏敏，李水兴，刘文清，陈红征，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33