基于一种供体聚合物和两种受体的三元混合物有机太阳能电池制造技术

本发明专利技术涉及一种有机太阳能电池，其包含光活化层，所述光活化层包含至少一种供体聚合物和两种非富勒烯分子受体。此外，本发明专利技术还涉及一种有机太阳能电池，其包含光活化层，所述光活化层包含一种供体聚合物、一种富勒烯受体以及一种非富勒烯分子受体。所述供体聚合物在溶液中显示出温度依赖性聚集(TDA)的性质，其中，当所述溶液由100℃冷却至室温时，所述聚合物溶液的吸收起点显示出至少80nm的红移；或当所述溶液由100℃冷却至0℃时，所述聚合物溶液的吸收起点显示出至少40nm的红移。

Ternary Mixture Organic Solar Cells Based on a Donor Polymer and Two Receptors

The invention relates to an organic solar cell, which comprises a light-activated layer comprising at least one donor polymer and two non-fullerene molecular receptors. In addition, the invention also relates to an organic solar cell comprising a light-activated layer comprising a donor polymer, a fullerene receptor and a non-fullerene molecular receptor. The donor polymer exhibits a temperature-dependent aggregation (TDA) property in solution, in which the absorption starting point of the polymer solution exhibits a red shift of at least 80 nm when the solution is cooled from 100 to room temperature, or at least 40 nm when the solution is cooled from 100 to 0.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于一种供体聚合物和两种受体的三元混合物有机太阳能电池相关申请的交叉引用本申请要求于2016年10月11日提交的美国临时专利申请系列No.62/496,211的优先权，该申请有本专利技术人提交，并且其全部内容以引用方式并入本文。
本专利技术的主题一般涉及一种供体-受体共轭聚合物、其制备方法以及相应的中间体。本专利技术的主题还涉及含有这种聚合物作为半导体的配方在有机电子(OE)器件中，特别是在有机太阳能电池(OSC)器件中，以及由这种配方制成的OE和OSC器件中的应用。
技术介绍
近年来，对于将包括共轭聚合物的有机半导体用于多种电子应用越来越感兴趣。一个重要领域是有机光伏领域。目前有机半导体已经在OSC中得到应用，因为它们可以通过旋转铸造和印刷等溶液加工技术制造器件。相对于用于制造无机薄膜器件的蒸发技术，溶液加工可以以更大规模进行，并且通常比蒸发技术廉价。近年来，OSC领域取得了显著的进展，这使得单结和串联器件的功率转换效率(PCE)超过10％。常规的OSC包含一种供体材料和一种受体材料作为光吸收活化层，但OSC器件的一个关键限制是活化层材料的吸收趋于相对较窄。因此，提高OSC吸收宽度的一种选择是使用包含两种具有互补吸收的材料的串联结构以覆盖宽光谱范围。尽管使用这种串联结构可以提高太阳能电池器件的吸收宽度，但大规模生产的器件制造难度以及由此产生的成本显著提升。为了保持单结结构的简单性同时扩大太阳光谱的覆盖范围，已经开发了三元混合物本体异质结(BHJ)OSC。在三元混合物本体异质结OSC中，在器件制造过程中，将供体和受体的组合混合在一起，其中所述组合可以是两种供体和一种受体，或者该组合可以是一种供体和两种受体。这也被称为所谓的三元有机太阳能电池。与仅包含一种供体和一种受体材料的常规OSC相比，由于三元OSC可包含三种供体或受体材料，因此三元OSC涵盖更宽的吸收范围。除了通过更宽的吸收增加光电流，由于首次展示了开路电压(Voc)随成分不断变化的器件，三元OSC已超出预期。例如，在某些三元系统中证明了填充因子(FF)的显著增加，甚至光电流Voc和FF的同时增加。这些优点产生了具有超过10％的功率转换效率的三元OSC。最主要类型的三元有机太阳能电池基于两种供体聚合物和一种受体。然而，这种类型的三元OSC表现出比相应的二元器件更低的性能。部分原因是由于两种供体聚合物和一种受体形成的了复杂形态。另一种类型的三元有机太阳能电池基于聚合物和小分子供体和一种受体。这种类型也对形态控制提出了一些挑战。对于这些现有的三元OSC系统，所提出的三元OSC的工作机理包括电荷转移、能量转移和类似并行的BHJ模型。然而，与PCE的快速发展相比，仍缺乏对器件操作机理的理解。导致器件物理学研究困难的主要原因是由三种组分部分形成了复杂形态，并且其中两种组分是三元混合物膜中的供体，例如，每种组分可以形成具有不同取向的自身结晶相；不同的组分可以形成不同的混合相；并且结构域的大小和纯度可能会发生显著变化。由于这些原因，三元混合物OSC的形态极难控制，因为混合物中有三种组分，这限制了三元OSC的发展。即使对于二元OSC，形态也难以控制。因此，对于三元OSC，目前已报道的最佳效率约为10.3％，其仍低于最佳二元有机太阳能电池(>11％)。因此，需要具有更高PCE的三元混合物OSC。
技术实现思路
在一个实施方案中，本专利技术的主题涉及一种有机太阳能电池，其包含光活化层，所述光活化层包含至少一种供体聚合物和两种非富勒烯分子受体。在一个实施方案中，本专利技术的主题涉及一种有机太阳能电池，其包含光活化层，所述光活化层包含一种供体聚合物、一种富勒烯受体以及一种非富勒烯分子受体。在一个实施方案中，所述供体聚合物在溶液中显示出温度依赖性聚集(TDA)的性质，其中，当所述溶液由100℃冷却至室温时，所述聚合物溶液的吸收起点(absorptiononset)显示出至少80nm的红移；或当所述溶液由100℃冷却至0℃时，所述聚合物溶液的吸收起点显示出至少40nm的红移。附图说明图1示出了三元太阳能电池的最佳效率的J-V曲线。图2A-C示出了三元太阳能电池的EQE曲线。图3A-C示出了三元太阳能电池的紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱。图4A-B示出了三元太阳能电池的线性变化。图5示出了根据本专利技术的教导测量的在0.1M(n-Bu)4N+PF6-乙腈溶液中的所有材料的能级。图6A-F示出了含有不同比例SMA受体的三元混合物膜的AFM(1×1μm)图像。图7示出了用于PTFB-O:ITIC-Th二元器件和PTFB-O:ITIC-Th:IEIC-Th(1:0.9:0.6)三元器件的AM1.5G照明测量的电流密度-电压图。图8A-B示出了由PTFB-O:I1TC-Th:IEIC-Th(或SF-PDI2)二元膜或三元膜与每种纯材料的薄膜吸光度一起绘制的UY-Vis吸收光谱。图9A-B示出了PTFB-O:ITIC-Th:IEIC-Th(或SF-PDI2)二元器件或三元器件的EQE光谱。图10A-D示出了PTFB-O:受体二元混合物膜的原子力显微镜(AFM)(1×1μm)图像。图11示出了对这些二元系统观察到的单一关系。图12A-E示出了根据本专利技术的教导测量的在0.1M(n-Bu)4N+PF6-乙腈溶液中的所有材料的能级。特别地，其示出了ITIC-Th(a)、IEIC-Th(b)、SF-PDI2(c)、TPE-PDI4(d)和二茂铁(e)的电化学循环伏安图，其中箭头表示电化学测量中氧化或还原反应的潜在开始。具体实施方式定义在本申请中，当组合物被描述为具有、包括或包含特定成分时，或者当方法被描述为具有、包括或包含特定工艺步骤时，则本教导的组合物也可基本上由所列举的成分构成、或者由所列举的成分构成，并且本教导的方法也可以基本上由所列举的工艺步骤构成、或者由所列举的工艺步骤构成。在本申请中，当元件或部件被描述为包括在和/或选自所列举的元件或部件的列表中时，应当理解为，该元件或部件可以是所列举的元件或部件中的任何一个，或者该元件或部件也可以选自由两种或多种所列举的元件或部件组成的组中。此外，应当理解的是，无论本文中是否明确说明，在不脱离本教导的精神和范围的情况下，本文所描述的组合物、装置或方法的元素和或特征可以以各种方式组合。除非有特别说明，否则术语“包括”、“包含”或“具有”等通常应被理解为开放式的以及非限制性的。除非另有明确说明，否则本文中单数形式的使用包括复数形式(反之亦然)。此外，当在数量值之前使用术语“约”时，除非另有特别说明，否则本教导还包括具体的数量值本身。如本文所使用的，除非另有说明或推断，否则术语“约”是指与标称值的误差在±10％以内。应当理解，只要本教导保持可操作性，则步骤的顺序或执行某些动作的顺序是不重要的。此外，可以同时进行两个或更多个步骤或动作。如本文所使用的，“n型半导体材料”或“受体”材料是指具有作为主要电流或电荷载流子的电子的半导体材料，例如有机半导体材料。在一些实施方案中，当n型半导体材料沉积在基板上时，其可具有超过约10-5cm/Vs的电子迁移率。在场效应器件的情况中，n型半导体还可以表现出大于约10的电流开/关比。如本文所使用的，“n型半导体材料”或“受体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有机太阳能电池，其包含光活化层，所述光活化层包含至少一种供体聚合物和两种非富勒烯分子受体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.11 US 62/496,2111.一种有机太阳能电池，其包含光活化层，所述光活化层包含至少一种供体聚合物和两种非富勒烯分子受体。2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物在溶液中显示出温度依赖性聚集(TDA)的性质，其中，当所述溶液由100℃冷却至室温时，所述聚合物溶液的吸收起点显示出至少80nm的红移；或当所述溶液由100℃冷却至0℃时，所述聚合物溶液的吸收起点显示出至少40nm的红移。3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的单元：其中，每个X是S或Se；每个Y是N或C-H；并且每个R1和R2独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中，其中一个或多个不相邻的C原子任选地被-O-、-S-、-C(O)-、-C(O-)-O-、-O-C(O)-、-O-C(O)-O-、-CR0＝CR00-或-C≡C-取代，并且其中一个或多个H原子任选地被F、Cl、Br、I或CN取代，或表示具有4至30个未取代或被一个或多个非芳香族基团取代的环原子的芳基、杂芳基、芳氧基、杂芳氧基、芳基羰基、杂芳基羰基、芳基羰基氧基、杂芳基羰基氧基、芳氧基羰基或杂芳氧基羰基，其中R0和R00独立地为直链、支链或环状烷基。4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的单元：其中每个R1和R2独立地选自由具有2至15个C原子的直链烷基组成的组中。5.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的单元：其中，每个X是S、O或Se；每个R1和R2独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中。6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的重复单元：其中，每个X是S、O或Se；n是1或更大的整数；每个Ar1、Ar2和Ar3独立地选自由未取代的或取代的单环、双环和多环亚芳基，以及单环、双环和多环亚杂芳基组成的组中；其中Ar1、Ar2和Ar3可以含有一至五个可以彼此稠合或连接的所述亚芳基或亚杂芳基；并且每个R1、R2和R3独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中。7.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的重复单元：其中，n是1或更大的整数；每个R1、R2和R3独立地选自由具有2至40个C原子的直链、支链和环状烷基组成的组中；并且每个Ar1、Ar2和Ar3独立地选自由下述组成的组中：其中，每个Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6是S、O或Se；每个X、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7和X8是H、F或Cl；并且每个R、R3和R4独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中，其中一个或多个不相邻的C原子任选地被-O-、-S-、-C(O)-、-C(O-)-O-、-O-C(O)-、-O-C(O)-O-、-CR0＝CR00-或-C≡C-取代，其中一个或多个H原子任选地被F、Cl、Br、I或CN取代，或表示具有4至30个未取代或被一个或多个非芳香族基团取代的环原子的芳基、杂芳基、芳基氧基、杂芳氧基、芳基羰基、杂芳基羰基、芳基羰基氧基、杂芳基羰基氧基、芳基氧基羰基或杂芳氧基羰基，其中R0和R00独立地是直链烷基、支链烷基或环状烷基。8.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的重复单元：其中，每个R独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中；每个X是O、S或Se；并且每个Y是H、F或Cl。9.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述供体聚合物包含一个或多个下式的重复单元：其中，n是1或更大的整数；并且每个R独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中。10.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中至少一个所述分子受体包含选自下式的单元：其中，每个R和R2独立地选自由具有2至40个C原子的直链烷基、支链烷基和环状烷基组成的组中。11.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中两种分子受体之间的表面能差值小于所述供体聚合物与两种分子受体中的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜河，蒋奎，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81