一種基于非富勒烯受體的有機太陽電池的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及太陽電池，尤其設及一種基于非富勒締受體的有機太陽電池。
【背景技術】
[0002] 相比于傳統的無機太陽電池，有機太陽電池由于能采用低成本的溶液加工方法制 備成質輕超薄的大面積柔性器件，從而受到廣泛的重視，引發了研究熱潮。目前，有機太陽 電池的活性層都采用給體與受體共混而成的本體異質結。經過二十多年人們持續不斷的研 究，主要由于各種新型給體材料（包括聚合物給體和小分子給體）的成功開發W及器件結 構的優化，有機太陽電池取得了突飛猛進的進步，據報道，單節的聚合物太陽電池和小分子 太陽電池的最高能量轉換效率（PC巧都已達到~10% (化UirePhotonics, 2015, 9, 174; JournaloftheAmericanQiemicalSociety, 2014, 136, 15529)，疊層有機太陽電池的PCE 更是達到了 12%化t化://www.heliatek.com/)，預示著有機太陽電池即將進入產業化。
[0003] 但是，無論有機太陽電池采用何種給體材料和怎樣的器件結構，要獲得高的PCE， 受體材料清一色地都是富勒締及其衍生物，最常用的是PCeiBM和PC,iBM。然而，富勒締受體 也存在明顯的缺點，如對太陽光的吸收很弱、能級結構難W大幅度調控，特別是純化過程繁 瑣費時，導致成本高昂，運無疑會極大地阻礙有機太陽電池的產業化進程。為此，人們正在 大力開發有機非富勒締受體，將其應用于有機太陽電池領域。
[0004] 例如，中科院化學所的詹傳郎等人設計合成了 一種巧酷亞胺二聚體 Bis-PDI-T-EG,將它與窄帶隙聚合物給體PBDTTT-C-T共混制得的有機太陽電池， PCE為 4. 03 %(AdvancedMaterials, 2013, 25, 5791);美國華盛頓大學的JeneWie 等人進一步改進分子結構，設計合成了一種新型酷亞胺二聚體DBFI-DMT，將它與窄 帶隙聚合物給體P沈HTT共混制得的有機太陽電池，PCE提高到6. 37 %(Advanced Materials, 2015, 27, 3266)。另外，Jene化e等人還合成了一種巧酷亞胺與糞酷亞胺的共 聚物30PDI，將它與窄帶隙聚合物給體PBDTTT-C-T共混制得的有機太陽電池，PCE也高達 6.29%(JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2015, 137, 4424)。
[0005] W上的工作都是將非富勒締受體與窄帶隙聚合物給體共混制備有機太陽 電池。如果采用聚3-己基嚷吩（P3HT)作為給體，它與非富勒締受體共混制得的 有機太陽電池，PCE通常小于 3 %(PolymerQiemistry, 2013, 4, 4631;Qiemical Communications, 2013, 49, 6307!Advanced!EnergyMaterials, 2013, 3, 724)。運類電池 PCE不高的主要原因是：1、P3HT的帶隙較寬，無法吸收利用波長大于650皿的太陽光；2、 P3HT的HOMO能級較高（-5.OeV)，與受體的LUMO能級的能級差小，導致電池的開路電壓 (VJ變小。盡管P3HT有W上缺點，但P3HT仍然是一種非常重要的聚合物給體，它具有非 常高的空穴遷移率化6cm2yIs1)，運使得基于P3HT的有機太陽電池在活性層厚度在幾十 到幾百納米之間變化時，器件效率基本不變；另外，采用工業化Roll-Roll工藝制備的基于 P3HT的大面積太陽電池，器件效率相對于實驗室制備的小面積太陽電池只有~30%的下 降，而基于其他給體的大面積有機太陽電池，器件效率的下降程度超過50%(Solar化ergy MaterialsandSolarCells, 2011，95, 1348)。運說明P3HT作為給體具有廣闊的商業化前 景。因此，必須開發適用于P3HT的高性能非富勒締受體。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種能在擴大光譜吸收范圍和提高開 路電壓的情況下，基于非富勒締受體的有機太陽電池。
[0007] 基于非富勒締受體的有機太陽電池包括襯底、陽極、陽極修飾層、活性層、陰極修 飾層和陰極，所述的活性層為P3HT和非富勒締受體的共混膜。
[0008] 所述的非富勒締受體為SF值PPB) 4,化學結構式為：
[0009]
[0010] 所述的活性層中P3HT與SF0)PPB)4的重量比為1 :1~4 :1，活性層的厚度為50~ 200nm。
[0011] 所述的活性層經過退火處理，退火溫度為60~200°C，退火時間為5~30min。
[0012] 所述的襯底為玻璃；所述的陽極為口0 ;所述的陽極修飾層為P邸OT與PSS的共混 膜；所述的陰極修飾層為PFN;所述的陰極為A1。
[0013] 本發明的優點在于采用SF值PPB)4作為有機太陽電池的受體。在SF值PPB) 4的分 子結構中，四個化咯并化咯二酬值P巧單元與中屯、的螺巧單元W及末端的四個苯環形成共 輛，從而使分子的帶隙變小，光譜吸收范圍向長波長方向拓展，有利于有機太陽電池吸收利 用更多的太陽光；同時，運種共輛作用不是完全共平面的，DPP單元與螺巧單元W及苯環之 間有一定的二面角（22°和24° )，因此不會導致分子的LUMO能級大幅下降，與給體P3HT 的HOMO能級之間的能級差仍然很大，從而保證有機太陽電池有很高的開路電壓。另外， 螺巧單元使SF值PPB) 4具有S維立體結構，防止SF值PPB) 4形成大的聚集體，確保P3HT和 SFOPPB)4的共混膜具有小的相分離尺寸，促進活性層中激子的分離，提高有機太陽電池的 光電流。
【附圖說明】
[0014] 圖1活性層中P3HT與SF值PPB)4的重量比為2 :1并進行120°C前退火處理W及活 性層中P3HT與PCeiBM的重量比為1 :0. 8并進行120°C后退火處理的有機太陽電池在光照 下的電流-電壓曲線。
【具體實施方式】
[0015] 基于非富勒締受體的有機太陽電池包括襯底、陽極、陽極修飾層、活性層、陰極修 飾層和陰極，所述的活性層為P3HT和非富勒締受體的共混膜。
[0016] 所述的非富勒締受體為SF值PPB) 4,化學結構式為：
[0017]
[001引所述的活性層中P3HT與SF0)PPB)4的重量比為1 :1~4 :1，活性層的厚度為50~200nm。
[0019] 所述的活性層經過退火處理，退火溫度為60~200°C，退火時間為5~30min。
[0020] 所述的襯底為玻璃；所述的陽極為口0 ;所述的陽極修飾層為P邸OT與PSS的共混 膜；所述的陰極修飾層為PFN;所述的陰極為A1。
[00川 實施例1
[0022]利用2, 2'，7, 7'-四（4, 4,5, 5-四甲基-1,3, 2-二氧雜戊棚燒-2-基）-9, 9'-螺 二巧化-S巧與3-(5-漠嚷吩-2-基）-2, 5-雙（2-乙基己基）-6-(5-苯基嚷 吩-2-基）-2, 5-化咯并巧，4-C]化咯-1，4-二酬度r-DPPB)的Suzuki偶聯反應來合成 SF值PPB)4,反應方程式為：
[0023]
[0024]其中，B廣SF用文獻ChemicalCommunication, 2〇12, 4S, 11S47 報道的方法合 成，化-DPPB用文獻化urnalOfMaterialsChemst巧A, 2015, 3, 1902報道的方法合成。 SFOPPB) 4的合成步驟為：
[00巧]在 250血兩 口圓底燒瓶中，加入 0. 146gB4-SF、0. 721g化-DPPB和 2. 212gK2CO3， 再加入50mL甲苯、3mL乙醇和8mL水，搭建密閉反應回流裝置，將混合溶液用液氮進行冷凍， 然后進行S次抽真空充氮氣的循環，在氮氣保護下，加入50mgPd(P化3)4作為催化劑，再進 行=次抽真空充氮氣的循環，接著解凍，并在80°C加熱回流72小時。反應結束后，用二氯 甲燒對反應液進行萃取，收集有機相，然后水洗，旋蒸除去溶劑，粗產物在硅膠柱色譜上進 行純化（洗脫劑為正己燒與二氯甲燒的混合溶劑，兩者的體積比為1 :4)，得到0. 39g產物 SF值PPB)4(深褐色固體，產率80% )。
[002引用循環伏安（CV)方法測得SF0)PPB)4的LUMO能級為-3. 51eV，冊MO能級 為-5. 26eV，相應的電化學帶隙為1. 75eV;用吸收光譜測得薄膜狀態下SF值PPB)4的最大吸 收峰位于660皿處，吸收帶邊為710皿，光學帶隙為1. 74eV。
[0027] 實施例2
[0028] 將表面刻蝕有條狀ITO(陽極）的透明導電玻璃依次用清洗劑、去離子水、丙酬和 異丙醇超聲振蕩清洗后，烘干，再用氧等離子體處理15分鐘；然后在導電玻璃表面上旋涂 陽DOT與PSS混合物的水溶液，轉速為3000r/min，150°C干燥10分鐘，得到一層30nm厚的 陽DOT與PSS的共混膜（陽極修飾層）；接著，在其上旋涂P3HT與SF值PPB) 4的混合溶液，轉 速為3000r/min，溶液的總濃度為15mg/ml，溶劑為氯仿，P3HT與SF值PPB)4的重量比為2 :1， 旋涂時間為40秒，得到一層厚度為100皿的P3HT與SF值PPB) 4的共混膜（活性層）；120°C 退火處理10分鐘；然后在活性層上旋涂上一層PFN(陰極修飾層），轉速為3000r/min，溶液 的濃度為2mg/ml;最后，在壓力低于5X1〇-4化的真空下蒸鍛上一層100皿厚的Al作為陰 極，從而得到了一個完整的有機太陽電池器件。
[0029] 在光照強度為lOOmW/cm2的AM1. 5模擬太陽光照射下，測試該器件的電流一電壓 曲線，從中得到開路電壓為1. 11V，短路電流密度為7. 07mA/cm2,填充因子為0. 509,光電能 量轉換效率為4. 00%。
[0030] 圖1給出了該器件在光照強度為lOOmW/cm2的AM1. 5模擬太陽光照射下的電流一 電壓曲線。
[00引]實施例3
[0032] 將表面刻蝕有條狀ITO(陽極）的透明導電玻璃依次用清洗劑、去離子水、丙酬和 異丙醇超聲振蕩清洗后，烘干，再用氧等離子體處理15分鐘；然后在導電玻璃表面上旋涂 陽DOT與PSS混合物的水溶液，轉速為3000r/min，150°C干燥10分鐘，得到一層30nm厚的 陽DOT與PSS的共混膜（陽極修飾層）；接著，在其上旋涂P3HT與SF值PPB)4的混合溶液， 轉速為3000r/min，溶液的總濃度為15mg/ml，溶劑為氯仿，P3HT與SF值PPB)4的重量比為 2 :1，旋涂時間為40秒，得到一層厚度為100皿的P3HT與SF值PPB)4的共混膜（活性層）； 然后在活性層上旋涂上一層PFN(陰極修飾層），轉速為3000r/min，溶液的濃度為2mg/ml; 最后，在壓力低于5X1(T4化的真空下蒸鍛上一層100皿厚的Al作為陰極，從而得到了一 個完整的有機太陽電池器件。
[0033] 在光照強度為lOOmW/c