[发明专利]一种基于氟代电子给体和氟代电子受体的高效有机太阳电池

说明书

本发明公开了一种基于氟代电子给体和氟代电子受体的高效有机太阳电池，它包括衬底、阴极、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层和阳极，其中活性层为氟代电子给体PBDB‑TF和氟代电子受体HF‑PCIC的共混膜。利用HF‑PCIC拓宽的吸收范围和高的电子迁移率，并选择与HF‑PCIC能级匹配和相容性好的氟代电子给体PBDB‑TF，本发明制备的有机太阳电池在保持高的开路电压和填充因子的同时，短路电流密度提高到17.81mA/cm²，能量转换效率(PCE)最高为11.49％，明显优于采用未氟代电子给体和未氟代电子受体的有机太阳电池(PCE＝10.14％)。此外，HF‑PCIC容易合成，有利于降低有机太阳电池的成本。

技术领域

本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种基于氟代电子给体和氟代电子受体的高效有机太阳电池。

背景技术

近年来，基于非富勒烯电子受体的有机太阳电池取得了重要进展，电池的能量转换效率(PCE)已超过13％(Journal of the American Chemical Society,2017,139,7148)，高于同类型富勒烯电池的效率值。为了进一步提高非富勒烯电池的效率，非富勒烯电子受体的吸光范围要向近红外区拓宽，电子迁移率也需要提升，从而使电池获得更大的短路电流密度。

在非富勒烯电子受体的吸电子性端基上进行氟代修饰是改善电子受体吸光能力和迁移率的有效方法。这是因为，氟原子是自然界中电负性最强的原子，而且体积小，可以促使非富勒烯电子受体分子间形成强的π-π共轭作用，提高电子迁移率；同时，端基上的氟原子还能加强分子内的电荷转移(ICT)作用，吸光峰向近红外区移动。例如，北京大学的占肖卫等人在非富勒烯电子受体INIC的两个吸电子性端基——氰基茚酮上各引入2个氟原子，得到氟代非富勒烯电子受体INIC3，从而将受体薄膜的最大吸收峰从706nm红移至744nm，摩尔消光系数也有所增加，另外电子迁移率从6.1×10^-5cm²V^-1s^-1提高到1.7×10^-4cm²V^-1s^-1。因此，以INIC3为电子受体的有机太阳电池，短路电流密度从13.51mA/cm²大幅提高到19.44mA/cm²，PCE高达11.5％，远大于以INIC为电子受体的同类型电池的7.7％(Journal of the American Chemical Society,2017,139,1336)。又如，中科院化学的侯剑辉等人，同样在非富勒烯电子受体IEICO的端基上引入氟原子，得到的电子受体IEICO-4F，吸光范围拓展到1000nm附近。因此，基于IEICO-4F的有机太阳电池可以实现20mA/cm²以上的短路电流密度(Angewandte Chemie International Edition,2017,56,3045)。

上述的氟代非富勒烯电子受体都具有一个芳香稠环的中心单元，合成困难，成本高，不利于有机太阳电池的推广应用。为此，中国专利201710409496.1公开了一种以非稠环的二氟苯为中心单元的非富勒烯电子受体DFPCIC，合成简单，但是其吸电子性端基是未氟代的氰基茚酮，ICT作用不够强，吸收带边仅为781nm，电子迁移率也偏小，为2.6×10^-5cm²V^-1s^-1。所以，以DFPCIC为电子受体的有机太阳电池，PCE为10.14％，短路电流密度只有15.66mA/cm²，有待进一步提高。

另外，氟代作用会使非富勒烯电子受体的能级下降，如果与之共混的电子给体的能级不相应调整，势必会造成电池开路电压的下降；还有一个需要考虑的问题是，氟代作用加强了非富勒烯电子受体的分子间相互作用，这必然会引起活性层形貌的变化，从而对电池的填充因子产生重要影响。因此，如何选择与氟代非富勒烯电子受体匹配的电子给体也是提高电池PCE的一大关键。

发明内容