CN111261786A - 一种基于不对称封端电子受体的高效有机太阳电池 - Google Patents

一种基于不对称封端电子受体的高效有机太阳电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于不对称封端电子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，其中活性层为电子给体和电子受体的共混膜，电子给体是PM6，电子受体是一类以苯并噻二唑类梯形稠环结构为核，茚二酮和氰基茚酮分别为两端的吸电子端基的小分子非富勒烯受体。借助于不同的封端基团，该类电子受体更易实现吸收光谱、能级和堆积方式的调控和优化。因此，基于不对称封端电子受体制备的有机太阳电池同时具有高的开路电压和短路电流密度，同时抑制了能量损失，能量转换效率(PCE)最高为16.37％。另外，相对于中心稠环核不对称的非富勒烯受体，不对称封端电子受体的合成更为简便，有利于降低有机太阳电池的成本。

Description

一种基于不对称封端电子受体的高效有机太阳电池
技术领域
本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种基于不对称封端电子受体的有机太阳电池。
背景技术
基于非富勒烯电子受体的有机太阳电池是目前有机光伏领域主要的研究热点。在最近5年，经历了2个突破性的阶段。2015年，北京大学占肖卫课题组开发的A-D-A型梯形稠环受体，例如ITIC(Adv.Mater.2015,27,1170-1174)，实现了比富勒烯受体更强的太阳光吸收能力和更优的能级结构，从而将有机太阳电池的光电能量转换效率(PCE)提升到13％以上(J.Am.Chem.Soc.2017,139,7148-7151)。在2019年初，中南大学邹应萍课题组在A-D-A型梯形稠环受体的基础上，将强吸电子基团，例如苯并噻二唑，引入到分子中心，并用吡咯环替换sp3结构，得到了A-DA’D-A型梯形稠环受体材料，例如Y6(Joule,2019,3,1140)。该类型受体材料具备近红外的吸收、较低的能量损失和较高的电子迁移率，从而将有机太阳电池的PCE提升到16％以上(Nat.Commun.2019,10,2515)。
上述高效率的非富勒烯受体材料，基本上是中心对称或者镜面对称的。通过构建不对称的分子骨架，可以有效调节分子的偶极矩，堆积方式和光电性质。例如，武汉大学的杨楚罗课题组，通过构建不对称中心稠环单元，实现了高填充因子的有机太阳电池(Adv.Mater.2018,30,1800052)。再比如，北京师范大学的薄志山课题组，通过在中心稠环单元上引入不对称取代基，实现了厚度不敏感的有机太阳电池(Adv.Mater.2017,29,1703527)。但是上述不对称结构的构筑，需要复杂的合成反应，不利于后期的推广应用。
因此，开发新一类不对称非富勒烯受体材料，具备更简便的合成方法和更灵活的结构变换，具有重要意义。相对来说，引入两个不同的吸电子末端，从合成上更易得到，而吸电子末端的多样性，可以带来结构变换和性质调控的多样化，例如获得合适的吸收光谱和能级结构，以同时实现电池大的光电流与大的光电压。另一方面，虽然有机太阳电池的PCE快速提升，但是相对于钙钛矿电池，在能量损失方面，仍旧落后。目前最高效的非富勒烯体系，能量损失仍旧没有低于0.5eV。不对称受体材料，有可能在分子堆积方式或者分子结构特殊性上面带来突破，从而抑制非辐射能量损失，来实现能量损失的降低。因此，通过研究不对称受体材料体系，探索能量损失降低的方式，也具备重要价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时具备高开路电压和高短路电流的基于不对称封端电子受体的有机太阳电池。
基于不对称封端电子的有机太阳电池包括衬底、阳极、阳极修饰层、电子给体与电子受体共混形成的活性层、阴极修饰层和阴极，所述的电子给体为PM6，其化学结构式为：
Figure BDA0002374355010000021
电子受体为以苯并噻二唑类梯形稠环结构为核，茚二酮和氰基茚酮分别为吸电子端基的非富勒烯受体材料，其化学结构通式为：
Figure BDA0002374355010000022
其中，R1为C8-C20的分叉烷基链，R2为C6-C20的直链烷基链。
A1来源于卤代茚二酮，例如：
Figure BDA0002374355010000023
A2来源于卤代氰基茚酮，例如：
Figure BDA0002374355010000031
所述的活性层中电子给体与电子受体的重量比为2:1～1:2，活性层的厚度为50～300nm。
所述的活性层是以活性层溶液成膜获得，且在成膜时加入添加剂，添加剂为1,8-二碘辛烷或者氯萘，添加剂的体积为活性层溶液体积的0.2～2％，所述的活性层溶液为电子给体与电子受体的混合溶液。
所述的活性层经过热退火处理，其中，热退火所用温度为80～200℃，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:PSS；所述的阴极修饰层为PFN-Br；所述的阴极为Ag。
本发明的优点在于该不对称封端电子受体，可以通过简易的方法引入两种不同的末端，从而构建不对称结构，而吸电子末端的多变性，带来了分子结构的多样性，从而可以实现对材料性能的良好调控。基于该分子设计思路，我们可以将电子受体的吸收带边优化在880nm左右，使电池的光电流和光电压达到良好的平衡。另外，也可在末端引入更多的卤素原子，而卤素原子可以促进分子堆积，提高电子迁移率并抑制非辐射能量损失。因此，基于该不对称封端电子受体(例如BTP-S1和BTP-S2)的有机太阳电池，不仅可以实现0.93～0.95V左右的高开路电压，能量损失低至0.46eV，而且可以实现22～24mA cm-2的高短路电流，PCE最高可达16.37％，大于基于对称电子受体Y6的器件(15.79％)。
附图说明
图1是不对称封端电子受体案例BTP-S1和BTP-S2的合成路线图.
图2有机太阳电池在光照下的电流-电压曲线。基于PM6:BTP-S1共混膜的有机太阳电池，活性层厚度为100nm，制备时添加了占活性层溶液体积0.8％的氯萘，活性层中PM6与BTP-S1的重量比为1:1，且经过100℃热退火处理10分钟。基于PM6:BTP-S2共混膜的有机太阳电池，活性层厚度为120nm，制备时添加了占活性层溶液体积0.5％的氯萘，活性层中PM6与BTP-S2的重量比为1:1.2，且经过115℃热退火处理10分钟。
图3有机太阳电池的外量子效率-波长曲线。与图2中的曲线，采用同样的器件进行测试得到。
具体实施方式
实施例1
苯并噻二唑类梯形稠环结构核心可以根据已报道文献进行合成(Joule,2019,3,1140-1151；目前已商业化，可以直接购买)，卤代茚二酮可以从相应的酸酐还原得到(反应条件：乙酸酐，三乙胺和乙酰乙酸叔丁酯，具体见图1和以下文字说明)，卤代氰基茚酮是在卤代茚二酮的基础上引入丙二腈得到(目前已商业化，可以直接购买)，然后通过两步Knoevenagel反应(第一步与卤代茚二酮反应，反应条件：吡啶，氯仿，室温反应；第二步与卤代氰基茚酮反应，反应条件：吡啶，氯仿，65℃加热回流，具体见图1和以下文字说明)，就可以得到不对称封端电子受体。
下面提供两种具体的不对称封端电子受体的实施案例BTP-S1和BTP-S2，具体合成路线如图1所示(其中，化合物1、3、6为已商业化产品，从厂家购买得到)：
BTP-S1和BTP-S2具体的合成步骤为：
(1)中间体2的合成
往两口圆底烧瓶中加入化合物1(2.86g,10mmol)，乙酸酐(10mL)和三乙胺(5mL)，用液氮冷冻，抽充三次后，解冻。氮气保护下，注射加入乙酰乙酸叔丁酯(1.7mL,10mmol)。反应液室温搅拌12h后，缓慢加入冰水和浓盐酸的混合物(12mL,1:1,v/v)，继续搅拌0.5h。然后在缓慢加入16mL浓盐酸，并在70℃回流2h。冷却后，倒入水中，氯仿萃取，无水硫酸镁干燥。移除溶剂后，过柱提纯(洗脱剂：二氯甲烷:甲醇＝50:1,v/v)，得到灰白色固体(1.14g，40％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝3.38(s,2H).13C NMR(400MHz,CDCl3):δ＝191.40,141.82,137.70,129.78,45.59.
(2)中间体4的合成
往斯莱克管中加入化合物3(0.25g,0.25mmol)，化合物2(0.14g,0.5mmol)和氯仿(40mL)，用液氮冷冻，抽充三次后，解冻。氮气保护下，注射加入0.6mL吡啶。反应物在室温状态下搅拌5h。停止反应后，过柱提纯(洗脱剂：石油醚:二氯甲烷＝1:1,v/v)，得到棕色固体(0.22g,68％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝10.16(s,1H),8.26(s,1H),4.84-4.63(m,4H),3.27-3.12(m,4H),2.15-2.01(m,2H),1.98-1.82(m,4H),1.53-1.43(m,4H),1.42-1.34(m,4H),1.33-1.11(m,28H),1.08-0.80(m,18H),0.77-0.57(m,12H).
(3)BTP-S1的合成
往斯莱克管中加入化合物4(0.22g,0.17mmol)，化合物5(0.12g,0.52mmol)和氯仿(40mL)，用液氮冷冻，抽充三次后，解冻。氮气保护下，注射加入1mL吡啶。反应物在65℃回流6h.停止反应后，过柱提纯(洗脱剂：石油醚:二氯甲烷＝1:1,v/v)，得到深棕色固体(0.2g,76％).
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝9.15(s,1H),8.56(dd,J＝9.9,6.6Hz,1H),8.26(s,1H),7.72(t,J＝7.5Hz,1H),4.88-4.68(m,4H),3.30-3.12(m,4H),2.19-2.03(m,2H),1.94-1.80(m,4H),1.53-1.43(m,4H),1.44-1.34(m,4H),1.33-1.11(m,28H),1.10-0.93(m,10H),0.91-0.81(m,8H),0.80-0.57(m,12H).
19F NMR(400MHz,CDCl3):δ＝-123.04(d,J＝19.4Hz),-124.33(d,J＝19.3Hz).
MS(MALDI-TOF):Calcd for C79H84Cl4F2N6O3S5(M+):1505.68,Found:1505.77.
(4)中间体7的合成
往斯莱克管中加入化合物6(0.28g,0.25mmol)，化合物2(0.14g,0.5mmol)和氯仿(40mL)，用液氮冷冻，抽充三次，解冻。氮气保护下，注射加入0.6mL吡啶。反应物在室温状态下搅拌5h。停止反应后，过柱提纯(洗脱剂：石油醚:二氯甲烷＝1:1,v/v)，得到棕色固体(0.15g,44％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝10.09(s,1H),8.16(d,J＝7.4Hz,1H),4.75-4.56(m,4H),3.19-3.05(m,4H),2.13-1.97(m,2H),1.91-1.73(m,4H),1.46-1.35(m,4H),1.34-1.26(m,4H),1.25-1.13(m,28H),1.08-0.73(m,34H),0.66-0.51(m,12H).
(5)BTP-S2的合成
往斯莱克管中加入化合物7(0.15g,0.11mmol)，化合物8(0.09g,0.34mmol)和氯仿(40mL)，用液氮冷冻，抽充三次，解冻。氮气保护下，注射加入1mL吡啶。反应物在65℃回流6h。停止反应后，过柱提纯(洗脱剂：石油醚:二氯甲烷＝1:1,v/v)，得到深棕色固体(0.12g,66％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝9.16(s,1H),8.77(s,1H),8.26(s,1H),7.96(s,1H),4.89-4.67(m,4H),3.30-3.11(m,4H),2.23-2.08(m,2H),1.95-1.79(m,4H),1.54-1.44(m,4H),1.43-1.34(m,4H),1.33-1.17(m,28H),1.15-0.76(m,34H),0.74-0.60(m,12H).
MS(MALDI-TOF):Calcd for C87H100Cl6N6O3S5(M+):1650.80,Found:1650.37.
用循环伏安(CV)方法测得BTP-S1的LUMO能级为-4.01eV，HOMO能级为-5.55eV，相应的电化学带隙为1.54eV；BTP-S2的LUMO能级为-4.01eV，HOMO能级为-5.65eV，相应的电化学带隙为1.64eV。用吸收光谱测得薄膜状态下，BTP-S1的最大吸收峰位于772nm处，吸收带边为874nm，光学带隙为1.42eV；BTP-S2的最大吸收峰位于783nm，吸收带边为880nm，光学带隙为1.41eV。
实施例2
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1.2:1、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.953V，短路电流密度为17.75mA/cm2，填充因子为55.72％，能量转换效率(PCE)为9.47％。
实施例3
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.955V，短路电流密度为18.74mA/cm2，填充因子为56.43％，PCE为10.14％。
实施例4
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.943V，短路电流密度为18.68mA/cm2，填充因子为57.01％，PCE为10.08％。
实施例5
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.948V，短路电流密度为19.54mA/cm2，填充因子为59.68％，PCE为11.10％。
实施例6
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、添加了0.5％的氯萘(CN)、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.947V，短路电流密度为20.70mA/cm2，填充因子为68.67％，PCE为13.41％。
实施例7
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、添加了0.8％的氯萘(CN)、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.934V，短路电流密度为22.39mA/cm2，填充因子为72.69％，PCE为15.21％。
图2给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流-电压曲线(编号为PM6:BTP-S1)
图3给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的外量子效率曲线(编号为PM6:BTP-S1)
实施例8
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、添加了1.0％的氯萘(CN)、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.920V，短路电流密度为21.00mA/cm2，填充因子为73.21％，PCE为14.09％。
实施例9
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、添加了0.8％的氯萘(CN)、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。对活性层进行120℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.927V，短路电流密度为21.60mA/cm2，填充因子为71.05％，PCE为14.18％。
实施例10
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、添加了0.8％的氯萘(CN)、总浓度为16mg/mL的PM6:BTP-S1氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层100nm厚的活性层。对活性层进行140℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.930V，短路电流密度为21.83mA/cm2，填充因子为71.17％，PCE为14.40％。
实施例11
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.966V，短路电流密度为20.67mA/cm2，填充因子为66.41％，PCE为13.28％。
实施例12
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.961V，短路电流密度为21.42mA/cm2，填充因子为67.95％，PCE为14.01％。
实施例13
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.5、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.955V，短路电流密度为19.80mA/cm2，填充因子为67.29％，PCE为12.75％。
实施例14
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.949V，短路电流密度为21.87mA/cm2，填充因子为70.35％，PCE为14.63％。
实施例15
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、添加了0.25％的氯萘(CN)、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.951V，短路电流密度为22.82mA/cm2，填充因子为71.71％，PCE为15.51％。
实施例16
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、添加了0.5％的氯萘(CN)、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.950V，短路电流密度为22.48mA/cm2，填充因子为73.28％，PCE为15.61％。
实施例17
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、添加了0.8％的氯萘(CN)、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.923V，短路电流密度为20.77mA/cm2，填充因子为73.44％，PCE为14.12％。
实施例18
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、添加了0.5％的氯萘(CN)、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。对活性层进行115℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.945V，短路电流密度为24.07mA/cm2，填充因子为72.02％，PCE为16.37％。
图2给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流-电压曲线(编号为PM6:BTP-S2)
图3给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的外量子效率曲线(编号为PM6:BTP-S2)
实施例19
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、添加了0.5％的氯萘(CN)、总浓度为18mg/mL的PM6:BTP-S2氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层120nm厚的活性层。对活性层进行120℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.942V，短路电流密度为23.69mA/cm2，填充因子为72.16％，PCE为16.11％。
对比实施例1
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗后，烘干，再用紫外臭氧处理15分钟；然后在导电玻璃表面上旋涂一层20nm厚的PEDOT:PSS，转速为4500rpm，然后在170℃退火处理20分钟。接着将片子转移到手套箱中，将重量比为1:1.2、添加了0.5％的氯萘(CN)、总浓度为17.6mg/mL的PM6:Y6氯仿混合液，以4000rpm的转速，旋涂30秒，得到一层110nm厚的活性层。对活性层进行100℃热退火10min。然后在活性层上，用0.5mg/mL的PFN-Br甲醇溶液，旋涂一层5nm厚的PFN-Br传输层。最后，用蒸镀仪蒸镀一层100nm厚的Ag电极(阴极)，从而得到一个有效面积为4mm2的有机太阳电池。
在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下，测试该器件的电流-电压曲线，从中得到开路电压为0.842V，短路电流密度为26.05mA/cm2，填充因子为72.03％，PCE为15.79％。
图2给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流-电压曲线(编号为PM6:Y6)
图3给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的外量子效率曲线(编号为PM6:Y6)。

Claims (5)

1.一种基于不对称封端电子受体的有机太阳电池，包括衬底、阳极、阳极修饰层、电子给体与电子受体共混形成的活性层、阴极修饰层和阴极，其特征在于，所述的电子给体为PM6，其化学结构式为：
Figure FDA0002374353000000011
电子受体为以苯并噻二唑类梯形稠环结构为核，茚二酮和氰基茚酮分别为吸电子端基的非富勒烯受体材料，其化学结构通式为：
Figure FDA0002374353000000012
其中，R1为C8-C20的分叉烷基链，R2为C6-C20的直链烷基链；
A1来源于卤代茚二酮，A2来源于卤代氰基茚酮。
2.根据权利要求1所述的一种基于不对称封端电子受体的有机太阳电池，其特征在于，所述的活性层中电子给体与电子受体的重量比为2:1～1:2，活性层的厚度为50～300nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于不对称封端电子受体的有机太阳电池，其特征在于，所述的活性层为采用活性层溶液成膜获得，且在成膜时加入添加剂，添加剂为1,8-二碘辛烷或者氯萘，添加剂的体积为活性层溶液体积的0.2～2％，所述的活性层溶液为电子给体与电子受体的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的一种基于不对称封端电子受体的有机太阳电池，其特征在于，所述的活性层经过热退火处理，其中，热退火所用温度为80～200℃，退火时间为5～30min。
5.根据权利要求1所述的一种基于不对称封端电子受体的有机太阳电池，其特征在于：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:PSS；所述的阴极修饰层为PFN-Br；所述的阴极为Ag。
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