CN104851979A - 一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料配方 - Google Patents

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Abstract

一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料配方，涉及太阳能电池。所述富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料的配方包括异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2，所述异构体PC71BM-α按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的70％～95％，异构体PC71BM-β1按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的2.5％～15％，异构体PC71BM-β2按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的2.5％～15％。具有极大改善电子受体成膜性的作用，对于提高钙钛矿型太阳能电池的效率有明显效果，能够获得高达18％的能量转化效率。

Description

一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料配方
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其是涉及一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方。
背景技术
近年来，新一代的太阳能电池发展迅速，尤其是具有成本低、可制成柔性、可调控、制作工艺简单等优点的有机太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池的发展令人瞩目。目前，有机太阳能电池的能量转化效率已经超过10％，而钙钛矿型太阳能电池能量转化效率增长的速度更是迅猛，逼近商业化的硅电池，已经超过15％能量转化效率的钙钛矿型太阳能电池具有广阔的前景[1,2]。
富勒烯及其衍生物由于具有良好的电荷分离、传输能力，可调控的LUMO能级，良好的溶解性和成膜性等优良性能，被广泛应用于钙钛矿型太阳能电池、有机太阳能电池、有机光导体等光电子器件中，其中C60衍生物[6,6]-苯基-碳61-丁酸甲酯[PC61BM]是应用最多的富勒烯电子受体材料，而与PC61BM相类似的C70衍生物[6,6]-苯基-碳71-丁酸甲酯[PC71BM]由于具备更好的吸光性、溶解性和成膜性，已被证明是更为出色的富勒烯电子受体材料[3-8]。虽然许多工作已将PC71BM应用于有机太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池中，但是忽略了PC71BM异构体之间的相互作用的影响，加上不同批次合成的PC71BM的异构体相对含量并不相同，导致所获得的能量转换效率时高时低，因此如何分配PC71BM的三种主要异构体在电子受体材料中的含量才能使得太阳能电池获得高的能量转换效率也尚不知晓[9,10]。
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发明内容
本发明的目的在于为了解决使用PC71BM作为电子受体材料难以获得稳定高效的能量转化效率的问题，提供能够提高太阳能电池能量转化效率的一种。
所述富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料的配方包括异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2，异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2的分子结构特征分别为：
所述异构体PC71BM-α按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的70％～95％，异构体PC71BM-β1按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的2.5％～15％，异构体PC71BM-β2按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的2.5％～15％；
异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2的质量百分比优选为85％∶5％∶10％，即异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2的质量比优选为17∶1∶2。
所述异构体PC71BM-α的化学名称为α型C70衍生物[6,6]-苯基-碳71-丁酸甲酯[PC71BM-α]。
所述异构体PC71BM-β1的化学名称为β1型C70衍生物[6,6]-苯基-碳71-丁酸甲酯[PC71BM-β1]。
所述异构体PC71BM-β2的化学名称为β2型C70衍生物[6,6]-苯基-碳71-丁酸甲酯[PC71BM-β2]。
所述富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料的使用方法是将异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2按要求配比，或通过有机合成方法按照上述比例制得PC71BM的异构体混合物后，溶解于一氯代苯溶剂中，配制成总质量浓度为30～40mg/mL的溶液，经过40～50℃加热搅拌30min处理、自然冷却、静置20min处理，在钙钛矿基底表面上均匀铺展后，经过10h以上的溶剂退火，形成厚度为60～90nm的电子受体固体薄膜，在电子受体薄膜表面，通过真空热蒸镀的方法覆盖一层厚度60nm以上的铝、银或金电极，得到光伏器件。
本发明提供一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方，其有益效果表现在：具有极大改善电子受体成膜性的作用，对于提高钙钛矿型太阳能电池的效率有明显效果，能够获得高达18％的能量转化效率。
附图说明
图1为通过高效液相色谱法分离得到纯PC71BM-α和PC71BM-β1与PC71BM-β2的混合物。
图2为通过高效液相色谱法分离得到纯PC71BM-β1和纯PC71BM-β2。
图3为钙钛矿型太阳能电池器件示意图。
图4为钙钛矿型太阳能电池的I-V曲线。
图5为实施例3所制备的电子受体薄膜表面形貌。在图5中，(a)单纯采用异构体PC71BM-α；(b)单纯采用PC71BM-β1；(c)单纯采用PC71BM-β2；(d)采用除本发明所述配方外任意一配比(以1∶1∶1为例)：将异构体PC71BM-α，PC71BM-β1，PC71BM-β2，按照质量比1∶1∶1的配比；(e)采用本发明所述配方：将异构体PC71BM-α，PC71BM-β1，PC71BM-β2，按照质量比17∶1∶2的配比混合。
图6为有机太阳能电池光伏器件示意图。
图7为有机太阳能电池光伏器件I-V曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方，将异构体PC71BM-α，PC71BM-β1，PC71BM-β2，按照质量比17∶1∶2的配比进行混合。
实施例2
制备基于实施例1电子受体[PC71BM]的异构体配方的钙钛矿型太阳能电池光伏器件：
在清洗干净的导电玻璃[FTO]上涂覆一层聚[3，4-乙烯基二氧噻吩]/聚[苯乙烯磺酸盐][PEDOT:PSS]，其中PEDOT:PSS的摩尔比为1∶1。将二碘化铅溶解于氮，氮-二甲基甲酰胺溶剂中配制成物质量浓度为1M的溶液，涂覆在PEDOT:PSS表面，制成二碘化铅基底。随后在二碘化铅基底周围撒上CH3NH3I粉末，置于真空烘箱150℃反应5h后取出，制成钙钛矿(CH3NH3PbI3)基底。将实施例1中的富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方，溶解于0.75～1mL一氯代苯溶液中，配制成总浓度为30～40mg/mL的溶液，并将其涂覆于钙钛矿(CH3NH3PbI3)基底。最后蒸镀上一层厚度为100nm的金属Al电极，制成钙钛矿型太阳能电池光伏器件如图3。
基于实施例1、实施例2富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方的钙钛矿型太阳能电池光伏器件的I-V曲线如图4，此器件的开路电压为0.95V，短路电流为20.64mA/cm2,填充因子为53.98％，能量转换效率为10.52％。
实施例3
单纯采用异构体PC71BM-α所制备的电子受体薄膜表面形貌如图5(a)；单纯采用PC71BM-β1所制备的电子受体薄膜表面形貌如图5(b)；单纯采用PC71BM-β2所制备的电子受体薄膜表面形貌如图5(c)；采用除本发明所述配方外任意一配比(以1∶1∶1为例)：将异构体PC71BM-α，PC71BM-β1，PC71BM-β2，按照质量比1∶1∶1的配比所制备的电子受体薄膜表面形貌如图5(d)；采用本发明所述配方：将异构体PC71BM-α，PC71BM-β1，PC71BM-β2，按照质量比17∶1∶2的配比进行混合后所制备的电子受体薄膜表面形貌如图5(e)；
基于实施例3，采用本发明所述配方：将异构体PC71BM-α，PC71BM-β1，PC71BM-β2，按照质量比17∶1∶2的配比进行混合后，所制备的电子受体薄膜平整度明显得到提高。
实施例4
制备基于实施例1富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方的有机太阳能电池光伏器件:
在清洗干净的在清洗干净的导电玻璃[ITO]上涂覆一层聚[3，4-乙烯基二氧噻吩]/聚[苯乙烯磺酸盐][PEDOT∶PSS]，其中PEDOT∶PSS的摩尔比为1∶1。涂覆在PEDOT∶PSS表面，制成二碘化铅基底。将聚(3-己基噻吩)[P3HT]和实施例1中的富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方，按质量比1∶1溶解于邻二氯苯溶液中，得到溶液浓度为40mg/mL的溶液，并将溶液旋转涂覆于PEDOT∶PSS膜表面，作为光活性层，厚度约为200nm,溶剂退火3h，150℃热退火10min。通过真空蒸镀的方法镀上10nm厚度的Ca后，再蒸镀上80nm厚的Al，得到有机太阳能电池光伏器件如图6。
基于实施例1、实施例4富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方的有机太阳能电池光伏器件的I-V曲如图7，此器件的开路电压为0.60V，短路电流为7.89mA/cm2,填充因子为63.3％，能量转换效率为3.0％。
本发明提供一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物[PC71BM]电子受体材料配方，具有改善电子传输层表面形貌，改善光活性层与电极之间接触，促进载流子分离和传导，减少钙钛矿电池磁滞效应，防止空气中水分对钙钛矿光活性层腐蚀的作用，对于提高有机太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池能量转化效率有明显效果。

Claims (4)

1.一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料配方，其特征在于包括异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2，异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2的分子结构特征分别为：
所述异构体PC71BM-α按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的70％～95％，异构体PC71BM-β1按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的2.5％～15％，异构体PC71BM-β2按质量百分比占富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料总质量的2.5％～15％。
2.如权利要求1所述一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料配方，其特征在于异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2的质量百分比为85％∶5％∶10％。
3.一种富勒烯苯基丁酸甲酯衍生物电子受体材料在制备光伏器件中的应用。
4.如权利要求3所述应用，其特征在于其应用方法如下：
将异构体PC71BM-α、PC71BM-β1和PC71BM-β2按要求配比，或通过有机合成方法按照上述比例制得PC71BM的异构体混合物后，溶解于一氯代苯溶剂中，配制成总质量浓度为30～40mg/mL的溶液，经过40～50℃加热搅拌30min处理、自然冷却、静置20min处理，在钙钛矿基底表面上均匀铺展后，经过10h以上的溶剂退火，形成厚度为60～90nm的电子受体固体薄膜，在电子受体薄膜表面，通过真空热蒸镀的方法覆盖一层厚度60nm以上的铝、银或金电极，得到光伏器件。
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