CN105870332A - 一种含噻吩环的有机光伏电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含噻吩环的有机光伏电池，依次包括：(1)衬底；(2)阴极界面层；(3)真空注入层；(4)含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；(5)电子传输层；(6)阳极。本发明还提供了上述材料的制备方法。本发明提供的含噻吩环的有机光伏材料材料迁移率高能量转换率高、材料的稳定性好、耐久性好，电池寿命长。

Description

一种含噻吩环的有机光伏电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光伏材料领域，特别涉及一种含噻吩环的有机光伏电池，还涉及该光伏材料的制备方法。
背景技术
随着全球范围内能源紧缺和环保问题的日益突出，可再生能源的利用引起广泛的重视。光伏发电作为一种重要的可再生能源形式，它是目前可再生能源中技术最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，越来越受到人们的关注。过去几十年中，太阳能电池板的制造业规模迅速扩大。2013年，美国太阳能产业的增长率高达116％，在新能源技术领域中首屈一指。美国太阳能光伏发电项目“太阳能之星”装机容量达1.5万kW；日本SANYO太阳能方舟发电功率达到630kW，每年发电53万kWh；国内建成的深圳国际园林花卉博览园光伏并网发电系统装机容量达1MW，目前已投入使用。
最早的光伏效应是Edmund Bequerel在1839年发现的，一百多年后(1954年)，随着硅半导体工业的发展，第一个能用于实际发电的太阳能电池才在贝尔实验室问世。这个太阳能电池以硅半导体的p-n结为基础，光电转化效率为6％。
有机太阳能电池作为一种新型的电池，以其独有的特点，不断的吸引着更多的人投入到这个领域的研究和开发中来。其发展速度之快也得益于其独有的优点和特性，例如：有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好；加工过程相对简单，可低温操作,器件制作成本也较低；可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等。当然现有有机太阳能材料仍有不少缺点：材料迁移率低，高体电阻，从而导致能量转换率低；材料的稳定性和耐久性不够好，电池寿命短。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种能量转化率高、稳定性好、耐久性好的含噻吩环的有机光伏电池。
技术方案：本发明提供的一种含噻吩环的有机光伏材料，其结构式如式(I)或式(II)所示：
其中，R1和R2分别独立的为H或1-5个碳原子的直链或支链烷烃。
本发明还提供了上述含噻吩环的有机光伏材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)DMF溶剂中，化合物(1)与POCl3室温反应0.5-1.5h，得化合物(2)；
(2)碱性条件下，化合物(3)于340-350℃反应8-12h，分子内环合，得化合物(4)；
其中，R1和R2分别独立的为H或1-5个碳原子的直链或支链烷烃；
(3)在TFA催化剂、DDQ氧化剂存在下，化合物(2)和化合物(3)室温反应8-12h，得式(I)所示的化合物；
其中，R1和R2分别独立的为H或1-5个碳原子的直链或支链烷烃。
其中，步骤(1)中，化合物(1)与POCl3的摩尔比为1：(2-3)；步骤(3)中，化合物(2)和化合物(4)的摩尔比为(1-1.2)：1。
本发明还提供了一种含噻吩环的有机光伏材料，其结构式如式(III)或式(IV)所示：
本发明还提供了上述含噻吩环的有机光伏材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)DMF溶剂中，化合物(1)与POCl3室温反应0.5-1.5h，得化合物(2)；
(2)碱性条件下，化合物(3-3)于340-350℃反应8-12h，分子内环合，得化合物(4-3)；
(3)在TFA催化剂、DDQ氧化剂存在下，化合物(2)和化合物(4-3)室温反应8-12h，得式(III)和式(IV)所示的化合物；
其中，步骤(1)中，化合物(1)与POCl3的摩尔比为1：(2-3)；步骤(3)中，化合物(2)和化合物(4-3)的摩尔比为(1-1.2)：1。
本发明还提供了一种含噻吩环的有机光伏材料衍生物，其结构式如式(V)或式(VI)所示：
本发明还提供了上述含噻吩环的有机光伏材料衍生物的制备方法，包括以下步骤：在氩气保护下，在三乙胺、四(三苯基膦)钯存在下，化合物(III)和CuI 85-90℃反应24-26h，即得化合物(V)；在氩气保护下，在三乙胺、四(三苯基膦)钯存在下，化合物(IV)和CuI 85-90℃反应24-26h，即得化合物(VI)。
优选地，化合物(IIII)或化合物(IV)和CuI的摩尔比为1：(2-3)。
本发明还提供了一种有机光伏电池，依次包括：
(1)衬底；
(2)阴极界面层；
(3)真空注入层；
(4)含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；
(5)电子传输层；
(6)阳极；
其中，所述含噻吩环的有机光伏材料的结构式如式(I)或式(II)所示：
其中，R为H或1-3个碳原子的直链或支链烷烃。
作为优选，所述衬底为铕掺杂玻璃基底。
作为另一种优选，所述阴极界面层为镧掺杂的ITO薄膜。
作为另一种优选，所述真空注入层为掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层；所述抗氧化剂为对苯二酚、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚，所述抗氧化剂的含量占活性层质量的0.04-0.06％。
作为另一种优选，所述电子传输层为硫掺杂的Cr2O3薄膜。
作为另一种优选，所述阳极为铝电极。
本发明还提供了一种有机光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在铕掺杂玻璃基底表面，通过旋涂法或蒸镀法制备镧掺杂的ITO薄膜；
(2)在镧掺杂的ITO薄膜表面，通过旋涂法或蒸镀法制备掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层；
(3)在掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；
(4)在含噻吩环的有机光伏材料衍生物层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备硫掺杂的Cr2O3薄膜；
(5)在硫掺杂的Cr2O3薄膜表面，通过蒸镀法制备铝电极。
有益效果：本发明提供的含噻吩环的有机光伏材料材料迁移率高能量转换率高、材料的稳定性好、耐久性好，电池寿命长。
具体实施方式
实施例1
有机光伏材料，采用以下方法制得：
(1)DMF溶剂中，2mol化合物(1)与4mol POCl3室温反应1.5h，得化合物(2)；
MS(m/z)：199.05；
(2)碱性条件下，1.5mol化合物(3-1)于350℃反应8h，分子内环合，得化合物(4-1)；
MS(m/z)：196.10；
(3)在TFA催化剂、DDQ氧化剂存在下，1mol化合物(2)和1mol化合物(4-1)室温反应8h，得化合物(I-1)和化合物(II-1)；
MS(m/z)：778.17。
实施例2
有机光伏材料，采用以下方法制得：
(1)DMF溶剂中，2mol化合物(1)与6mol POCl3室温反应0.5h，得化合物(2)；
MS(m/z)：199.05；
(2)碱性条件下，1.5mol化合物(3-2)于340℃反应12h，分子内环合，得化合物(4-2)；
MS(m/z)：280.10；
(3)在TFA催化剂、DDQ氧化剂存在下，1mol化合物(2)和1mol化合物(4-2)室温反应12h，得化合物(I-2)和化合物(II-2)。
MS(m/z)：890.30。
实施例3
有机光伏材料，采用以下方法制得：
(1)DMF溶剂中，2mol化合物(1)与5mol POCl3室温反应1h，得化合物(2)；
MS(m/z)：199.05；
(2)碱性条件下，1.5mol化合物(3-3)于345℃反应10h，分子内环合，得化合物(4-3)；
MS(m/z)：210.03；
(3)在TFA催化剂、DDQ氧化剂存在下，1.1mol化合物(2)和1mol化合物(4-3)室温反应10h，得化合物(III)和化合物(IV)。
MS(m/z)：638.20。
实施例4
有机光伏材料衍生物的制备，包括以下步骤：在氩气保护下，在三乙胺、四(三苯基膦)钯存在下，1mol化合物(III)和化合物(IV)、2mol CuI 90℃反应24h，即得化合物(V)和化合物(VI)。
MS(m/z)：878.00。
实施例5
有机光伏材料衍生物的制备，包括以下步骤：在氩气保护下，在三乙胺、四(三苯基膦)钯存在下，1mol化合物(III)和化合物(IV)、3mol CuI 85℃反应26h，即得化合物(V)和化合物(VI)。
MS(m/z)：878.00。
实施例6
有机光伏电池，依次包括：
(1)铕掺杂玻璃基底；
(2)镧掺杂的ITO薄膜；
(3)掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层；其中抗氧化剂为对苯二酚、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚，所述抗氧化剂的含量占活性层质量的0.04-0.06％
(4)含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；
(5)硫掺杂的Cr2O3薄膜；
(6)铝电极；
将实施例1至5的含噻吩环的有机光伏材料用于含噻吩环的有机光伏材料衍生物层，制得一批有机光伏电池，测试电池性能，见表1。
表1电池性能
其中，对照组采用富勒烯替代含噻吩环的有机光伏材料衍生物层。
稳定性试验：
将上述电池加热五天，测试电池性能，见表2。
表2电池性能
其中，对照组采用富勒烯替代含噻吩环的有机光伏材料衍生物层。
上述有机光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在铕掺杂玻璃基底表面，通过旋涂法或蒸镀法制备镧掺杂的ITO薄膜；
(2)在镧掺杂的ITO薄膜表面，通过旋涂法或蒸镀法制备掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层；
(3)在掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；
(4)在含噻吩环的有机光伏材料衍生物层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备硫掺杂的Cr2O3薄膜；
(5)在硫掺杂的Cr2O3薄膜表面，通过蒸镀法制备铝电极。
其中现有技术中旋涂法或蒸镀法均可以实现本发明的目的。

Claims (7)

1.一种含噻吩环的有机光伏电池，其特征在于：依次包括：
(1)衬底；
(2)阴极界面层；
(3)真空注入层；
(4)含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；
(5)电子传输层；
(6)阳极；
其中，所述含噻吩环的有机光伏材料的结构式如式(I)或式(II)所示：
其中，R为H或1-3个碳原子的直链或支链烷烃。
2.根据权利要求1所述的一种有机光伏电池，其特征在于：所述衬底为铕掺杂玻璃基底。
3.根据权利要求1所述的一种有机光伏电池，其特征在于：所述阴极界面层为镧掺杂的ITO薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种有机光伏电池，其特征在于：所述真空注入层为掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层；所述抗氧化剂为对苯二酚、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚，所述抗氧化剂的含量占活性层质量的0.04-0.06％。
5.根据权利要求1所述的一种有机光伏电池，其特征在于：所述电子传输层为硫掺杂的Cr2O3薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种有机光伏电池，其特征在于：所述阳极为铝电极。
7.权利要求1所述的一种有机光伏电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在铕掺杂玻璃基底表面，通过旋涂法或蒸镀法制备镧掺杂的ITO薄膜；
(2)在镧掺杂的ITO薄膜表面，通过旋涂法或蒸镀法制备掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层；
(3)在掺杂抗氧化剂的PEDOT：PSS层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备含噻吩环的有机光伏材料衍生物层；
(4)在含噻吩环的有机光伏材料衍生物层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备硫掺杂的Cr2O3薄膜；
(5)在硫掺杂的Cr2O3薄膜表面，通过蒸镀法制备铝电极。
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