CN106463628B - 有机太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本说明书涉及有机太阳能电池及其制造方法，并且提供了这样的有机太阳能电池，其包括：第一电极；面对所述第一电极的第二电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层；以及含富勒烯衍生物层，该层与所述光活性层接触，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。

Description

有机太阳能电池及其制造方法
技术领域
本说明书要求于2014年4月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0052648号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及有机太阳能电池及其制造方法。
背景技术
根据美国国家实验室NREL的能源审查材料，当前主要使用的能源为石油、煤和天然气。这些能源总计为所使用的全部能源的80％。然而，石油和煤能源目前的消耗状态逐渐成为大问题，并且向大气中排放二氧化碳和其他温室气体的增加正在产生日益严重的问题。相比之下，为无污染性绿色能源的可再生能源的使用仍为全部能源的约2％。因此，关于解决能源问题的担忧已经越来越成为促进对开发新可再生能源的研究的动力。在新可再生能源例如风、水和太阳中，太阳能最为引人注目。使用太阳能的太阳能电池产生较少污染，在资源方面没有限制，具有半永久寿命，并且因而预计是能够解决未来能量问题的能源。
太阳能电池是可通过应用光伏效应将太阳能直接转换为电能的装置。根据构成薄膜的材料，太阳能电池可分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。典型的太阳能电池通过掺杂为无机半导体的结晶硅(Si)经由p-n结来制造。通过吸收光而产生的电子和空穴向p-n结点扩散并且在被电场加速的同时向电极移动。将该过程中的功率转换效率定义为给予外电路的电功率与进入太阳能电池的太阳能功率的比，并且当在目前标准化的虚拟太阳照射条件下测量时所述效率已达约24％。然而，由于相关技术中的无机太阳能电池已经显示出在经济可行性以及材料需求和供给方面的限制，因此容易加工且廉价并且具有多种功能的有机太阳能电池已经作为长期替代能源而备受瞩目。
对于早期的有机太阳能电池，美国UCSBHeeger教授的团队最早引领技术的发展。有机太阳能电池的一个优点在于，所使用的单分子有机材料或聚合物材料容易且快速地能够实现廉价且大面积的加工。
然而，根据至今已进行的研究，有机太阳能电池具有能量转换效率低的缺点。因此，为了获得与其他太阳能电池在这一点上的竞争力，可以说效率的提高非常重要。
发明内容
[技术问题]
本申请发明的一个目的为提供有机太阳能电池及其制造方法。
[技术方案]
本说明书提供了太阳能电池，其包括：
第一电极；
设置成面对第一电极的第二电极；
设置在第一电极和第二电极之间的光活性层；以及
设置成与光活性层接触的含富勒烯衍生物层，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。
此外，本说明书提供了用于制造上述有机太阳能电池的方法，所述方法包括：准备基底；
在基底上形成第一电极；
在第一电极上形成具有两个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层和含富勒烯衍生物层，所述富勒烯衍生物具有冠型取代基；以及
在有机材料层上形成第二电极。
[有益效果]
在根据本说明书的包括含富勒烯衍生物层的情况下，吸光率提高，电荷的重新结合被抑制，并且电流的传输特性得以改善。因此，根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池可以实现短路电流密度(Jsc)增加和效率增加。
此外，富勒烯衍生物设置成与光活性层接触，并且因此可降低光活性层和电荷传输层之间的电荷转移势垒且可改善所述接触。在这种情况下，可提高填充因子(FF)以实现高效率。
根据本说明书的一个示例性实施方案的含富勒烯衍生物层可包含离子基团。在这种情况下，光吸收可通过入射光的再分布而增加，并且电荷势垒可以因界面偶极增加而得以调节。此外，由于电导率增加，可预期具有高效率的有机太阳能电池。
根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池可通过用于同时制造光活性层和含富勒烯衍生物层的方法来在保持薄厚度的同时提供均匀的缓冲层。此外，由于简单的制造工艺，可降低生产成本和/或提高工艺的效率。
根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池可具有卷绕结构，并且当该结构为圆柱形式时，有机太阳能电池可以高效地吸收不同方向的光以提高效率。
附图简述
图1和2示出了根据一个示例性实施方案的有机太阳能电池。
图3为示出了化学式2-2-1的富勒烯衍生物的MS谱的图。
最佳实施方式
下文中，将更详细地描述本说明书。
在本说明书中，当将一个构件布置在另一个构件“上”时，这不仅包括该构件与另一个构件接触的情况，还包括在这两个构件之间存在又一个构件的情况。
在本说明书中，当一个部分“包括”一个组成元件时，除非另外特别描述，否则这不意指排除其他组成元件，而意指还可包括其他组成元件。
本说明书的一个示例性实施方案提供了有机太阳能电池，其包括：第一电极；设置成面对第一电极的第二电极；设置在第一电极和第二电极之间的光活性层；以及设置成与光活性层接触的含富勒烯衍生物层，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，含富勒烯衍生物层包含自相分离单元。所述自相分离单元包含疏水性或亲水性取代基。
在本说明书中，所述自相分离单元为冠型取代基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层包含含有选自电子受体材料和电子供体材料中的一种或两种或更多种材料的光活性层材料，并且含富勒烯衍生物层通过光活性层材料与用于含富勒烯衍生物层的材料的相分离来形成。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在通过相分离形成的两个层的边界处，用于所述两个层的材料可以部分地彼此混合。这种情况允许以级联模式产生能级变化。因此，这种情况可有利于传输电荷和收集电荷。此外，由于用于含富勒烯衍生物层的材料因相分离而存在于光活性层的表面上，因此表面能可因真空能级位移而发生变化。
在本说明书的一个示例性实施方案中，基于光活性层材料的总含量，具有冠型取代基的富勒烯衍生物在通过相分离形成的光活性层和含富勒烯衍生物层的界面处的含量为1重量％至15重量％，并且优选地3重量％至7重量％。
在本说明书的一个示例性实施方案中，当具有冠型取代基的富勒烯衍生物在通过相分离形成的光活性层和含富勒烯衍生物层的界面处的含量为15重量％或更大时，存在如下效果：相分离的层的厚度变得大于光学厚度或者在光活性层中发生聚集现象，并且因此电荷可能被俘获；或者当所述含量为1重量％或更小时，因相分离而难以形成单个层，但是存在由掺杂引起的传输电荷增加的微弱效果。
本说明书中的“相分离”意指两种或更多种材料在均匀混合状态下通过的不同亲和力无需分离过程即可彼此分离以形成层相。
特别地，包含富勒烯衍生物的材料可通过增加亲水性冠型取代基的量以增强亲水性来分离，并且可通过向富勒烯衍生物中引入疏水性取代基以增强疏水性来分离。
在本说明书的一个示例性实施方案中，将光活性层和含富勒烯衍生物层设置成彼此接触。设置成彼此接触不限于物理结合或化学结合。
在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层和含富勒烯衍生物层通过利用光活性层和含富勒烯衍生物层的自相分离来同时形成以彼此接触。
在本说明书的一个示例性实施方案中，将含富勒烯衍生物层设置在光活性层的接近第一电极的一个表面上。在另一个示例性实施方案中，将含富勒烯衍生物层设置在光活性层的接近第二电极的一个表面上。
含富勒烯衍生物层还可适用于正常结构，并且还可适用于倒置结构。
在本说明书的一个示例性实施方案中，含富勒烯衍生物层充当缓冲层。含富勒烯衍生物层可用于促进电子在光活性层和电荷传输层之间的移动。此外，含富勒烯衍生物层可用于促进电荷在电荷传输层和第一电极或第二电极之间的移动。
在本说明书的一个示例性实施方案中，包含富勒烯衍生物且通过相分离形成的层的厚度为1nm至30nm。该厚度优选地为3nm至10nm。此范围内的厚度可有助于形成光活性层的形态以增加电荷的迁移率并且因在界面处形成偶极子而提高开路电压和收集电荷的能力，由此增加电流的密度。此外，通过防止电荷的重新结合可提高填充因子。
当含富勒烯衍生物层的厚度大于30nm时，存在的问题是：电流密度因电荷的迁移率降低而降低，并且填充因子因电荷的重新结合增加而劣化。
在本说明书的一个示例性实施方案中，含富勒烯衍生物层包含选自由以下化学式1至3表示的富勒烯衍生物中的一种或两种或更多种富勒烯衍生物。
[化学式1]
[化学式2]
[化学式3]
在化学式1至3中，
Cn为C60至C120富勒烯，
m和n各自为0至3的整数，
x、y和z各自为1至10的整数，
R1和R2中至少一者为-(L)a-(Y)，
a为0至4的整数，
当a为2或更大时，两个或更多个L彼此相同或不同，
L为经取代或未经取代的二价酯基；经取代或未经取代的二价硫酯基；经取代或未经取代的二价硫代羰基酯基(thionoester)；二价酮基；二价硫酮基；二价羰基；经取代或未经取代的亚烷基；经取代或未经取代的亚烯基；经取代或未经取代的亚芳基；或者经取代或未经取代的二价杂环基，
Y为冠型取代基，
Cy为经取代或未经取代的单环或多环芳香族烃环；或者经取代或未经取代的单环或多环杂环，
R1和R2中的其他R彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；或者经取代或未经取代的杂环基，并且化学式3中的R1和R2可以彼此结合形成单环或多环。
r为0至2的整数，
s为0至30的整数，
当r和s各自为2或更大时，括弧中的结构彼此相同或不同，并且
化学式1至3可以另外地未被取代或被选自以下中的取代基取代：氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂环基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，冠型取代基的碳原子数为8至40。
在本说明书的一个示例性实施方案中，Y由以下结构表示。
在该结构中，
l为括弧中结构的重复数且为1至3的整数，并且
当l为2或更大时，括弧中的两个或更多个结构彼此相同或不同，
X1至X4彼此相同或不同，并且各自独立地为O、S或NR，
R和R3至R18彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；或者经取代或未经取代的杂环基，或者相邻取代基彼此结合形成经取代或未经取代的烃环；或者经取代或未经取代的杂环，并且
R3至R18之一通过-(L)a-与富勒烯衍生物结合。
在本说明书的一个示例性实施方案中，L为经取代或未经取代的二价酯基；经取代或未经取代的亚烷基；或者经取代或未经取代的亚芳基。
在另一个示例性实施方案中，a为2或更大的整数，并且两个或更多个L彼此相同或不同，且各自独立地包括二价酯基；和经取代或未经取代的亚烷基。
在又一个示例性实施方案中，-(L)a-为
p为0至30的整数。
在又一个示例性实施方案中，p为3。
在本说明书的一个示例性实施方案中，a为2或更大的整数，并且两个或更多个L彼此相同或不同，且各自独立地包括二价酯基；和经取代或未经取代的亚芳基。
在另一个示例性实施方案中，-(L)a-为
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为氢；或者经取代或未经取代的酯基。
在一个示例性实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为氢。
在另一个示例性实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为经取代或未经取代的酯基。
在一个示例性实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为经烷基取代的酯基。
在另一个示例性实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为经甲基取代的酯基。
在又一个示例性实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为经取代或未经取代的芳基。
在又一个实施方案中，R1和R2中除-(L)a-(Y)以外的其余部分为苯基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X1为O。
在另一个示例性实施方案中，X2为O。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X3为O。
在另一个示例性实施方案中，X4为O。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X1至X4中至少一者为O。
在本说明书的一个示例性实施方案中，化学式3中的Cy为经取代或未经取代的苯；经取代或未经取代的萘；或者经取代或未经取代的杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，化学式3中的Cy包含经取代或未经取代的苯、经取代或未经取代的萘，或者O、S和N中的至少一者，并且为经取代或未经取代的杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，化学式3中的Cy为苯、萘或杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，化学式3中的Cy为苯、萘、或者包含O、S和N中至少一者的杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，化学式3可由以下化学式3a表示。
[化学式3a]
在化学式3a中，Cy1和Cy2彼此相同或不同，并且各自为经取代或未经取代的单环或多环芳香族烃环；或者经取代或未经取代的单环或多环杂环，并且R1、R2、n、z、Cn、r和s的定义与化学式3中描述的那些相同。
在本说明书的一个示例性实施方案中，化学式3可由以下化学式3b表示。
[化学式3b]
在化学式3b中，R1、R2、n、z和Cn的定义与化学式3中描述的那些相同，并且
r1和r2为0至4的整数，且当r1和r2各自为2或更大时，括弧中的结构彼此相同或不同。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3中，Cy包含O、S和N中的至少一者，并且为经取代或未经取代的单环或多环杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3中，Cy包含O、S和N中的至少一者，并且为经取代或未经取代的单环杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3中，Cy为经取代或未经取代的噻吩、经取代或未经取代的呋喃、经取代或未经取代的吡咯、或者经取代或未经取代的咪唑。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3中，Cy噻吩、呋喃、吡咯或咪唑。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3a中，Cy1和Cy2中至少一者包含O、S和N中的至少一者并且为经取代或未经取代的单环或多环杂环，而另一者为经取代或未经取代的单环或多环芳族烃环或者经取代或未经取代的单环或多环杂环。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3a中，Cy1和Cy2中至少一者包含O、S和N中的至少一者并且为经取代或未经取代的单环或多环杂环，而另一者为经取代或未经取代的苯。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3a中，Cy1和Cy2中至少一者包含O、S和N中的至少一者并且为经取代或未经取代的单环杂环，而另一者为经取代或未经取代的苯。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3中，Cy1和Cy2中至少一者为经取代或未经取代的噻吩、经取代或未经取代的呋喃、经取代或未经取代的吡咯、或者经取代或未经取代的咪唑，而另一者为经取代或未经取代的苯。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3a中，Cy1和Cy2中至少一者为噻吩、呋喃、吡咯或咪唑，而另一者为苯。
在本说明书的一个示例性实施方案中，由化学式1至3表示的富勒烯衍生物由以下化学式1-1、化学式2-1、化学式2-2和化学式3-1来表示。
[化学式1-1]
[化学式2-1]
[化学式2-2]
[化学式3-1]
在化学式1-1、2-1、2-2和3-1中，
Cn、l、x、y和z与上述那些相同。
在本说明书的一个示例性实施方案中，Cn为C60富勒烯衍生物。
在另一个示例性实施方案中，l为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式1和1-1中的任一者中，x为1至10、1至7、1至5、1至3、或1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式2、2-1和2-2中的任一者中，y为1至10、1至7、1至5、1至3、或1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在化学式3和3-1中的任一者中，z为1至10、1至7、1至5、1至3、或1。
在一个示例性实施方案中，由化学式2-2表示的富勒烯衍生物可由以下化学式2-2-1表示。
[化学式2-2-1]
本说明书的一个示例性实施方案还包含设置在冠型取代基中心的离子基团。即，将离子基团设置在冠型取代基中心的空间隙中，并且形成化学键。在本说明书的一个示例性实施方案中，除仅单个冠型取代基分子以外两个或更多个分子可形成3-D结构以参与离子的键合。
然而，如果必要，本领域技术人员可进行热处理或UV处理以使具有多个冠型取代基的富勒烯衍生物交联。
在一个示例性实施方案中，包含离子基团的冠型取代基可表示如下。
在该结构中，R3至R18、l和X1至X4与上述那些相同，并且
M为离子基团。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所需插入的金属的离子数目和金属的类型可通过调节重复数l，即冠型取代基的大小来选择。
在如上所述包含离子基团的情况下，光吸收可通过入射光的再分布而增加，并且电荷的势垒可因界面偶极增加而得以调节。此外，由于电导率增加，可预期具有高效率的有机太阳能电池。
在本说明书中，所述离子基团可为正离子基团或负离子基团。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述离子基团可包含一个分子，并且还包括两个或更多个分子形成3-D结构且彼此结合的情况。
在本说明书的一个示例性实施方案中，所述离子基团为选自钛(Ti)、锆(Zr)、锶(Sr)、锌(Zn)、铟(In)、镧(La)、钒(V)、钼(Mo)、钨(W)、锡(Sn)、铌(Nb)、镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)、铝(Al)、钇(Y)、钪(Sc)、钐(Sm)、镓(Ga)、钾(K)、钴(Co)、铜(Cu)、银(Ag)、钠(Na)和铅(Pb)中的金属的正离子；选自NH4 +和CH3NH3 +中的铵离子；或者选自N3 -、CH3CO2 -、CN-、Br-、Cl-、I-、F-、SCN-、ClO4 -、NOs -、CO3 2-、SO4 2-、PO4 3-、H2PO-4 2-、PdCl6 2-、Na-、Cs-、柠檬酸离子(柠檬酸根3-)、SiF5 -、SiF6 2-、GeF6 2-和BF4 -中的负离子。
取代基的实例将在下文进行描述，但不限于此。
术语“取代”意指化合物中与碳原子结合的氢原子变成另一个取代基，并且所取代的位置没有限制，只要所述位置为氢原子被取代的位置，即，取代基可被取代的位置即可，并且当两个或更多个被取代时，这两个或更多个取代基可以彼此相同或不同。
本文中的术语“经取代或未经取代的”意指未被取代或被选自以下中的一个或更多个取代基取代：氘；卤素基团；烷基；烯基；烷氧基；酯基；羰基；羧基；羟基；环烷基；甲硅烷基；芳基烯基；芳氧基；烷基硫基；烷基磺酰基；芳基磺酰基；硼基；烷基胺基；芳烷基胺基；芳基胺基；杂芳基；咔唑基；芳基胺基；芳基；腈基；硝基；羟基；和杂环基，或者意指未被取代或被所例示的取代基中两个或更多个取代基相连的取代基取代。例如，“两个或更多个取代基相连的取代基”可为联苯基。即，联苯基也可为芳基，并且可以理解为两个苯基相连的基团。
在本说明书中，“相邻”基团可意指取代与相应取代基所取代的原子直接连接的原子的取代基；空间上布置成最接近相应取代基的取代基；或者取代相应取代基所取代的原子的另一个取代基。例如，苯环中邻位取代的两个取代基和脂肪族环中取代同一个碳的两个取代基可以理解为彼此“相邻”的基团。
在本说明书中，卤素基团可为氟、氯、溴或碘。
在本说明书中，酰亚胺基的碳原子数没有特别限制，但优选为1至25。特别地，酰亚胺基可为具有以下结构的化合物，但不限于此。
在本说明书中，硫代酰亚胺基为其中酰亚胺基的C＝O被C＝S取代的基团。
在本说明书中，酐基为其中酰亚胺基的N原子被O取代的基团。
在本说明书中，对于酰胺基，酰胺基的一个或两个氮原子可被氢，具有1至25个碳原子的直链、支链或环状烷基，或具有6至25个碳原子的芳基取代。特别地，酰胺基可为具有以下结构式的化合物，但不限于此。
在本说明书中，酰胺基还包括环状基团，例如内酰胺。
在本说明书中，酯基的通式可由表示。R′为氢；具有1至60个碳原子的烷氧基；经取代或未经取代的具有1至60个碳原子的烷基；经取代或未经取代的具有3至60个碳原子的环烷基；经取代或未经取代的具有7至50个碳原子的芳基烷基；具有2至60个碳原子的杂芳基烷基；经取代或未经取代的具有1至40个碳原子的酯基；经取代或未经取代的具有1至40个碳原子的羰基；经取代或未经取代的具有6至60个碳原子的芳基；或者经取代或未经取代的具有2至60个碳原子的杂环基，其包含N、O和S原子中的一者或更多者。
本说明书的酯基还包括环状基团，例如内酯基。
在本说明书中，硫酯基为其中酯基的C＝O被C＝S取代的基团。
在本说明书中，羰基可由表示。R′为氢；经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基；经取代或未经取代的具有3至60个碳原子的环烷基；经取代或未经取代的具有7至50个碳原子的芳基烷基；经取代或未经取代的具有6至60个碳原子的芳基；或者经取代或未经取代的具有2至60个碳原子的杂环基。
本说明书的硫酮基为其中羰基的O原子被S硫原子取代的基团。
在本说明书中，亚胺基可由表示。R′和R″彼此相同或不同，并且为氢；经取代或未经取代的具有1至25个碳原子的直链、支链或环状烷基；或者经取代或未经取代的具有6至25个碳原子的芳基。
在本说明书中，醚基可由表示。R为经取代或未经取代的具有1至25个碳原子的直链、支链或环状烷基；或者经取代或未经取代的具有6至25个碳原子的芳基。特别地，Z1至Z3彼此相同或不同，并且为经取代或未经取代的具有6至25个碳原子的直链、支链或环状烷基；或者经取代或未经取代的具有6至25个碳原子的芳基。
在本说明书中，意指与另一个取代基连接的部分。
在本说明书中，烷基可为直链的或支链的，且其碳原子数没有特别限制，但优选地为1至50。其具体实例包括甲基、乙基、丙基、正丙基、异丙基、丁基、正丁基、异丁基、叔丁基、仲丁基、1-甲基-丁基、1-乙基-丁基、戊基、正戊基、异戊基、新戊基、叔戊基、己基、正己基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、4-甲基-2-戊基、3，3-二甲基丁基、2-乙基丁基、庚基、正庚基、1-甲基己基、环戊基甲基、环己基甲基、辛基、正辛基、叔辛基、1-甲基庚基、2-乙基己基、2-丙基戊基、正壬基、2，2-二甲基庚基、1-乙基-丙基、1，1-二甲基-丙基、异己基、2-甲基戊基、4-甲基己基、5-甲基己基等，但不限于此。
在本说明书中，环烷基没有特别限制，但其碳原子数优选地为3至60，并且其具体实例包括环丙基、环丁基、环戊基、3-甲基环戊基、2，3-二甲基环戊基、环己基、3-甲基环己基、4-甲基环己基、2，3-二甲基环己基、3，4，5-三甲基环己基、4-叔丁基环己基、环庚基、环辛基等，但不限于此。
在本说明书中，烷氧基可为直链的、支链的或环状的。烷氧基的碳原子数没有特别限制，但优选地为1至20。其具体实例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基(isopropoxy)、异丙氧基(i-propyloxy)、正丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、仲丁氧基、正戊氧基、新戊氧基、异戊氧基、正己氧基、3，3-二甲基丁氧基、2-乙基丁氧基、正辛氧基、正壬氧基、正癸氧基、苄氧基、对甲基苄氧基等，但不限于此。
在本说明书中，芳基烷基的碳原子数没有特别限制，但在本说明书的一个示例性实施方案中，芳基烷基的碳原子数为7至50。特别地，芳基部分的碳原子数为6至49，烷基部分的碳原子数为1至44。其具体实例包括苄基、对甲基苄基、间甲基苄基、对乙基苄基、间乙基苄基、3，5-二甲基苄基、α-甲基苄基、α，α-二甲基苄基、α，α-甲基苯基苄基、1-萘基苄基、2-萘基苄基、对氟苄基、3，5-二氟苄基、α，α-二三氟甲基苄基、对甲氧基苄基、间甲氧基苄基、α-苯氧基苄基、α-苄氧基苄基、萘基甲基、萘基乙基、萘基异丙基、吡咯基甲基、吡咯基乙基、氨基苄基、硝基苄基、氰基苄基、1-羟基-2-苯基异丙基、1-氯-2-苯基异丙基等，但不限于此。
在本说明书中，烯基可为直链的或支链的，且其碳原子数没有特别限制，但优选地为2至40。其具体实例包括乙烯基、1-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、3-甲基-1-丁烯基、1，3-丁二烯基、烯丙基、1-苯基乙烯基-1-基、2-苯基乙烯基-1-基、2，2-二苯基乙烯基-1-基、2-苯基-2-(萘基-1-基)乙烯基-1-基、2，2-双(二苯基-1-基)乙烯基-1-基、茋基、苯乙烯基等，但不限于此。
在本说明书中，甲硅烷基的具体实例包括三甲基甲硅烷基、三乙基甲硅烷基、叔丁基二甲基甲硅烷基、乙烯基二甲基甲硅烷基、丙基二甲基甲硅烷基、三苯基甲硅烷基、二苯基甲硅烷基、苯基甲硅烷基等，但不限于此。
在本说明书中，芳基可为单环的，且其碳原子数没有特别限制，但优选地为6至60。芳基的具体实例包括单环芳香族基团，例如苯基、联苯基和三联苯基；多环芳香族基团，例如萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、并四苯基、基、芴基、苊基、三亚苯基和荧蒽基等，但不限于此。
在本说明书中，芴基可被取代，并且相邻取代基可彼此结合形成环。
当芴基被取代时，芴基可为 等。然而，所述芴基不限于此。
在本说明书中，杂环基或杂芳基包含一个或更多个除碳以外的原子，即，杂原子，并且特别地，杂原子可包括选自O、N和S等中的一个或更多个原子。杂环基的碳原子数没有特别限制，但优选地为2至60。杂环基的实例包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、唑基、二唑基、三唑基、吡啶基、联吡啶基、三嗪基、吖啶基、哒嗪基、喳啉基、异喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯并唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并咔唑基、苯并噻吩基、二苯并噻吩基、苯并呋喃基、菲咯啉基、二苯并呋喃基等，但不限于此。
在本说明书中，杂芳氧基中的杂芳基可选自杂芳基的上述实例。在本说明书中，芳氧基、芳基硫基、芳基磺酰基和芳烷基胺基中的芳基与芳基的上述实例相同。特别地，芳氧基的实例包括苯氧基、对甲苯氧基、间甲苯氧基、3，5-二甲基-苯氧基、2，4，6-三甲基苯氧基、对叔丁基苯氧基、3-联苯氧基、4-联苯氧基、1-萘氧基、2-萘氧基、4-甲基-1-萘氧基、5-甲基-2-萘氧基、1-蒽氧基、2-蒽氧基、9-蒽氧基、1-菲氧基、3-菲氧基、9-菲氧基等，芳基硫基的实例包括苯基硫基、2-甲基苯基硫基、4-叔丁基苯基硫基等，芳基磺酰基的实例包括苯磺酰基、对甲苯磺酰基等，但实例不限于此。
在本说明书中，烷基硫基、烷基磺酰基、烷基胺基和芳烷基胺基中的烷基与烷基的上述实例相同。特别地，烷基硫基的实例包括甲基硫基、乙基硫基、叔丁基硫基、己基硫基、辛基硫基等，烷基磺酰基的实例包括甲磺酰基、乙基磺酰基、丙基磺酰基、丁基磺酰基等，但实例不限于此。
在本说明书中，胺基的碳原子数没有特别限制，但优选地为1至30。胺基的具体实例包括甲基胺基、二甲基胺基、乙基胺基、二乙基胺基、苯基胺基、萘基胺基、联苯基胺基、蒽基胺基、9-甲基-蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、三苯基胺基等，但不限于此。
在本说明书中，芳基胺基的实例包括经取代或未经取代的单芳基胺基、经取代或未经取代的二芳基胺基、或者经取代或未经取代的三芳基胺基。芳基胺基中的芳基可为单环芳基或多环芳基。包含两个或更多个芳基的芳基胺基可包含单环芳基、多环芳基、或者单环芳基和多环芳基二者。
芳基胺基的具体实例包括苯基胺基、萘基胺基、联苯基胺基、蒽基胺基、3-甲基-苯基胺基、4-甲基-萘基胺基、2-甲基-联苯基胺基、9-甲基-蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、咔唑、三苯基胺基等，但不限于此。
在本说明书中，杂芳基胺基中的杂芳基可选自杂环基的上述实例。
在本说明书中，亚烷基、亚烯基和亚芳基各自意指烷基、烯基和芳基中存在两个结合位置，即，二价基团。除亚烷基、亚烯基和亚芳基为二价基团外，对烷基和芳基的上述说明可以适用。
在本说明书中，相邻取代基彼此结合形成烃环或杂环的情况意指相邻取代基形成键以形成5至8元单环或多环烃环，或者包含一个或更多个杂原子的5至8元单环或多环杂环。
在本说明书中，烃环包括所有的环烷基、环烯基、芳香族环基或脂肪族环基，可为单环的或多环的，并且包括通过组合这些基团中一者或两者或更多者稠合而成的所有环。
本说明书中形成的杂环意指其中烃环的至少一个碳原子被杂原子取代的那些，可为脂肪族环或芳香族环，并且可为单环的或多环的。
在另一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有第一电极为阳极并且第二电极为阴极的正常结构。
正常结构可意指阳极形成在基底上。特别地，根据本说明书的一个示例性实施方案，当有机太阳能电池具有正常结构时，形成在基底上的第一电极可为阳极。
图1示出了根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池的一个实例。特别地，图1示出了具有正常结构的有机太阳能电池。在图1中，ITO作为阳极设置在基底上，并且PEDOT：PSS层作为缓冲层形成在阳极上。此外，使用P3HT：PCBM作为光活性层，包含经冠型取代基取代的富勒烯衍生物的层和光活性层同时形成，并且阴极通过使用Al形成。将经冠型取代基取代的富勒烯衍生物与光活性层材料混合以通过自相分离来形成单独层。
然而，根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池不限于图1中的结构和材料，可设置附加层，并且各个层可通过使用多种材料来构成。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有第一电极为阴极并且第二电极为阳极的倒置结构。
倒置结构可意指阴极在基底上。特别地，根据本说明书的一个示例性实施方案，当有机太阳能电池具有倒置结构时，形成在基底上的第一电极可为阴极。
图2示出了根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池的一个实例。特别地，图2示出了具有倒置结构的有机太阳能电池。在图2中，ITO作为阴极设置在基底上，并且缓冲层通过使用ZnO形成在阴极上。此外，使用P3HT：PCBM作为光活性层，包含经冠型取代基取代的富勒烯衍生物的层和光活性层同时形成，并且MoO3/Al形成为阳极。
然而，根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池不限于图2中的结构和材料，可设置附加层，并且各个层可通过使用多种材料来构成。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池还包括选自以下的一个或两个或更多个有机材料层：空穴注入层、空穴传输层、空穴阻挡层、电荷产生层、电子阻挡层、电子注入层和电子传输层。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有其中第一电极为阴极且第二电极为阳极的倒置结构，阴极缓冲层设置在第一电极和光活性层之间，并且阳极缓冲层设置在第二电极和光活性层之间。
除阳极缓冲层和阴极缓冲层以外，本说明书的一个示例性实施方案还可包括其他有机材料层。另一个示例性实施方案可只包括阳极缓冲层和阴极缓冲层之一，并且可以不包括缓冲层。
在又一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有其中第一电极为阳极且第二电极为阴极的正常结构，阳极缓冲层设置在第一电极和光活性层之间，并且阴极缓冲层设置在第二电极和光活性层之间。
在本说明书的一个示例性实施方案中，阴极缓冲层可为电子传输层。
在本说明书的一个示例性实施方案中，阳极缓冲层可为空穴传输层。
本说明书的第一电极可为阴极电极，并且可为透明导电氧化物层或金属电极。
当第一电极为透明电极时，第一电极可为导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。此外，第一电极还可为半透明电极。当第一电极为半透明电极时，第一电极可通过使用半透明金属例如Ag、Au、Mg、Ca或其合金来制备。当使用半透明金属作为第一电极时，有机太阳能电池可具有微腔结构。
当本说明书的电极为透明导电氧化物层时，除玻璃和石英板之外，还可使用其中将导电材料掺杂至柔性且透明的材料(例如塑料)中的电极作为电极，所述塑料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、丙烯腈苯乙烯共聚物(AS树脂)、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS树脂)、三乙酰纤维素(TAC)和聚芳酯(PAR)。特别地，电极可为氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化铟锌(IZO)、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、氧化锑锡(ATO)等，并且更特别地，电极可为ITO。
在本说明书的一个示例性实施方案中，第二电极可为阳极，并且第二电极可为金属电极。特别地，金属电极可包括选自以下的一种或两种或更多种：银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、钨(W)、铜(Cu)、钼(Mo)、金(Au)、镍(Ni)和钯(Pd)。更特别地，金属电极可为银(Ag)。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在第一电极和/或第二电极的形成中，将图案化的ITO基底用清洁剂、丙酮和异丙醇(IPA)依次清洗，然后在热板上于100℃至250℃下干燥1分钟至30分钟，特别地在250℃下干燥10分钟以除去水分，并且当基底完全清洗时，可对基底的表面进行亲水性改性。作为为此目的的预处理技术，可利用a)使用平行平板型放电的表面氧化方法；b)在真空状态下通过使用UV射线所产生的臭氧来氧化表面的方法；c)使用由等离子体产生的氧自由基的氧化方法，等。结表面电势可通过如上所述的表面改性维持在适合于空穴注入层的表面电势的水平，并且在ITO基底上容易地形成聚合物薄膜且可提高薄膜的质量。根据基底的条件选择这些方法中的一种，并且无论使用什么方法，仅当防止氧从基底表面离开并最大地抑制水分和有机材料残留时，一般才可预期预处理的实质性作用。
在本说明书的下述实施例中，使用了通过使用UV所产生的臭氧来氧化表面的方法，并且在超声清洗之后，将图案化的ITO基底在热板上充分烘干，导入下一个室中，并且开启UV灯以通过使氧气与UV光反应所产生的臭氧来清洗图案化的ITO基底。然而，本发明中对图案化ITO基底的表面进行改性的方法没有特别限制，并且任何方法均可使用，只要该方法为氧化基底的方法即可。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有倒置结构。当根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池具有倒置结构时，第二电极可为银(Ag)或MoO3/Al。
根据本说明书的具有倒置结构的有机太阳能电池可意指具有一般结构之有机太阳能电池的阳极和阴极以相反方向构成。具有一般结构的有机太阳能电池中使用的Al层非常容易在空气中发生氧化反应，难以用作油墨，并因此在通过印刷工艺来商业化方面具有局限性。然而，由于可使用Ag来代替Al，与具有一般结构的有机太阳能电池相比，根据本说明书的具有倒置结构的有机太阳能电池对氧化反应更稳定并且易于制备Ag油墨，因此，存在有机太阳能电池有利于通过印刷工艺来商业化的优点。
根据本说明书的一个示例性实施方案，有机太阳能电池可具有正常结构。当根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池具有正常结构时，第二电极可为Al。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电荷传输层包含选自导电氧化物、金属碳化物和金属中的一种或两种或更多种。
在另一个示例性实施方案中，电荷传输层包含选自氧化钛、氧化锌和碳酸铯中的一种或更多种。
在本说明书中，电荷传输层意指传输“空穴”或“电子”的层，并且可为电子传输层或空穴传输层。
根据本说明书的一个示例性实施方案，电子传输层的导电氧化物可为电子提取金属氧化物，并且特别地，可包括选自氧化钛(TiOx)、氧化锌(ZnO)和碳酸铯(Cs2CO3)中的一种或更多种。
根据本说明书的一个示例性实施方案，金属可为核壳材料，其包括：银(Ag)纳米颗粒；金(Au)纳米颗粒；和金属氧化物，例如Ag-SiO2、Ag-TiO2和Au-TiO2。核壳材料包含金属作为核，并且包含金属氧化物(例如Ag-SiO2、Ag-TiO2和Au-TiO2)作为壳。
电子传输层可通过使用以下方法施加在第一电极的一个表面上或者以膜的形式涂覆来形成：喷涂、电子束、热沉积、旋涂、丝网印刷、喷墨印刷、刮涂或凹版印刷的方法。
在本说明书的一些示例性实施方案中，光活性层包含电子供体材料和电子受体材料作为光活性材料。在本说明书中，光活性材料可意指电子供体材料和电子受体材料。
在光活性层中，电子供体材料通过光激发形成其中电子和空穴形成对的激子，并且激子在电子供体/电子受体的界面处分为电子和空穴。分开的电子和空穴分别移动至电子供体材料和电子受体材料，并且电子和空穴可被收集在第一电极和第二电极中以作为电能用于外部。
此外，在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层可具有本体异质结结构或双层结结构。本体异质结结构可为本体异质结(BHJ)结型，并且双层结结构可为双层结型。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子供体材料与电子受体材料的质量比可为1∶10至10∶1。特别地，在本说明书中，电子受体材料与电子供体材料的质量比可为1∶0.5至1∶5。
根据本说明书的一个示例性实施方案，电子供体材料可包含：至少一种电子供体；或者至少一种电子受体和至少一种电子供体的聚合物。电子供体材料可包含至少一种电子供体。此外，电子供体材料包含至少一种电子受体和至少一种电子供体的聚合物。
特别地，电子供体材料可为多种聚合物材料，例如基于噻吩、基于呋喃和基于咔唑的材料；以及始于聚[2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基](MEH-PPV)的单分子材料。
特别地，单分子材料可包括选自以下中的一种或更多种材料：铜(II)酞菁、锌酞菁、三[4-(5-二氰基亚甲基甲基-2-噻吩基)苯基]胺、2，4-双[4-(N，N-二苄基氨基)-2，6-二羟基苯基]方酸、苯[b]蒽和并五苯。
特别地，聚合物材料可包括选自以下的一种或更多种材料：聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[N-9′-十七烷基-2，7-咔唑-交替-5，5-(4′-7′-二-2-噻吩基-2′，1′，3′-苯并噻二唑)](PCDTBT)、聚[2，6-(4，4-双(2，乙基己基)-4H-环戊二烯并[2，1-b；3，4-b′]二噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)、聚[2，7-(9，9-二辛基-芴)-交替-5，5-(4，7-二2-噻吩基-2，1，3-苯并噻二唑)](PFO-DBT)、聚[[4，8-双[(2-乙基己基)氧基]苯并[1，2-b：4，5-b′]二噻吩-2，6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3，4-b]噻吩二基](PTB7)、和聚[2，7-(9，9-二辛基-二苯并噻咯)-交替-4，7-双(噻吩-2-二基)苯并-2，1，3-噻二唑](PSiF-DBT)。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子受体材料可为富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。
在本说明书的一个示例性实施方案中，富勒烯衍生物为C60至C90富勒烯衍生物。特别地，富勒烯衍生物可为C60富勒烯衍生物或C70富勒烯衍生物。
根据本说明书的一个示例性实施方案，C60富勒烯衍生物或C70富勒烯衍生物各自独立地选自：氢；氘；卤素基团；腈基；硝基；酰亚胺基；酰胺基；羟基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂环基，或者两个相邻取代基可另外地被形成稠环的取代基取代。
在本说明书的一个示例性实施方案中，富勒烯衍生物可选自C76富勒烯衍生物、C78富勒烯衍生物、C84富勒烯衍生物、和C90富勒烯衍生物。
在本说明书的一个示例性实施方案中，C76富勒烯衍生物、C78富勒烯衍生物、C84富勒烯衍生物和C90富勒烯衍生物各自独立地选自：氢；氘；卤素基团；腈基；硝基；酰亚胺基；酰胺基；羟基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂环基，或者两个相邻取代基可另外地被形成稠环的取代基取代。
与非富勒烯衍生物相比，富勒烯衍生物具有优异的分离电子-空穴对(激子)的能力和优异的电荷迁移率，因而在效率特性方面具有优势。
在根据本说明书的一个示例性实施方案的光活性层中，电子供体材料和电子受体材料可形成本体异质结(BHJ)。可将本说明书的光活性层在30℃至300℃下退火1秒至24小时以使在电子供体材料和电子受体材料彼此混合后的特性最大化。
在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层可包含聚3-己基噻吩(P3HT)作为电子供体材料，以及[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)和/或[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)作为电子受体材料。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子供体材料与电子受体材料的质量比可为1∶0.4至1∶2，并且特别地1∶0.7。然而，光活性层不只限于这些材料。
将如上所述的光活性材料溶解在有机溶剂中，然后通过例如旋涂的方法将溶液施加至具有50nm至280nm范围内的厚度以引入光活性层。在这种情况下，可对光活性层应用以下方法，例如：浸涂、丝网印刷、喷涂、刮涂和刷涂。
此外，在电子受体中，还可使用其他富勒烯衍生物，包括PC61BM，例如C70、C76、C78、C80、C82和C84，并且可通过对所涂覆的薄膜进行80℃至160℃下的热处理来增强导电聚合物的结晶性。特别地，本说明书的太阳能电池具有倒置结构，并且在这种情况下，可在120℃下进行预退火。
本说明书的空穴传输层和/或电子传输层材料可为通过将电子和空穴高效地转移至光活性层而增大所产生电荷被传输至电极的可能性的材料，但是没有特别限制。
根据本说明书的一个示例性实施方案，空穴传输层可为阳极缓冲层。
可通过诸如以下方法将空穴传输层引入到经预处理的光活性层的上部：旋涂、浸涂、喷墨印刷、凹版印刷、喷涂、刮涂、棒涂、凹版涂覆、刷涂和热沉积。在这种情况下，通常使用聚(3，5-亚乙基二氧噻吩)：聚(4-苯乙烯磺酸)[PEDOT：PSS]作为导电聚合物溶液，并且可使用氧化钼(MoOx)、氧化钒(V2O5)、氧化镍(NiO)、氧化钨(WOx)等作为空穴提取金属氧化物材料。根据本说明书的一个示例性实施方案，空穴传输层可通过经由热沉积系统沉积厚度为5nm至10nm的MoO3来形成。
根据本说明书的一个示例性实施方案，有机太阳能电池还可包括基底。特别地，可将基底设置在第一电极的下部。
根据本说明书的一个示例性实施方案，作为基底，可使用具有优良透明度、表面光滑度、操作便利性和防水性能的基底。特别地，可使用玻璃基底、薄膜玻璃基底、或透明塑料基底。塑料基底可包括单层或多层形式的膜，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)和聚酰亚胺(PI)。然而，基底不限于此，并且可使用通常用于有机太阳能电池的基底。
根据本说明书的一个示例性实施方案，有机太阳能电池可具有卷绕结构。特别地，有机太阳能电池可制造成柔性膜的形式，并且可制成其中膜以圆柱形式卷绕的具有中空卷绕结构的太阳能电池。当有机太阳能电池具有卷绕结构时，可以以使有机太阳能电池竖立在地面上的方式安装有机太阳能电池。在这种情况下，在安装有机太阳能电池的位置，可在太阳从东向西移动时获得光的入射角变得最大的部分。因此，存在这样的优点：当太阳上升时，可以尽可能多地吸收光并且可提高效率。
本说明书提供了用于制造上述有机太阳能电池的方法，所述方法包括：准备基底；在基底上形成第一电极；在第一电极上形成具有两个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层和含富勒烯衍生物层，所述富勒烯衍生物具有冠型取代基；以及在有机材料层上形成第二电极。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机材料层的形成包括涂覆组合物，所述组合物包含光活性层材料和用于含富勒烯衍生物层的材料，以及
通过光活性层材料与用于含富勒烯衍生物层的材料的相分离同时形成光活性层和富勒烯层。
在有机太阳能电池的方法中，在制造设置在光活性层与第一电极或第二电极之间的缓冲层时，缓冲层具有薄的厚度，使得在该方法期间不易调节缓冲层的厚度或者均匀地制造缓冲层。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在制造光活性层时，可将用于包含具有冠型取代基的富勒烯衍生物的层的材料与光活性层材料混合以一起涂覆。
在这种情况下，用于含富勒烯衍生物层的材料包含自相分离单元，即冠型取代基，因此，用于所述层的材料可形成光活性层和含富勒烯衍生物层的双层。含富勒烯衍生物层充当有机太阳能电池中的缓冲层，并因此可通过单一过程形成光活性层和含富勒烯衍生物层的双层，而无需制造缓冲层的单独过程。
在这种情况下，在光活性层材料和用于含富勒烯衍生物层的材料的混合溶液中，可以调节用于含富勒烯衍生物层的材料的量以调整含富勒烯衍生物层的厚度并形成均匀的层。
此外，可以调节包含富勒烯衍生物和/或取代富勒烯衍生物的取代物的层的浓度，使得所述层设置在光活性层的接近第一电极的一个表面上，或者在光活性层的接近第二电极的一个表面上，并且相应地，可调整充当缓冲层的含富勒烯衍生物层的位置。
在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层材料的电子供体材料与用于含富勒烯衍生物层的材料的比为0.01重量％至0.2重量％。在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层材料的电子供体材料与用于含富勒烯衍生物层的材料的比为0.05重量％至0.1重量％。
在根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池中，含富勒烯衍生物层、第一电极、第二电极、光活性层、含富勒烯衍生物层、富勒烯衍生物、和冠型取代基与上述那些相同。
在本说明书中，除形成包括光活性层和含富勒烯衍生物层的具有两个或更多个层的有机材料层以外，可使用通用方法。
具体实施方式
下文中，将参照用于具体描述本说明书的实施例来详细地描述本说明书。然而，根据本说明书的实施例可以以多种形式进行修改，并且不应理解为本说明书的范围限于下文中详细描述的实施例。提供本说明书的实施例以向本领域普通技术人员更完整地解释本说明书。
制备例1.化学式2-2-1的制备
将1g PCBM放入80ml氯苯中，并使所得混合物在180℃下进行约1小时回流反应。向其中添加8ml盐酸和20ml乙酸，然后使所得混合物在180℃下进行16小时回流反应。通过TLC确定PCBM消失与否，然后浓缩溶液直至溶剂的量变成约30ml。将通过用甲醇沉淀所获得的为出售样品的PCBA过滤并干燥。(收率＝89％)
将120mg经干燥的PCBA放入约5ml邻二氯苯中，并在0℃下向其中添加0.067ml羟甲基12-C-4、33mg 4-二甲基氨基吡啶、和51.4mg 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺(EDCI)。在将温度从0℃逐渐升高至室温的同时，将混合物搅拌12小时。当反应终止时，进行柱纯化以获得期望化合物。(收率＝10％)
图3为示出了上面制备的化学式2-2-1的富勒烯衍生物的MS图的图。
有机太阳能电池的制备例
将ITO玻璃分别在丙酮和乙醇中进行30分钟超声处理并洗涤。在洗涤之后，通过使用UVO对表面进行15分钟处理，并将PEDOT：PSS涂覆在经表面处理的ITO玻璃上，然后在200℃下进行5分钟热处理。在热处理之后，涂覆以1∶0.7的比例混合的P3HT：PCBM溶液以形成厚度为约220nm的薄膜，然后在110℃下进行10分钟热处理。在1×10-7托下沉积厚度为100nm的Al电极。
[实施例1]
以与有机太阳能电池的制备例中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于：向制备例中的P3HT：PCBM溶液中添加基于光活性层总重量之1％的量的通过制备例所制备之化学式2-2-1的富勒烯衍生物的Li+离子复合物。
[实施例2]
以与有机太阳能电池的制备例中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于：向制备例中的P3HT：PCBM溶液中添加基于光活性层总质量之3％的量的通过制备例所制备之化学式2-2-1的富勒烯衍生物的Li+离子复合物。
[实施例3]
以与有机太阳能电池的制备例中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于：向制备例中的P3HT：PCBM溶液中添加基于光活性层总质量之5％的量的通过制备例所制备之化学式2-2-1的富勒烯衍生物的Li+离子复合物。
[实施例4]
以与有机太阳能电池的制备例中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于：向制备例中的P3HT：PCBM溶液中添加基于光活性层总质量之1％的量的通过制备例所制备之化学式2-2-1的富勒烯衍生物。
[比较例1]
以与有机太阳能电池的制备例中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于：在1×10-7托的真空度下真空沉积厚度为0.7nm的LiF，并且在真空沉积后，在1×10-7托下沉积厚度为100nm的Al电极。
根据实验例和比较例制造的有机太阳能电池的光电转换特性在下表1中示出。
[表1]
Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF PCE(％)
比较例1 0.608 9.48 0.575 3.31
实施例1 0.610 9.60 0.578 3.38
实施例2 0.618 10.10 0.591 3.69
实施例3 0.626 10.55 0.608 4.02
实施例4 0.615 9.98 0.589 3.62
在本说明书中，Voc、Jsc、FF和PCE分别意指开路电压、电流密度或短路电流、填充因子和能量转换效率。开路电压和短路电流分别为电压-电流密度曲线的第四象限中的X轴截距和Y轴截距，并且在这两个值增加时，太阳能电池的效率优选地增加。此外，填充因子为通过可在所述曲线中画出的矩形的面积除以短路电流和开路电压的乘积所获得的值。当将这三个值除以照射光的强度时可获得能量转换效率，并且较高的值是优选的。
当对表1中根据比较例和实施例的有机太阳能电池的物理性能进行相互比较时，可以看出实施例1至4的有机太阳能电池显示出比比较例1和2的那些更高的填充因子和/或更高的效率。

Claims (11)

1.一种有机太阳能电池，包括：
第一电极；
设置成面对所述第一电极的第二电极；
设置在所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层；以及
设置成与所述光活性层接触的含富勒烯衍生物层，
其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基，
其中所述含富勒烯衍生物层包含选自由以下化学式1至3表示的富勒烯衍生物中的一种或两种或更多种富勒烯衍生物：
[化学式1]
[化学式2]
[化学式3]
在化学式1至3中，
Cn为C60至C120富勒烯，
m和n各自为0至3的整数，
x、y和z各自为1至10的整数，
R1和R2中至少一者为-(L)a-(Y)，
a为0至4的整数，
当a为2或更大时，两个或更多个L彼此相同或不同，
L为经取代或未经取代的二价酯基；经取代或未经取代的二价硫酯基；经取代或未经取代的二价硫代羰基酯基；二价酮基；二价硫酮基；二价羰基；经取代或未经取代的亚烷基；经取代或未经取代的亚烯基；经取代或未经取代的亚芳基；或者经取代或未经取代的二价杂环基，
Y为冠型取代基，
Cy为经取代或未经取代的单环或多环芳香族烃环；或者经取代或未经取代的单环或多环杂环，
R1和R2中，不是-(L)a-(Y)的基团彼此相同或不同，并且各自为氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；或者经取代或未经取代的杂环基，并且化学式3中的R1和R2任选地彼此结合形成单环或多环，
r为0至2的整数，
s为0至30的整数，并且
当r和s各自为2或更大时，括弧中的结构彼此相同或不同，并且
化学式1至3任选地另外未被取代或被选自以下中的取代基取代：氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂环基。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述光活性层包含含有选自电子受体材料和电子供体材料中的一种或两种或更多种材料的光活性层材料，并且
所述含富勒烯衍生物层通过所述光活性层材料与用于所述含富勒烯衍生物层的材料的相分离来形成。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中Y由以下结构表示：
在所述结构中，
l为括弧中结构的重复数且为1至3的整数，并且
当l为2或更大时，括弧中的两个或更多个结构彼此相同或不同，
X1至X4彼此相同或不同，并且各自独立地为O、S或NR，
R3至R18彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；或者经取代或未经取代的杂环基，或者相邻取代基彼此结合形成经取代或未经取代的烃环；或者经取代或未经取代的杂环，并且
R3至R18中任一者与–(L)a-相连。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中L为经取代或未经取代的二价酯基；经取代或未经取代的亚烷基；或者经取代或未经取代的亚芳基。
5.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，还包含设置在所述冠型取代基中心的离子基团。
6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中具有冠型取代基的所述富勒烯衍生物在所述光活性层与所述含富勒烯衍生物层的界面处的含量为1重量％至15重量％。
7.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述有机太阳能电池具有所述第一电极为阴极并且所述第二电极为阳极的倒置结构。
8.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述有机太阳能电池具有所述第一电极为阳极并且所述第二电极为阴极的正常结构。
9.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述有机太阳能电池还包含选自以下的一个或两个或更多个有机材料层：空穴注入层、空穴传输层、空穴阻挡层、电荷产生层、电子阻挡层、电子注入层、和电子传输层。
10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的有机太阳能电池的方法，所述方法包括：
准备基底；
在所述基底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成具有两个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层和含富勒烯衍生物层，所述富勒烯衍生物具有冠型取代基；以及
在所述有机材料层上形成第二电极。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述有机材料层的所述形成包括涂覆组合物，所述组合物包含用于光活性层的材料和用于含富勒烯衍生物层的材料，并且
所述光活性层和所述富勒烯层通过所述光活性层材料与用于所述含富勒烯衍生物层的所述材料的相分离同时形成。
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