CN107619382A - 有机太阳能电池给体材料、有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

有机太阳能电池给体材料、有机太阳能电池及其制备方法，属于有机光伏中小分子有机太阳能电池领域，本发明的有机太阳能电池的制备方法包括下述步骤：1)活性层材料配置；2)ZnO配置。3)ITO玻璃清洗，干燥，等离子臭氧处理；4)在步骤3)处理后的ITO玻璃上旋涂ZnO溶液，然后加热退火；5)将步骤4)处理后的ITO玻璃置于氮气环境下，旋涂活性层材料；6)在步骤5)处理后的ITO玻璃上的活性层上蒸镀空穴传输层材料MoO3和阴极电极材料Ag；采用本发明技术的有机小分子太阳能电池具有较高的转换效率。

Description

有机太阳能电池给体材料、有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机光伏中小分子有机太阳能电池领域，具体涉及一种新型可溶性有机小分子材料的合成、制备方法和用途，以及以该材料作为活性层给体材料的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在过去的十几年中，有机光伏电池领域得到了快速发展。其转换效率的快速革新引起了科学领域和光伏产业的注意。虽然有机薄膜电池的光电转换效率与无机太阳能电池尚有一定的差距，但有机太阳能电池具有低成本，柔性、质量轻、低污染等优点，使得有机太阳能电池在解决能源问题上具有巨大的潜力。到目前为止基于外延层剥离技术制备的无机电池GaAs薄膜器件效率已高达28.8％，己经非常接近单结器件效率的理论最大值30％。同时有机太阳能电池的研也默默地取得了很大的进展，器件效率从早期的3％增加到现在的12％。有机太阳能电池主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，通过光伏效应产生电压和电流，其工作原理与无机太阳能电池的工作原理类似，都是基于光伏效应：主要过程是在光照条件下，有机半导体吸收光子，然后形成激子，当激子扩散到活性层接触面时，电子-空穴对在给受体能级差的作用下分解为自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴被电极收集形成电流，实现太阳能转化为电能的目的。其工作原理图如图1所示。有机太阳能电池根据其使用活性层材料可分为聚合物太阳能电池和小分子太阳能电池，虽然聚合物太阳能电池光电转换效率普遍高于小分子太阳能电池。但小分子因为其先天的优势可修饰性强，如确定的分子结构、分子合成相对简单、容易提纯、能级和带隙都可以通过化学手段去控制等，越来越受到各科研机构的重视，而且目前为止最新的小分子太阳能电池得效率已经基本接近聚合物电池做到的最高水平。
虽然小分子有机太阳能电池在近几年来有了十足的进展，许多研究机构以及高校实验室已经开始把研究重点从聚合物转向小分子太阳能电池。但是到目前为止绝大多数用于有机太阳能电池的小分子相对分子量过大、主体结构比较单一、结构比较相似，基本都是以三苯胺、噻吩、联噻吩或是苯并噻二唑和烃基链为基本单元构成的结构。大多数小分子结构都比较复杂，分子量也比较大，合成过程相对复杂。因此合成相对容易、结构相对简单的可用于有机太阳能电池的小分子值得研究，本文本着简单合成的原则设计合成一种可用于有机太阳能电池给体材的新型小分子，这种小分子的主体结构都是极为简单的U型，且分子量都很小，并将其作为给体材料成功的运用在有机太阳能电池的制备上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型有机小分子光伏材料，并将其作为给体材料应用在有机太阳能电池领域，以及提供与这种材料对应的有机太阳能电池和制备方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，有机太阳能电池给体材料，其特征在于，其结构式为：
进一步的，本发明还提供一种采用前述的有机太阳能电池给体材料的有机太阳能电池，其受体材料为PC71BM。
本发明还提供一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)活性层材料配置：以CB为溶剂，按照小分子给体材料：受体材料：溶剂＝a毫克：b毫克：c毫升的比例配置混合溶液。其中a为1～20，b为2～60， c为0.1～2；
2)ZnO配置：将a毫克醋酸锌，b毫克乙醇胺，c毫升二甲氧基乙醇同时放置于溶剂瓶中搅拌d小时，最终生成ZnO溶液体积为1～2毫升。其中a为100～ 300，b为30～70，c为1～2，d为12～48。
3)ITO玻璃清洗，干燥，等离子臭氧处理；
4)在步骤3)处理后的ITO玻璃上旋涂ZnO溶液，然后加热退火；
5)将步骤4)处理后的ITO玻璃置于氮气环境下，旋涂活性层材料；
6)在步骤5)处理后的ITO玻璃上的活性层上蒸镀空穴传输层材料MoO3和阴极电极材料Ag；
所述小分子给体材料即前述的有机太阳能电池给体材料。
本发明的有益效果是，采用本发明技术的有机小分子太阳能电池具有较高的的转换效率，特别是，本发明的电池采用倒置结构，这种结构的器件阳极和阴极与传统电池电极位置相反。一般利用ITO作为阴极，而用较高功函数的金属作为阳极，有效避免了电极的氧化及其与PEDOT:PSS直接接触造成的腐蚀。不仅如此这种结构的电池还具有较好的空气稳定性以及器件制备更为便利，而且在倒置结构的电池中，受体在透明导电氧化物一侧具有更高的浓度，因而倒置结构电池在收集电子方面具有天然优势，这很有利于器件的效率提升。
附图说明
图1为有机太阳能电池工作原理图。
图2为本发明中倒置结构的有机太能能电池结构图。
图3为本发明中有机太阳能电池的制备过程图。
图4为材料Z1的J-V曲线图。
图5为材料Z1的薄膜吸收光谱图。
具体实施方式
本发明提供一种新的有机太阳能电池给体材料，选用下述结构的材料(称为材料Z1)：
材料Z1与氧原子连接的烷基侧链碳原子数优选4-8。
本发明还提供了材料Z1的制备方法，包括如下步骤：
将式(Ⅰ)所示化合物与式(Ⅱ)所示化合物混合反应：
反应的温度为25～80℃，优选25℃；
反应的回流时间为24～48小时，优选48小时；
反应所用催化剂为硫酸，有机溶剂相同为乙醇；
将含有材料Z1的混合有机溶液过滤，得到含有目标产物的混合有机物，然后再用乙醇溶液对其进行冲洗，目的是去除剩下的反应原料，洗干净后蒸干溶剂，再将干燥后的混合有机物物溶于二氯甲烷，过色谱硅胶柱提纯反复两到三次既得纯度较高的目标产物。
实施例1：制备材料Z1
化学反应流程如下所示：(具体反应步骤及反应条件参考文献Pascal G.Lacroix*Chem.Mater.1996,8,541-545)。
具体反应步骤和反应条件如下：
在大气氛围下，将干燥的式Ⅱ的材料(108mg,1×10-3mol)和干燥的式(Ⅰ) 的材料(386mg,2×10-3mol)加入到100ml纯度98％的乙醇溶液中，然后加入一滴硫酸作为催化剂，让其在室温条件下反应48小时，将反应既得的含有目标产物的有机溶液过滤，得到含有目标产物的混合有机物，然后再用乙醇溶液对其进行冲洗，目的是去除剩下的反应原料，洗干净后蒸干溶剂，再将干燥的后的目标产物混合物溶于二氯甲烷，过色谱硅胶柱提纯，反复两到三次即可得到高纯度的目标产物，目标产物为暗绿色固体，其产率为80％，Calcd(found)for C 26H 30N 6O 2:C,68.10(67.91)；H,6.59(6.87)；N,18.34(18.17)。1H NMR(in CDCl 3)1.269(m,12H)，3.471(m,8H)，6.310(s,2H)，6.324(d,2H)，7.208(d,2H)，8.534 (s,2H)，12.934(s,2H)。
优选地，式(Ⅰ)所示化合物分别与式(Ⅱ)所示化合物的投料摩尔为2:1～ 10:1，例如3:1,4:1，优选2:1；
优选地，所述反应的温度25～80℃，优选25℃；
优选地，所述反应的回流时间24～48小时，优选48小时；
实施例2：对应的光伏器件的制备
本实施例还提供基于小分子给体材料：PC71BM二元体系的倒置小分子太阳能电池，其结构如图2所示，ITO导电玻璃上依次为阴极电极，电子传输层，活性层，空穴传输层，金属阳极；采用以下工艺制备：
(1)、提前一天配置活性层混合溶液以及电子传输层材料ZnO，配置过程如下：活性层材料配置：
a.称取1.5mg的小分子给体材料和4.5mg受体材料PC71BM，将称取好的给受体材料放入棕色溶剂瓶中；
b.量取150ulCB做溶剂放入经过步骤a的棕色溶剂瓶中。
c.将经过步骤b所得的溶夜在室温下搅拌24小时，最终得给体材料浓度为 10mg/ml的活性层材料150ul。
ZnO配置：
a.称取110mg醋酸锌和31ml乙醇胺于棕色溶液瓶中。
b.量取1ml二甲氧基乙醇放置于步骤a所得的棕色溶液瓶中。
c.将将经过步骤b所得的溶夜在室温下搅拌24小时，最终反应并生成1毫升 ZnO。
(2)、阳极为氧化铟锡(ITO)，方阻为15Ω/cm2.,将ITO导电玻璃先用乙醇预超声，然后依次用洗涤剂水，超纯水，丙酮，异丙醇，乙醇对其进行超声清洗，然后用氮气吹干。
(3)、将吹干的ITO玻璃进行等离子臭氧处理30分钟。
(4)、旋涂电子传输层材料：ZnO，旋涂速度4000rpm，旋涂时间30s，然后将片子放在加热平台上退火1h，退火温度为200℃。
(5)、将退火后的片子放入手套箱氮气环境中旋涂活性层，旋涂速度为6000rpm，旋涂后不退火，放入过渡箱中用氮气吹15分钟。
(6)、最后将涂好活性层的片子放入有机气相沉积系统的蒸镀仓内进行蒸镀步骤如下：
a.放入空穴传输层材料MoO3，阴极电极材料Ag。关闭舱门将真空抽至5×10-4Pa，
b.先蒸镀MoO3，速度为0.5A/s，厚度为10nm。再蒸镀Ag电极，速度为3-5A/s，厚度150nm。器件整个制备过程如图3所示
材料Z1对应的光伏器件性能的测试:
测试设备如下：
光源：光谱分布AM1.5G，光照强度为1000w/m2，Zolix SS150太阳光模拟器；
数据采集设备：由Keithly2400型数字源表进行测量得出J-V曲线(图4)；
通过测试得到本实施例新型红小分子太阳能电池的性能参数如下表所示：

Claims (7)

1.有机太阳能电池给体材料，其特征在于，其结构式为：
2.有机太阳能电池，其特征在于，其给体材料为：
3.如权利要求2所述的有机太阳能电池，其特征在于，其受体材料为PC71BM。
4.如权利要求3所述的有机太阳能电池，其特征在于，包括顺次设置ITO阴极玻璃基板、电子传输层、活性层、空穴传输层和金属阳极层，所述活性层包括给体材料和受体材料。
5.有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)配置活性层材料：以CB为溶剂，按照小分子给体材料：受体材料：溶剂＝a毫克：b毫克：c毫升的比例配置混合溶液，其中a为1～20，b为2～60，c为0.1～2；
2)配置ZnO溶液；
3)ITO玻璃清洗，干燥，等离子臭氧处理；
4)在步骤3)处理后的ITO玻璃上旋涂ZnO溶液，然后加热退火；
5)将步骤4)处理后的ITO玻璃置于氮气环境下，旋涂活性层材料；
6)在步骤5)处理后的ITO玻璃上的活性层上蒸镀空穴传输层材料MoO3和阴极电极材料Ag；
步骤1)中，小分子给体材料的结构式为：
6.如权利要求5所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，a：b＝1:2。
7.如权利要求6所述的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述受体材料为PC71BM。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410042A (zh) * 2016-11-16 2017-02-15 电子科技大学 有机太阳能电池给体材料、有机太阳能电池及其制备方法
CN106953017A (zh) * 2017-01-26 2017-07-14 电子科技大学 基于香豆素及其衍生物的有机太阳能电池及制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410042A (zh) * 2016-11-16 2017-02-15 电子科技大学 有机太阳能电池给体材料、有机太阳能电池及其制备方法
CN106953017A (zh) * 2017-01-26 2017-07-14 电子科技大学 基于香豆素及其衍生物的有机太阳能电池及制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BYUNG-SOON KIM 等: "Effect of phenyl ring substitution on J-aggregate formation ability of novel bisazomethine dyes in vapour-deposited films", 《DYES AND PIGMENTS》 *
JINDO,TAKUMI 等: "The effect of terminal dimethyl and diethyl substituents on the J-aggregate-like molecular arrangement of bisazomethine dye molecules", 《CRYSTENGCOMM》 *
SON,YOUNG-A. 等: "Electro-Optical Properties and X-ray Crystal Structure of a New Bisazomethine Dye", 《MOLECULAR CRYSTALS AND LIQUID CRYSTALS》 *

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