CN110178241B - 光活性层和包括其的有机太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本说明书提供了光活性层和包括其的有机太阳能电池，所述光活性层包含：电子供体；和电子受体，其中所述电子供体包含：单分子材料；和聚合物材料，所述电子供体的含量高于所述电子受体的含量，以及在所述电子供体中，所述单分子材料的含量高于所述聚合物材料的含量。
Description
技术领域
本申请要求分别于2017年5月11日和2018年4月12日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0058710号和第10-2018-0042648号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及光活性层和包括其的有机太阳能电池。
背景技术
有机太阳能电池是可以通过应用光伏效应将太阳能直接转换成电能的装置。根据构成薄膜的材料，可以将太阳能电池分成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晶体硅(Si)(其为无机半导体)经由p-n结而制成。通过吸收光而产生的电子和空穴扩散至p-n结点，并在被电场加速的同时移动至电极。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之比，并且当在目前标准化的虚拟太阳照射条件下测量时，该效率已达到约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应方面的限制，因此容易加工、廉价且具有多种功能性的有机半导体太阳能电池作为长期替代能源已经成为焦点。
对于太阳能电池，重要的是提高效率以便由太阳能输出尽可能多的电能。为了提高太阳能电池的效率，重要的是在半导体内部产生尽可能多的激子，而且将产生的电荷拉至外部而没有损失也很重要。电荷损失的原因之一是由于复合引起的所产生的电子和空穴的耗散。已经提出了各种方法来将所产生的电子和空穴传递至电极而没有损失，但是在大多数情况下需要额外的过程，并因此可能提高制造成本。
发明内容
技术问题
本说明书提供了光活性层和包括其的有机太阳能电池。
技术方案
本说明书的一个示例性实施方案提供了一种光活性层，其包含：电子供体；和电子受体，其中电子供体包含：单分子材料；和聚合物材料，电子供体的含量高于电子受体的含量，以及在电子供体中，单分子材料的含量高于聚合物材料的含量。
本说明书的另一个示例性实施方案提供了一种有机太阳能电池，其包括：第一电极；设置成面向第一电极的第二电极；和具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层设置在第一电极与第二电极之间并且包括光活性层。
有益效果
通过同时使用具有可再现性和简单工艺的单分子材料以及具有优异效率的聚合物材料作为光活性层的电子供体，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在效率、稳定性、可加工性等方面表现出优异的特性。
附图说明
图1是示出根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池的图。
图2是示出所制备的聚合物的凝胶渗透色谱(GPC)的图。
图3是示出本说明书的实施例和比较例中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线的图。
图4是示出对于本说明书的比较例1中制备的有机太阳能电池，VOC、JSC、FF和效率随时间的变化的图。
图5是示出对于本说明书的实施例1中制备的有机太阳能电池，VOC、JSC、FF和效率随时间的变化的图。
图6是示出对于本说明书的实施例2中制备的有机太阳能电池，VOC、JSC、FF和效率随时间的变化的图。
101：基底
102：第一电极
103：空穴传输层
104：光活性层
105：第二电极
具体实施方式
在下文中，将对本说明书进行详细描述。
除非另外具体描述，否则在本说明书中，当一部分“包括”一个构成要素时，这不意指排除另外的构成要素，而是意指还可以包括另外的构成要素。
在本说明书中，当一个构件设置在另一构件“上”时，这不仅包括其中使一个构件与另一构件接触的情况，而且还包括其中在这两个构件之间存在又一构件的情况。
在本说明书中，“括号中的结构”意指()中包括的结构。
在本说明书中，“单元”意指共聚物的单体中包含的重复结构，以及其中单体通过聚合键合至共聚物中的结构。
在本说明书中，“包含单元”的含义意指所述单元包含在聚合物的主链中。
本说明书的一个示例性实施方案提供了光活性层，其包含：电子供体；和电子受体，
其中电子供体包含：单分子材料；和聚合物材料，
电子供体的含量高于电子受体的含量，以及
在电子供体中，单分子材料的含量高于聚合物材料的含量。
在本说明书的一个示例性实施方案中，当电子供体的含量高于电子受体的含量时，存在效率提高的效果。
在本说明书的一个示例性实施方案中，在电子供体中，当单分子材料的含量高于聚合物材料的含量时，存在效率提高的效果。
在本说明书的一个示例性实施方案中，含量的差异可以意指重量的差异。
在本说明书中，“聚合物”意指其中相同结构被重复的材料。即，“聚合物”意指其中存在重复单元的材料。
在本说明书的一个示例性实施方案中，聚合物材料的数均分子量为2,000g/mol至30,000,000g/mol。具体地，聚合物材料的数均分子量为10,000g/mol至3,000,000g/mol。更具体地，聚合物材料的数均分子量为10,000g/mol至100,000g/mol。
在本说明书中，“单分子”意指由一个不具有重复单元的结构构成的材料。
在本说明书的一个示例性实施方案中，单分子材料的分子量为1,000g/mol至10,000,000g/mol。具体地，单分子材料的分子量为1,000g/mol至9,000g/mol。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子供体与电子受体的重量比可以为10∶1至1.1∶1。更具体地，电子供体与电子受体的重量比可以为5∶1至1.1∶1。
当电子供体与电子受体的重量比满足上述范围时，存在效率和稳定性提高的效果。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子供体中的单分子材料的含量高于电子供体中的聚合物材料的含量。具体地，在本说明书的一个示例性实施方案中，电子供体中的单分子材料与聚合物材料的重量比为30∶1至2∶1。更具体地，电子供体中的单分子材料与聚合物材料的重量比为20∶1至5∶1。当单分子材料与聚合物材料的重量比满足上述范围时，存在效率提高的效果。
本说明书中的取代基的实例将在下面进行描述，但不限于此。
术语“取代”意指与化合物的碳原子键合的氢原子变为另外的取代基，并且待取代的位置没有限制，只要该位置是氢原子被取代的位置(即，取代基可以取代的位置)即可，并且当两个或更多个被取代时，两个或更多个取代基可以彼此相同或不同。
在本说明书中，术语“经取代或未经取代的”意指被选自以下的一个或两个或更多个取代基取代：氘；卤素基团；腈基；硝基；酰亚胺基；酰胺基；羰基；酯基；羟基；烷基；环烷基；烷氧基；芳氧基；烷基硫基；芳基硫基；烷基磺酰基；芳基磺酰基；烯基；甲硅烷基；硅氧烷基；硼基；胺基；芳基膦基；氧化膦基；芳基；和杂环基，或者被所例示的取代基中的两个或更多个取代基相连接的取代基取代，或者不具有取代基。例如，“两个或更多个取代基相连接的取代基”可以为联苯基。即，联苯基也可以为芳基，并且可以解释为两个苯基相连接的取代基。
在本说明书中，卤素基团可以为氟、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，但是优选为1至30。
在本说明书中，对于酰胺基，酰胺基的氮可以经氢，具有1至30个碳原子的直链、支化或环状烷基，或者具有6至30个碳原子的芳基取代。
在本说明书中，羰基的碳原子数没有特别限制，但是优选为1至30。
在本说明书中，对于酯基，酯基的氧可以经具有1至25个碳原子的直链、支化或环状烷基或者具有6至30个碳原子的芳基取代。
在本说明书中，烷基可以为直链或支化的，并且其碳原子数没有特别限制，但是优选为1至30。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、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，但是优选具有3至30个碳原子，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，烷氧基可以为直链、支化或环状的。烷氧基的碳原子数没有特别限制，但是优选为1至30。其具体实例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基(isopropoxy)、异丙基氧基(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，胺基可以选自-NH2；烷基胺基；N-芳基烷基胺基；芳基胺基；N-芳基杂芳基胺基；N-烷基杂芳基胺基；和杂芳基胺基，并且其碳原子数没有特别限制，但是优选为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、N-苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、N-苯基甲苯基胺基、三苯基胺基等，但不限于此。
在本说明书中，N-烷基芳基胺基意指其中胺基的N经烷基和芳基取代的胺基。
在本说明书中，N-芳基杂芳基胺基意指其中胺基的N经芳基和杂芳基取代的胺基。
在本说明书中，N-烷基杂芳基胺基意指其中胺基的N经烷基和杂芳基取代的胺基。
在本说明书中，烷基胺基、N-芳基烷基胺基、烷基硫基、烷基磺酰基和N-烷基杂芳基胺基中的烷基与烷基的上述实例相同。具体地，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，以及烷基磺酰基的实例包括甲基磺酰基、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，烯基可以为直链或支化的，并且其碳原子数没有特别限制，但是优选为2至30。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，硼基可以为-BR100R200，并且R100和R200彼此相同或不同，并且可以各自独立地选自氢；氘；卤素；腈基；经取代或未经取代的具有3至30个碳原子的单环或多环环烷基；经取代或未经取代的具有1至30个碳原子的直链或支化烷基；经取代或未经取代的具有6至30个碳原子的单环或多环芳基；以及经取代或未经取代的具有2至30个碳原子的单环或多环杂芳基。
在本说明书中，氧化膦基的具体实例包括二苯基氧化膦基、二萘基氧化膦等，但不限于此。
在本说明书中，芳基可以为单环或多环。
当芳基为单环芳基时，其碳原子数没有特别限制，但是优选为6至30。单环芳基的具体实例包括苯基、联苯基、三联苯基等，但不限于此。
当芳基为多环芳基时，其碳原子数没有特别限制，但是优选为10至30。多环芳基的具体实例包括萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、
基、芴基等，但不限于此。
在本说明书中，芴基可以被取代，并且相邻取代基可以彼此键合以形成环。
当芴基被取代时，芴基可以为
等。然而，芴基不限于此。
在本说明书中，芳氧基、芳基硫基、芳基磺酰基、N-芳基烷基胺基、N-芳基杂芳基胺基和芳基膦基中的芳基与芳基的上述实例相同。具体地，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，以及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，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以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以包含单环芳基、多环芳基、或者单环芳基和多环芳基二者。例如，芳基胺基中的芳基可以选自芳基的上述实例。
在本说明书中，杂环基包含一个或更多个除碳之外的原子，即一个或更多个杂原子，具体地，杂原子可以包括选自O、N、Se、S等中的一个或更多个原子。其碳原子数没有特别限制，但是优选为2至30，并且杂环基可以为单环或多环。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、吡啶基、联吡啶基、嘧啶基、三嗪基、三唑基、吖啶基、哒嗪基、吡嗪基、喹啉基、喹唑啉基、喹喔啉基、酞嗪基、吡啶并嘧啶基、吡啶并吡嗪基、吡嗪并吡嗪基、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(菲咯啉)、噻唑基、异
唑基、
二唑基、噻二唑基、吩噻嗪基、二苯并呋喃基等，但不限于此。
在本说明书中，杂芳基胺基的实例包括经取代或未经取代的单杂芳基胺基、经取代或未经取代的二杂芳基胺基、或者经取代或未经取代的三杂芳基胺基。包含两个或更多个杂芳基的杂芳基胺基可以包含单环杂芳基、多环杂芳基、或者单环杂芳基和多环杂芳基二者。例如，杂芳基胺基中的杂芳基可以选自杂环基的上述实例。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子受体包含富勒烯衍生物。
在本说明书中，“富勒烯衍生物”意指具有一个或更多个其中分子由碳形成的球壳结构的材料。其实例包括：作为具有球壳形状的分子的富勒烯；具有与包含碳的富勒烯键合的无机基团或有机基团的富勒烯衍生物；构成富勒烯或富勒烯衍生物的球壳结构直接键合或通过一种或更多种元素键合的富勒烯衍生物等。
在本说明书的一个示例性实施方案中，富勒烯意指其中碳原子以由五边形和六边形构成的足球形式连接的分子，并且为C60至C90。更具体地，富勒烯为C60。
在本说明书的一个示例性实施方案中，富勒烯衍生物为[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)、[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)、苯基-C61-丁酸胆甾醇酯(PCBCR)、或1'，1”，4'，4”-四氢-二[1，4]亚甲基萘并[1，2：2'，3'，56，60：2”，3”][5，6]富勒烯-C60(ICBA)。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子受体还可以包含非富勒烯系列的有机材料，例如3，9-双(2-亚甲基-(3-(1，1-二氰基亚甲基)-茚酮))-5，5，11，11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2，3-d：2'，3'-d']-s-茚并[1，2-b：5，6-b']二噻吩(ITIC)。
在本说明书的一个示例性实施方案中，单分子材料为由下式1表示的化合物。
[式1]
在式1中，
n1和n2各自为1至3的整数，
当n1和n2为2或更大时，括号中的结构彼此相同或不同，
X1至X7彼此相同或不同，并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或Te，以及
R1至R8、R和R'彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；氘；卤素基团；腈基；硝基；羟基；羰基；酯基；酰亚胺基；酰胺基；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胺基；经取代或未经取代的芳基膦基；经取代或未经取代的氧化膦基；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。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1至R8彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；经取代或未经取代的烷基；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。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1至R8彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；或者经取代或未经取代的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1和R2彼此相同或不同，并且各自独立地为经取代或未经取代的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1和R2彼此相同或不同，并且各自独立地为具有1至30个碳原子的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1和R2彼此相同或不同，并且各自独立地为具有1至20个碳原子的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R1和R2彼此相同或不同，并且各自独立地为具有1至10个碳原子的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R3和R4彼此相同或不同，并且各自独立地为卤素基团。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R3和R4各自为氟。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R5至R8各自为氢。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X1至X7彼此相同或不同，并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'或S，并且R和R'与上述那些相同。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X1至X7彼此相同或不同，并且各自独立地为SiRR'或S，并且R和R'与上述那些相同。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X1至X7彼此相同或不同，并且各自独立地为SiRR'或S，并且R和R'为经取代或未经取代的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X1至X3和X5至X7为S。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X4为SiRR'，并且R和R'为经取代或未经取代的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X4为SiRR'，并且R和R'为具有1至30个碳原子的直链或支化烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X4为SiRR'，并且R和R'为具有1至20个碳原子的直链或支化烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，n1和n2为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，n1和n2为2。
在本说明书的一个示例性实施方案中，n1和n2为3。
在本说明书的一个示例性实施方案中，聚合物材料为包含由下式2表示的单元的共聚物。
[式2]
在式2中，
l为摩尔分数，并且为0＜l≤1的实数，
m为摩尔分数，并且为0＜m≤1的实数，
l+m＝1，
h和i各自为1至3的整数，
当h和i为2或更大时，括号中的结构彼此相同或不同，
n为1至10,000的整数，
a和b各自为1至5的整数，
X11至X14彼此相同或不同，并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或Te，以及
R11至R18、R和R'彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；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；经取代或未经取代的芴基；经取代或未经取代的咔唑基；或经取代或未经取代的杂环基。
根据本说明书的一个示例性实施方案，共聚物的数均分子量为2,000g/mol至30,000,000g/mol。优选地，其数均分子量为10,000g/mol至3,000,000g/mol。更优选地，其数均分子量为10,000g/mol至100,000g/mol。
根据本说明书的一个示例性实施方案，共聚物的分子量分布可以为1至100。优选地，共聚物的分子量分布为1至3。
分子量分布越低且数均分子量越大，电特性和机械特性变得越好，并且优选共聚物的数均分子量为100,000g/mol或更小，使得共聚物具有一定水平或更高水平的溶解度，并因此有利地应用于溶液施加法。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R11至R18彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基；或者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，R11至R18彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；卤素基团；经取代或未经取代的烷基；或者经取代或未经取代的烷氧基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R11至R14各自为氢。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R15和R16彼此相同或不同，并且各自独立地为卤素基团。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R15和R16各自为氟。
在本说明书的一个示例性实施方案中，R17和R18彼此相同或不同，并且各自独立地为经取代或未经取代的烷氧基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X11至X14彼此相同或不同，并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'或S，并且R和R'与上述那些相同。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X11、X13和X14各自为S。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X12为NR，并且R为经取代或未经取代的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X12为NR，并且R为具有1至30个碳原子的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，X12为NR，并且R为具有1至20个碳原子的烷基。
在本说明书的一个示例性实施方案中，l:m为0.2:0.8至0.8:0.2。
在本说明书的一个示例性实施方案中，l:m为0.4:0.6至0.6:0.4。
在本说明书的一个示例性实施方案中，l和m各自为0.5。
在本说明书的一个示例性实施方案中，h和i为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，n为2至10,000的整数。
在本说明书的一个示例性实施方案中，a为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，b为1。
在本说明书的一个示例性实施方案中，共聚物的端基选自氢；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；以及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，共聚物的端基为经取代或未经取代的芳基；或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，共聚物的端基为4-(三氟甲基)苯基。
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；
设置成面向第一电极的第二电极；和
具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层设置在第一电极与第二电极之间并且包括上述光活性层。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池还可以包括另外的有机材料层。有机太阳能电池可以通过使用同时具有多种功能的有机材料来减少有机材料层的数目。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池包括第一电极、光活性层和第二电极。有机太阳能电池还可以包括基底、空穴传输层和/或电子传输层。
在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层包含单分子材料和聚合物材料。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机材料层还包括空穴传输层、空穴注入层、或者同时传输和注入空穴的层。
在另一个示例性实施方案中，有机材料层还包括电子注入层、电子传输层、或者同时注入和传输电子的层。
在本说明书的一个示例性实施方案中，当有机太阳能电池接收来自外部光源的光子时，在电子供体与电子受体之间产生电子和空穴。所产生的空穴通过电子供体传输至正电极。
在本说明书的一个示例性实施方案中，第一电极为正电极，第二电极为负电极。在本说明书的另一个示例性实施方案中，第一电极为负电极，第二电极为正电极。
在本说明书的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池可以基于光源以第一电极、光活性层和第二电极的顺序布置，并且可以基于光源以第二电极、光活性层和第一电极的顺序布置，但布置顺序不限于此。
在另一个示例性实施方案中，在有机太阳能电池中，也可以以正电极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和负电极这种顺序布置，并且还可以以负电极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和正电极这种顺序布置，但布置顺序不限于此。
在本说明书的一个示例性实施方案中，电子供体和电子受体构成本体异质结(BHJ)。
在本说明书中，基底可以为具有优异的透明性、表面平滑度、易操作性和防水特性的玻璃基底或透明塑料基底，但不限于此，并且基底没有限制，只要该基底通常用于有机太阳能电池中即可。其具体实例包括玻璃或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)、三乙酰纤维素(TAC)等，但不限于此。
第一电极可以为透明且具有优异导电性的材料，但不限于此。其实例包括：金属，例如钒、铬、铜、锌和金，或其合金；金属氧化物，例如锌氧化物、铟氧化物、铟锡氧化物(ITO)和铟锌氧化物(IZO)；金属和氧化物的组合，例如ZnO:Al或SnO2:Sb；导电聚合物，例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3，4-(亚乙基-1，2-二氧基)噻吩](PEDOT)、聚吡咯和聚苯胺等，但不限于此。
形成第一电极的方法没有特别限制，但是第一电极可以如下形成：例如通过使用诸如溅射、电子束、热沉积、旋涂、丝网印刷、喷墨印刷、刮刀或凹版印刷的方法将其施加到基底的一个表面上，或者通过以膜的形式将其涂覆。
当在基底上形成第一电极时，可以使第一电极经历清洁、除去水分和亲水改性的过程。
例如，依次用清洁剂、丙酮和异丙醇(IPA)对图案化ITO基底进行清洁，然后在热板上在100℃至150℃下干燥1分钟至30分钟，优选在120℃下干燥10分钟以除去水分，并且当基底被彻底清洁时，对基底的表面进行亲水改性。
通过如上所述的表面改性，接合表面电势可以保持在适用于光活性层的表面电势的水平。此外，在改性期间，可以在第一电极上容易地形成聚合物薄膜，并且薄膜的品质也可以得到改善。
用于第一电极的预处理技术的实例包括a)使用平行平板型放电的表面氧化法，b)在真空状态下通过由使用UV线产生的臭氧使表面氧化的方法，c)使用通过等离子体产生的氧自由基的氧化法等。
可以根据第一电极或基底的状态选择所述方法中的一种。然而，尽管使用任意方法，但优选的是通常防止氧从第一电极或基底的表面分离，并且最大限度地抑制水分和有机材料残留。在这种情况下，可以使预处理的实质效果最大化。
作为一个具体实例，可以使用通过由使用UV产生的臭氧使表面氧化的方法。在这种情况下，将超声清洁之后的图案化ITO基底在热板上烘烤并充分干燥，然后引入到室中，并且可以通过由操作UV灯使氧气与UV光反应而产生的臭氧对图案化ITO基底进行清洁。
然而，在本说明书中图案化ITO基底的表面改性方法不必特别限制，并且可以使用任何方法，只要该方法是使基底氧化的方法即可。
第二电极可以为具有低的功函数的金属，但不限于此。其具体实例包括：金属，例如镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、铝、银、锡和铅，或其合金；以及多层结构的材料，例如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Fe、Al:Li、Al:BaF2和Al:BaF2:Ba，但不限于此。
第二电极可以在显示5×10-7托或更小的真空度的热蒸镀机中沉积并形成，但形成方法不限于这种方法。
用于空穴传输层的材料和/或用于电子传输层的材料用于将从光活性层分离的电子和空穴有效地传递至电极，并且材料没有特别限制。
用于空穴传输层的材料可以为掺杂有聚(苯乙烯磺酸)的聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)(PEDOT：PSS)以及钼氧化物(MoOx)；钒氧化物(V2O5)；镍氧化物(NiO)；钨氧化物(WOx)等，但不限于此。
用于电子传输层的材料可以为电子提取金属氧化物，并且其具体实例包括：8-羟基喹啉的金属配合物；包含Alq3的配合物；包含Liq的金属配合物；LiF；Ca；钛氧化物(TiOx)；锌氧化物(ZnO)；碳酸铯(Cs2CO3)等，但不限于此。
光活性层可以通过以下形成：将光活性材料例如电子供体和/或电子受体溶解在有机溶剂中，然后通过诸如旋涂、浸涂、丝网印刷、喷涂、刮刀和刷涂的方法施加溶液，但形成方法不限于此。
发明实施方式
在以下制备例和实施例中将对光活性层的制备方法和包括其的有机太阳能电池的制造进行详细描述。然而，提供以下实施例用于例示本说明书，并且本说明书的范围不限于此。
制备例1.聚合物的聚合
将13mL氯苯、2，5-双(三甲基甲锡烷基)噻吩(1.2g，2.92mmol)、5，8-二溴-2，3-双(3-(辛氧基)苯基)喹喔啉(0.9905g，1.46mmol)、1，3-二溴-5-十二烷基噻吩并[3，4-c]吡咯-4，6-二酮(0.7018g，1.46mmol)、三(二亚苄基丙酮)二钯(0)(Pd2(dba)3，80mg)和三-(邻甲苯基)膦(106mg)放入微波反应器小瓶中，并使其在170℃的条件下反应1小时。在将混合物冷却至室温并倒入甲醇中之后，过滤固体并使其在甲醇、丙酮、己烷和氯仿中经历索氏提取，然后再使氯仿部分在甲醇中沉淀并滤出固体。
产率：60％
数均分子量：26，300g/mol
重均分子量：78，300g/mol
图2是示出所制备的聚合物的凝胶渗透色谱(GPC)的图。
有机太阳能电池的制造及其特性的测量
实施例1.
通过以下制备第一复合溶液和第二复合溶液：将具有以下结构的单分子(p-DTS(FBTTH2)2，1-Material Co.，Ltd.)和制备例中制备的聚合物各自与PC71BM以3∶2的重量比以2.0重量％的浓度溶解在氯苯(CB)中。将第一复合溶液和第二复合溶液以2.85∶0.15的比率混合，从而制备第三复合溶液使得作为整体的单分子∶聚合物∶PCBM的重量比为2.85∶0.15∶2。在这种情况下，制备具有ITO/ZnO/光活性层/MoO3/Ag结构的有机太阳能电池。使用蒸馏水、丙酮和2-丙醇对涂覆有ITO的玻璃基底进行超声清洁，并用臭氧处理ITO表面10分钟，随后旋涂ZnO并在230℃下热处理1小时。为了涂覆光活性层，将第三复合溶液用0.45μmPP注射器过滤器过滤，然后旋涂，在高真空下通过使用热蒸镀机沉积MoO3，并在其上沉积Ag至厚度为100nm，从而制造有机太阳能电池。
实施例2.
在通过将单分子(p-DTS(FBTTH2)2，1-Material Co.，Ltd.)和制备例中制备的聚合物各自与PCBM以3∶2的重量比以2.0重量％的浓度溶解在氯苯(CB)中制备第一复合溶液和第二复合溶液之后，将第一复合溶液和第二复合溶液混合使得单分子∶聚合物∶PCBM的重量比为2.70∶0.30∶2，从而制备第四复合溶液。以与实施例1中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于将第四复合溶液应用于光活性层。
比较例1.
通过将单分子(p-DTS(FBTTH2)2，1-Material Co.，Ltd.)和PCBM以3∶2的重量比溶解在氯苯(CB)中来制备复合溶液。以与实施例1中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于将该复合溶液应用于光活性层。
比较例2.
通过将聚合物和PCBM以1∶2的重量比溶解在氯苯(CB)中来制备复合溶液。以与实施例1中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于将该复合溶液应用于光活性层。
比较例3.
在通过将单分子(p-DTS(FBTTH2)2，1-Material Co.，Ltd.)和制备例中制备的聚合物各自与PCBM以3∶2的重量比以2.0重量％的浓度溶解在氯苯(CB)中制备第一复合溶液和第二复合溶液之后，将第一复合溶液和第二复合溶液混合使得单分子∶聚合物∶PCBM的重量比为0.15∶2.85∶2，从而制备第五复合溶液。以与实施例1中相同的方式制造有机太阳能电池，不同之处在于将第五复合溶液应用于光活性层。
在100mV/cm2(AM 1.5)的条件(1SUN条件)下对实施例1和2以及比较例1至3中制造的有机太阳能电池的光电转换特性进行测量，并且其结果在下表1中示出。
[表1]
| 光活性层(单分子∶聚合物∶电子受体的重量比) | PCE(％) | |
| 实施例1 | 2.85∶0.15∶2 | 6.75 |
| 实施例2 | 2.70∶0.30∶2 | 6.36 |
| 比较例1 | 3∶0∶2 | 5.11 |
| 比较例2 | 0∶1∶2 | 4.75 |
| 比较例3 | 0.15∶2.85∶2 | 1.98 |
在表1中，PCE意指能量转换效率，并且优选较高的值。
图3是示出本说明书的实施例和比较例中制备的有机太阳能电池的电流-电压曲线的图。
对于实施例和比较例中制造的有机太阳能电池，测量在1SUN条件下效率随时间的变化并对其进行归一化，并且其结果在下表2中示出。
[表2]
| 时间(小时) | 实施例1 | 实施例2 | 比较例1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| 18.5 | 0.51 | 0.59 | 0.43 |
| 43.5 | 0.34 | 0.45 | 0.29 |
| 78.5 | 0.22 | 0.36 | 0.14 |
| 267 | 0.12 | 0.18 | 0.03 |
| 1142 | 0.10 | 0.17 | 0.02 |
图4是示出对于本说明书的比较例1中制备的有机太阳能电池，VOC、JSC、FF和效率随时间的变化的图。在这种情况下，VOC、JSC和FF分别意指开路电压、短路电流和填充因子。
图5是示出对于本说明书的实施例1中制备的有机太阳能电池，VOC、JSC、FF和效率随时间的变化的图。
图6是示出对于本说明书的实施例2中制备的有机太阳能电池，VOC、JSC、FF和效率随时间的变化的图。
从测量结果可以确认，当同时包含单分子和聚合物作为电子供体时，与其中仅包含单分子或聚合物的情况相比，效率和稳定性优异。
Claims (8)
1.一种光活性层，包含：
电子供体；和
电子受体，
其中所述电子供体包含：单分子材料；和聚合物材料，
所述电子供体的含量高于所述电子受体的含量，以及
在所述电子供体中，所述单分子材料的含量高于所述聚合物材料的含量，
其中所述聚合物材料为包含由下式2表示的单元的共聚物：
[式2]
在式2中，
l为摩尔分数，并且为0<l≤1的实数，
m为摩尔分数，并且为0<m≤1的实数，
l+m＝1，
h和i各自为1至3的整数，
当h和i为2或更大时，括号中的结构彼此相同或不同，
n为1至10,000的整数，
a和b各自为1至5的整数，
X11至X14彼此相同或不同，并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或Te，以及
R11至R18、R和R'彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；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；经取代或未经取代的芴基；经取代或未经取代的咔唑基；或经取代或未经取代的杂环基。
2.根据权利要求1所述的光活性层，其中所述电子供体与所述电子受体的重量比为10:1至1.1:1。
3.根据权利要求1所述的光活性层，其中所述电子供体中的所述单分子材料与所述聚合物材料的重量比为30:1至2:1。
4.根据权利要求1所述的光活性层，其中所述电子受体包含富勒烯衍生物。
5.根据权利要求1所述的光活性层，其中所述单分子材料为由下式1表示的化合物：
[式1]
在式1中，
n1和n2各自为1至3的整数，当n1和n2为2或更大时，括号中的结构彼此相同或不同，
X1至X7彼此相同或不同，并且各自独立地为CRR'、NR、O、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或Te，以及
R1至R8、R和R'彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；氘；卤素基团；腈基；硝基；羟基；羰基；酯基；酰亚胺基；酰胺基；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胺基；经取代或未经取代的芳基膦基；经取代或未经取代的氧化膦基；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。
6.一种有机太阳能电池，包括：
第一电极；
设置成面向所述第一电极的第二电极；和
具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层设置在所述第一电极与所述第二电极之间并且包括根据权利要求1至5中任一项所述的光活性层。
7.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其中所述有机材料层还包括空穴传输层、空穴注入层、或者同时传输和注入空穴的层。
8.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其中所述有机材料层还包括电子注入层、电子传输层、或者同时注入和传输电子的层。
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