CN112794861B - 一种端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太阳能电池上的应用 - Google Patents

一种端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太阳能电池上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体公开了一种端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太阳能电池上的应用，所述小分子受体材料的分子结构式如式(I)所示。本发明的小分子受体材料是通过受体端基局部不对称策略构建而成，具有良好的溶解性、稳定性、光电性以及可溶液加工性，可以作为全小分子有机太阳能电池的电子受体材料；相较于对称的电子受体Y6，由本发明的小分子受体材料制备得到的全小分子有机太阳能电池的光电转换效率更高。本发明在有机太阳能电池及相关光伏领域具有极大的应用潜力和价值。

Description

一种端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太 阳能电池上的应用
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太阳能电池上的应用。
背景技术
有机太阳能电池可溶液法加工，可印刷成膜。其原材料来源广泛且廉价，能大幅降低生产成本，最近几年有机太阳能电池已然成为业界研究的热点之一。有机太阳能电池发展迅速，聚合物-小分子体系的效率已经超过18％，但聚合物存在缺点，比如聚合物合成难以控制，对分子量及分子聚合度非常敏感，直接影响有机太阳能电池的光电转化效率。因此，聚合物不宜进行市场化推广。
有机小分子则具备分子结构精确、纯度高、重复率高的优势，更加适合市场化推广。然而，全小分子有机太阳能电池的效率远远不足聚合物-小分子体系，基于Y6的二元器件效率最高仅超过14％，主要是因为活性层相分离形貌还不够优。因此，开发新的受体材料去进一步优化相分离形貌，进而提升其光电转化效率的方法具有巨大的科学影响和现实意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太阳能电池上的应用，运用端基局部不对称策略，解决全小分子有机太阳能电池光电转换效率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种端基局部不对称小分子受体材料，其分子结构式如式(I)所示：
Figure BDA0002885818440000011
式(I)中，X＝Cl，Br，I。
本发明第二方面提供一种用于光伏器件的活性层材料，所述活性层材料含有如第一方面所述的小分子受体材料。
进一步，所述活性层材料还含有电子给体材料。
进一步，所述电子给体材料包括但不限于BTR-C1、BTR、BTQ中的至少一种。
进一步，所述电子给体材料为BTR-C1，BTR-C1的分子结构式如式(II)所示：
Figure BDA0002885818440000021
本发明第三方面提供一种光伏器件，含有如第二方面所述的活性层材料。
进一步，所述光伏器件的结构依次包括：衬底、空穴传输层、包含如第二方面所述活性层材料的活性层、电子传输层及金属电极。
进一步，所述衬底包括透明玻璃和透明导电薄膜。
进一步，所述空穴传输层选自PEDOT：PSS、MoO3中的至少一种。
进一步，所述电子传输层选自Phe-NaDPO、PDINO、PFBr中的至少一种。
进一步，所述空穴传输层的厚度为20-40nm，具体可以为20nm、25nm、30nm、35nm、40nm。
进一步，所述电子传输层的厚度为5-10nm，具体可以为5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm。
进一步，所述活性层的厚度为80-120nm，具体可以为80nm，90nm，100nm，110nm，120nm。
进一步，所述金属电极选自银、铝中的至少一种。
进一步，所述光伏器件为全小分子有机太阳能电池。
本发明中的全小分子是指活性层的给体和受体均为小分子。
本发明第四方面提供如第一方面所述的小分子受体材料和/或如第二方面所述的活性层材料在制备光伏器件中的应用。
进一步，所述光伏器件为全小分子有机太阳能电池。
如上所述，本发明的端基局部不对称小分子受体材料及其在全小分子有机太阳能电池上的应用，具有以下有益效果：
本发明的小分子受体材料是通过受体端基局部不对称策略构建而成，具有良好的溶解性、稳定性、光电性以及可溶液加工性，可以作为全小分子有机太阳能电池的电子受体材料；相较于对称的电子受体Y6，由本发明的小分子受体材料制备得到的全小分子有机太阳能电池的光电转换效率更高。本发明在有机太阳能电池及相关光伏领域具有极大的应用潜力和价值。
附图说明
图1为本发明对比例中和实施例中所使用的电子给体材料BTR-C1的结构示意图。
图2为本发明对比例中所使用的电子受体材料Y6(BTP-4F)的结构示意图。
图3为本发明的全分子有机太阳能电池的结构示意图。
图4为本发明实施例和对比例中的器件在标准测试条件下(AM1.5，100mW/cm2)的电流密度-电压特性曲线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提供了一种受体端基局部不对称策略，用于提升全分子有机太阳能电池的光电转换效率。
基于此，本发明提供一种端基局部不对称小分子受体材料，其分子结构式如式(I)所示：
Figure BDA0002885818440000031
式(I)中，X＝Cl，Br，I。
本发明还提供一种用于光伏器件的活性层材料，含有如式(I)所示的小分子受体材料。
进一步地，所述活性层材料还含有电子给体材料，所述电子给体材料包括但不限于BTR-Cl、IDIC、N3中的至少一种。
本发明还提供一种光伏器件，所述光伏器件的结构依次包括：衬底、空穴传输层、包含如上所述活性层材料的活性层、电子传输层及金属电极。
进一步地，所述衬底包括透明玻璃和透明导电薄膜。
进一步地，所述空穴传输层选自PEDOT：PSS、MoO3中的至少一种。
进一步地，所述电子传输层选自Phe-NaDPO、PDINO、PFBr中的至少一种。
进一步地，所述空穴传输层的厚度为20-40nm，具体可以为20nm、25nm、30nm、35nm、40nm。
进一步地，所述电子传输层的厚度为5-10nm，具体可以为5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm。
进一步地，所述活性层的厚度为80-120nm，具体可以为80nm，90nm，100nm，110nm，120nm。
进一步地，所述金属电极选自银、铝中的至少一种。
本发明实施例中制备的光伏器件均为全小分子有机太阳能电池，其中，全小分子是指活性层的给体和受体均为小分子。
以下实施例及对比例中的太阳能电池均为正向有机太阳能电池，即从下至上依次包括衬底(正极)、空穴传输层、活性层(包含电子受体材料和)、电子传输层及金属电极；其中，正极材料选取Indium tin oxide(ITO)，空穴传输层选取poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrene sulfonate)(PEDOT：PSS)，活性层中的电子给体材料为BTR-Cl(其分子结构式如图1所示)，电子传输层选取phenyl(2-naphthyl)diphenylphosphine oxide(Phe-NaDPO)，负极材料选取Ag。以下实施例及对比例中，ITO是从优选科技公司购得，PEDOT：PSS采用Clevios AL4083，BTR-C1是从1Material Tech Inc购买得到，Phe-NaDPO是从1Material Tech Inc购得；对比例1中，受体材料Y6(BTP-4F)是从瑞讯购得，其分子结构式如图2所示。
实施例1
以BTP-FCl-FCl为小分子受体材料制备一种正向有机太阳能电池器件，BTP-FCl-FCl的分子结构式如下所示：
Figure BDA0002885818440000041
具体制备方法如下：
对透明玻璃及透明导电电极ITO所组成的衬底分别用清洗液去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT：PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT：PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl：BTP-FCl-FCl＝2∶1，17mg/ml，活性层膜厚：≈110nm)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行溶剂退火处理(CF，30s)，再经过热退火处理(120℃/5min)；随后在活性层上上旋涂电子传输层DPO(2000rpm，10s，膜厚5nm)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(膜厚100nm)，制得太阳能电池。
实施例2
以BTP-FBr-FBr为小分子受体材料制备一种正向有机太阳能电池器件，BTP-FBr-FBr的分子结构式如下所示：
Figure BDA0002885818440000051
具体制备方法如下：
对透明玻璃及透明导电电极ITO所组成的衬底分别用清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT：PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT：PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl：BTP-FBr-FBr＝2∶1，17mg/ml，活性层膜厚：≈110nm)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行溶剂退火处理(CF，30s)，再经过热退火处理(120℃/5min)；随后在活性层上上旋涂电子传输层DPO(2000rpm，10s，膜厚5nm)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(膜厚100nm)，制得太阳能电池。
实施例3
以BTP-FI-FI为小分子受体材料制备一种正向有机太阳能电池器件，BTP-FI-FI的分子结构式如下所示：
Figure BDA0002885818440000061
具体制备方法如下：
对透明玻璃及透明导电电极ITO所组成的衬底分别用清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT：PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT：PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl：BTP-FI-FI＝2∶1＝2∶1，17mg/ml，活性层膜厚：≈110nm)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行溶剂退火处理(CF，30s)，再经过热退火处理(120℃/5min)；随后在活性层上上旋涂电子传输层DPO(2000rpm，10s，膜厚5nm)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(膜厚100nm)，制得太阳能电池。
对比例1
以Y6(BTP-4F)为小分子受体材料制备一种正向有机太阳能电池器件，Y6(BTP-4F)的分子结构式如图2所示，器件的具体制备方法如下：
对透明玻璃及透明导电电极ITO所组成的衬底分别用清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；将衬底放入臭氧清洗机中处理15min后，在空气中旋涂空穴传输层材料PEDOT：PSS(4000rpm，20s，膜厚30nm)，随后在空气中进行热退火处理(120℃，10min)，随后将样品传入充满氮气的手套箱中，在PEDOT：PSS空穴传输层上采用旋涂的方法制备活性层(BTR-Cl：BTP-4F＝2∶1，17mg/ml，活性层膜厚：≈110nm)，将得到的活性层薄膜在手套箱中进行溶剂退火处理(CF，30s)，再经过热退火处理(120℃/5min)；随后在活性层上上旋涂电子传输层DPO(2000rpm，10s，膜厚5nm)，然后在电子传输层上蒸镀Ag电极(膜厚100nm)，制得太阳能电池。
实施例1-3及对比例1中制备的正向有机太阳能电池的结构如图3所示。
实施例1-3及对比例1中制得的正向有机太阳能电池的光J-V曲线如图4所示，光J-V光伏性能参数如表1所示：
表1
活性层 V<sub>oc</sub>(mV) J<sub>sc</sub>(mA/cm)<sup>2</sup> FF(％) PCE(％)
实施例1 BTR-Cl：BTP-FCl-FCl 826.8 24.33 75.94 15.27(15.06±0.18)
实施例2 BTR-Cl：BTP-FBr-FBr 842.1 23.22 74.63 14.59(14.34±0.15)
实施例3 BTR-Cl：BTP-FI-FI 846.8 21.76 69.86 12.87(12.68士0.09)
对比例1 BTR-Cl：BTP-4F 838.9 23.34 69.67 13.71(13.55士0.12)
表1中Voc为电压，Jsc为短路电流密度，FF为填充因子，PCE为光电转换效率。
由表1可见，采用小分子电子受体BTP-FCl-FCl和BTP-FBr-FBr制备得到的有机太阳能电池的光电转换效率明显高于对称性电子受体Y6(BTP-4F)，其中实施例1中以BTP-FCl-FCl为电子受体制得的电池效率最高，为15.27％，电压为826.8mV，电流密度为24.33mA/cm2，填充因子为75.94％。
小分子电子受体BTP-FCl-FCl光伏性能更优的原因在于：局部不对称E，Cl双取代BTP-FCl-FCl的平均ESP更大，ESP分布更不无序，使得BTR-Cl给体与BTP-FCl-FCl受体之间形成更强更有序的内建电场，有利于电荷产生和萃取。此外，BTP-FCl-FCl结晶度适宜，结构域尺寸和相分离效果较好，可提升全小分子有机太阳能电池的光电转换效率。
综上所述，相较于对称的电子受体Y6，本发明基于受体端基局部不对称策略得到的电子受体材料具有更加优异的光伏性能，可以与小分子给体形成优异的相分离形貌，由此制得的全小分子有机太阳能电池最高能达到15.27％的光电转换效率。本发明在有机太阳能电池及相关光伏领域具有极大的应用潜力和价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种端基局部不对称小分子受体材料，其特征在于，所述小分子受体材料的分子结构式如式(Ⅰ)所示：
Figure FDA0003319205730000011
式(Ⅰ)中，X＝Cl，Br。
2.一种用于光伏器件的活性层材料，其特征在于：所述活性层材料含有如权利要求1所述的小分子受体材料。
3.根据权利要求2所述的活性层材料，其特征在于：所述活性层材料还含有电子给体材料。
4.根据权利要求3所述的活性层材料，其特征在于：所述电子给体材料选自BTR-Cl、BTR、BQR中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的活性层材料，其特征在于：所述电子给体材料为BTR-Cl，BTR-Cl的分子结构式如式(Ⅱ)所示：
Figure FDA0003319205730000012
6.一种光伏器件，其特征在于：所述光伏器件含有如权利要求2-5任一项所述的活性层材料。
7.根据权利要求6所述的光伏器件，其特征在于，所述光伏器件的结构依次包括：衬底、空穴传输层、包含如权利要求2-5任一项所述活性层材料的活性层、电子传输层及金属电极。
8.根据权利要求7所述的光伏器件，其特征在于：所述衬底包括透明玻璃及透明导电薄膜；
和/或，所述空穴传输层选自PEDOT:PSS、MoO3中的至少一种；
和/或，所述电子传输层选自Phe-NaDPO、PDINO、PFBr中的至少一种；
和/或，所述空穴传输层的厚度为20-40nm；
和/或，所述电子传输层的厚度为5-10nm；
和/或，所述活性层的厚度为80-120nm；
和/或，所述金属电极选自银、铝中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的光伏器件，其特征在于：所述光伏器件为全小分子有机太阳能电池。
10.根据权利要求1所述的小分子受体材料或根据权利要求2-5任一项所述的活性层材料在制备光伏器件中的应用。
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