CN115611862A - A-d-a型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层及其制备方法 - Google Patents

A-d-a型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了A‑D‑A型胺基萘酰亚胺类小分子界面层及其制备方法；本发明提供的胺基修饰的萘酰亚胺衍生物阴极界面层具有合成路线简单、产率高、可实现环境友好绿色溶剂加工、合成成本低、具有很好的普适性和重复性等优点。本发明因缺电子萘酰亚胺基团被胺基基团和富电子三苯胺基团双掺杂，从而表现出显著的分子内电荷转移和独特的n型自掺杂特性。这些特性可以增加电子迁移率并降低高稳定性阴极电极金属Ag的功函数，以形成欧姆接触，从而显著提高器件的电子迁移率和器件效率。同时，末端的极性基团也可形成偶极子并赋予材料具有绿色溶剂加工。此外，侧链中的仲胺可与活性层中的F及H等形成氢键，提高界面相容性，改善界面接触。

Description

A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机太阳能电池技术领域，特别是涉及A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法。
背景技术
随着人类社会的不断进步和科学技术的迅猛发展，全球能源需求逐年增加，为了解决能源危机和环境污染等严重威胁到人类未来发展的问题，开发清洁无污染且可再生的能源，如太阳能，潮汐能，风能等，已成为世界上的焦点。其中，太阳能由于成本低廉、取之不尽、用之不竭、可循环利用等优势吸引了研究者们的兴趣。太阳能电池能够把太阳能转化为电能，作为一种利用太阳能的技术，具备良好的前景。随着太阳能应用技术和产业的飞速发展，传统的硅太阳能电池在多个领域已经开始发挥作用，如交通、航天、航海等，但是单晶硅材料成本高，电池的效率也难以再提高，所以无法实现大规模的商业生产。
有机太阳能电池(OSCs)材料选择性大，加工简单，柔性好，半透明并且可通过印刷方式大面积生产，近年来获得了极大的关注，虽然在过去几十年中，有机太阳能电池的研究进展已经取得了巨大的突破，但是目前效率还是较低，器件稳定性较差，主要停留在实验室阶段。有机太阳能电池的结构包括电极、界面层和活性层，在活性层和电极之间引入界面层是降低界面势垒，提高电荷分离和收集效率的有效方法，所以阴极界面材料的选择至关重要。目前阴极界面材料主要分几大类，包括无机类、富勒烯类、水/醇溶性共轭聚合物、超支化聚合物和小分子。
无机类的材料作为阴极界面材料一般是在早期的太阳能电池研究中应用比较广泛如Cs2CO3或者是功函数较低的金属(如Ca和Ba)。然而，低功函数的金属容易在空气中被氧化，所以这类材料在应用中很容易造成太阳能电池器件不稳定，从而造成性能低下。目前用得最多的阴极界面层是半导体金属氧化物(如ZnO，TiO2)，这类电子传输层相对于活泼金属Ca等稳定性更强，还能显著降低太阳能电池对空气中水蒸汽和氧气的敏感性，增加电池寿命，使电池具有较好的稳定性。这类半导体金属化合物具有阻挡空穴、影响光分布和自组装层的作用。但是，由于自身结构的原因，无机氧化物和有机活性层的相容性不是很好，并且能级可调控性小。
相对于无机类的阴极界面层，有机阴极界面层在极性溶剂中具有良好的溶解性，易于实验和工业中的器件制备，而且通过引入不同的基团可获得可控的有机材料，使之与活性层的能级及结晶性能相匹配，能有效地避免无机材料的单一性。有机材料有着易调节的结构适应于与活性层和阴极电极的匹配性，并且可通过结构修饰调控其溶解性能，以及通过改变侧链来调节材料的物理和化学性质。其中有机小分子因其具有制作过程简单，精确的分子量和单分散性等优点在太阳能电池阴极界面层材料中更具吸引力。
最近，A-D-A型小分子共轭电解质被证明是一种成功的策略，最近受到了广泛的关注。A-D-A型结构可以通过选择邻近的D和A单元形成合适的能量排列来适当地调节分子的前线轨道能级。更重要的是，由于强大的偶极-偶极相互作用和有效的分子内电荷转移，A-D-A型小分子显示出优异的电子迁移率和n型自掺杂。这可以促进分子的堆积，从而提高电子传输能力。然而，在OSCs阴极界面层中出现A-D-A型小分子的报道很少。
酰亚胺和胺取代的小分子或聚合物的衍生物由于具有高的电子亲和力和迁移率而在阴极界面层引起了广泛的关注，特别是对于基于萘二酰亚胺和苝二酰亚胺的共轭小分子。在这里，我们开发了两个具有不同胺侧链的低成本、更简单的萘酰亚胺类分子，并与给电子的三苯胺相结合，构造了两种高效低成本A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层。
发明内容
本发明提供了两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法及其在非富勒烯太阳能电池中的应用。通过对萘酰亚胺基进行结构优化，在侧链中引入极性基修饰基团，提高了材料的醇溶性，不仅在界面处形成界面偶极子，降低阴极功函，同时促进受体和阴极形成良好的欧姆接触，从而进一步降低电极与活性层之间的界面势垒，提高载流子迁移率和开路电压。A-D-A型结构可以通过选择邻近的D和A单元形成合适的能量排列来适当地调节分子的前线轨道能级。更重要的是，由于强大的偶极-偶极相互作用和有效的分子内电荷转移。其次，因缺电子萘酰亚胺基团被胺基基团和富电子基团三苯胺双掺杂，从而表现出显著的分子内电荷转移和独特的n型自掺杂特性。这些特性可以增加电子迁移率并降低高稳定性金属Ag的功函数，以形成欧姆接触，从而显著提高器件的电子迁移率和器件效率。此外，TPA(NAN)2侧链中的仲胺可与活性层中的F及H等形成氢键，提高界面相容性，改善界面接触；TPA(NAM)2咪唑中叔胺氮的孤对电子产生了额外的界面偶极，且杂环结构能带来更高的稳定性有利于器件长期使用。
本发明的目的在于提供了A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法及其应用。应用于本发明的两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层制备的非富勒烯太阳能电池器件。
本发明采用的技术方案如下：A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层，其特征在于：具有式1所示的结构，如下：
Figure BDA0003885991450000031
本发明另一种技术方案如下：一种含有式I所示结构的两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：不同侧链的萘酰亚胺小分子NAM和NAN的合成；
(1)称取2mmol反应物4-溴-1,8-萘二甲酸酐与2mmol的1-(3-氨基丙基)咪唑或N'-(3-氨丙基)-N,N'-二甲基-1,3-丙二胺加入反应瓶，搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟；在通N2的情况下，并加入40mL乙醇做溶剂，搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟，开启磁力搅拌器，使反应物充分溶解，再次抽真空5分钟，通N2时间为5分钟；避光反应，于60℃加热搅拌回流2h；
(2)反应完成后，拆卸装置，将反应液避光冷却至室温，旋蒸除去溶剂乙醇，置于真空干燥箱60℃条件下干燥24h，得到NAM和NAN的淡黄色固体粗品；
(3)将粗品用二氯甲烷溶解，并以甲醇作为展开剂点板，用紫外分析仪照射观察，之后进行柱层析对产物进行提纯；将得到的淡黄色液体旋干，放入真空干燥箱干燥24h，将产物刮出，得到NAM淡黄色固体(72％)和NAN(68％)。
步骤二：含不同侧链的吸电子萘酰亚胺小分子与给电子的三苯胺结合，合成A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子TPA(NAM)2和TPA(NAN)2：
(1)称取反应物1mmol的NAM或NAN与0.5mmol的4,4'-二硼酸频呢醇酯三苯胺加入到烧瓶中，再投入500mg的碳酸钾和50mg催化剂Pd(PPh3)4；搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟；在通N2的情况下，用注射器打入20mL的超干甲苯，将各种原料混合，再次抽真空5分钟，通N2时间为5分钟，于110℃加热避光搅拌回流48h；
(2)反应冷却至室温，搭建减压蒸馏装置，将反应液在115℃-120℃减压蒸馏5h，蒸出溶剂甲苯，得到黄棕色液体；
(3)用水和二氯甲烷对其进行萃取，除去水溶物以及催化剂；萃取完成后，放入适量无水硫酸镁除去液体中的残余水分，旋干溶剂，得到粗产物；
(4)粗产物用体积比甲醇：二氯甲烷＝1:4进行柱层析提纯，将得到的液体旋干，放入真空干燥箱中干燥24h，刮出产物，得到黄棕色固体TPA(NAM)2(82％)和TPA(NAN)2(85％)。
本发明另一种技术方案如下：两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的非富勒烯太阳能电池器件，其特征在于：
包括ITO玻璃层、设置在ITO玻璃层上的PEDOT:PSS阳极界面层、设置在PEDOT:PSS阳极界面层上的活性层、设置在活性层上的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层、设置在A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层上的Ag电极层。
本发明的另一种技术方案如下：两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的合成方法，其特征在于：具体合成路线反应方程式II如下：
Figure BDA0003885991450000051
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层材料TPA(NAM)2和TPA(NAN)2，合成工艺简单，仅两步即可得到产物，并可实现高电导率与高电子迁移率、环境友好水/醇溶性加工。
(2)得益于小分子侧链极性修饰基团，提高了材料的醇溶性，不仅在界面处形成界面偶极子，降低阴极功函，同时促进受体和阴极形成良好的欧姆接触，从而进一步降低电极与活性层之间的界面势垒，提高载流子迁移率和开路电压，最终提高电子迁移率和器件效率。
(3)因缺电子萘酰亚胺基团被胺基基团和富电子基团三苯胺双掺杂，从而表现出显著的分子内电荷转移和独特的n型自掺杂特性。这些特性可以增加电子迁移率并改善稳定金属Ag的功函数，以形成欧姆接触，从而显著提高器件的电子迁移率和器件效率。
(4)TPA(NAN)2侧链中的仲胺可与活性层中的F及H等形成氢键，提高界面相容性，改善界面接触；TPA(NAM)2咪唑中叔胺氮的孤对电子产生了额外的界面偶极，且杂环结构能带来更高的稳定性有利于器件长期使用。
(5)A-D-A型结构可以通过选择邻近的D和A单元形成合适的能量排列来适当地调节分子的前线轨道能级。更重要的是，由于强大的偶极-偶极相互作用和有效的分子内电荷转移。
附图说明
图1为本发明的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的结构图。
图2为基于本发明的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的器件结构图。
图3为本发明的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的具体合成路线图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明的反应如附图，具体反应步骤如下：A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的合成步骤：
步骤一：不同侧链的萘酰亚胺小分子NAM和NAN的合成；
(1)称取2mmol反应物4-溴-1,8-萘二甲酸酐与2mmol的1-(3-氨基丙基)咪唑或N'-(3-氨丙基)-N,N-二甲基-1,3-丙二胺加入反应瓶，搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟；在通N2的情况下，并加入40mL乙醇做溶剂，搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟，开启磁力搅拌器，使反应物充分溶解，再次抽真空5分钟，通N2时间为5分钟；避光反应，于60℃加热搅拌回流2h；
(2)反应完成后，拆卸装置，将反应液避光冷却至室温，旋蒸除去溶剂乙醇，置于真空干燥箱60℃条件下干燥24h，得到NAM和NAN的淡黄色固体粗品；
(3)将粗品用二氯甲烷溶解，并以甲醇作为展开剂点板，用紫外分析仪照射观察，之后进行柱层析对产物进行提纯；将得到的淡黄色液体旋干，放入真空干燥箱干燥24h，将产物刮出，得到NAM淡黄色固体(72％)和NAN(68％)。
步骤二：含不同侧链的吸电子萘酰亚胺小分子与给电子的三苯胺结合，合成A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子TPA(NAM)2和TPA(NAN)2：
(1)称取反应物1mmol的NAM或NAN与0.5mmol的4,4'-二硼酸频呢醇酯三苯胺加入到烧瓶中，再投入500mg的碳酸钾和50mg催化剂Pd(PPh3)4；搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟；在通N2的情况下，用注射器打入20mL的超干甲苯，将各种原料混合，再次抽真空5分钟，通N2时间为5分钟，于110℃加热避光搅拌回流48h；
(2)反应冷却至室温，搭建减压蒸馏装置，将反应液在115℃-120℃减压蒸馏5h，蒸出溶剂甲苯，得到黄棕色液体；
(3)用水和二氯甲烷对其进行萃取，除去水溶物以及催化剂；萃取完成后，放入适量无水硫酸镁除去液体中的残余水分，旋干溶剂，得到粗产物；
(4)粗产物用体积比甲醇：二氯甲烷＝1:4进行柱层析提纯，将得到的液体旋干，放入真空干燥箱中干燥24h，刮出产物，得到黄棕色固体TPA(NAM)2(82％)和TPA(NAN)2(85％)。
本发明的有益效果是：本发明提供了两种A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法及其在非富勒烯太阳能电池中的应用。通过对萘酰亚胺基进行结构优化，在侧链中引入极性基修饰基团，提高了材料的醇溶性，不仅在界面处形成界面偶极子，降低阴极功函，同时促进受体和阴极形成良好的欧姆接触，从而进一步降低电极与活性层之间的界面势垒，提高载流子迁移率和开路电压。A-D-A型结构可以通过选择邻近的D和A单元形成合适的能量排列来适当地调节分子的前线轨道能级。更重要的是，由于强大的偶极-偶极相互作用和有效的分子内电荷转移。其次，因缺电子萘酰亚胺基团被胺基基团和富电子基团三苯胺双掺杂，从而表现出显著的分子内电荷转移和独特的n型自掺杂特性。这些特性可以增加电子迁移率并改善稳定金属Ag的功函数，以形成欧姆接触，从而显著提高器件的电子迁移率和器件效率。此外，TPA(NAN)2侧链中的仲胺可与活性层中的F及H等形成氢键，提高界面相容性，改善界面接触；TPA(NAM)2咪唑中叔胺氮的孤对电子产生了额外的界面偶极，且杂环结构能带来更高的稳定性有利于器件长期使用。

Claims (6)

1.A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层，其结构如式Ⅰ所示：
Figure FDA0003885991440000011
2.含有权利要求1所述的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的合成。
3.根据权利要求2所述的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法，其特征在于：具有不同侧链的萘酰亚胺小分子NAM和NAN的合成；
具体步骤为：
(1)称取2mmol反应物4-溴-1,8-萘二甲酸酐与2mmol的1-(3-氨基丙基)咪唑或N'-(3-氨丙基)-N,N'-二甲基-1,3-丙二胺加入反应瓶，并加入40mL乙醇做溶剂，搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟，开启磁力搅拌器，使反应物充分溶解，再次抽真空5分钟，通N2时间为5分钟；避光反应，于60℃加热搅拌回流2h；
(2)反应完成后，拆卸装置，将反应液避光冷却至室温，旋蒸除去溶剂乙醇，置于真空干燥箱60℃条件下干燥24h，得到NAM和NAN的淡黄色固体粗品；
(3)将粗品用二氯甲烷溶解，并以甲醇作为展开剂点板，用紫外分析仪照射观察，之后进行柱层析对产物进行提纯；将得到的淡黄色液体旋干，放入真空干燥箱干燥24h，将产物刮出，得到72％的NAM淡黄色固体和68％的NAN。
4.根据权利要求2所述的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的制备方法，其特征在于：
含不同侧链的吸电子萘酰亚胺小分子与给电子的三苯胺结合，合成A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子TPA(NAM)2和TPA(NAN)2，具体步骤为：
(1)称取反应物1mmol的NAM或NAN与0.5mmol的4,4'-二硼酸频呢醇酯三苯胺加入到烧瓶中，再投入500mg的碳酸钾和50mg催化剂Pd(PPh3)4；搭建回流装置，抽真空3分钟，通N2 5分钟；在通N2的情况下，用注射器打入20mL的超干甲苯，将各种原料混合，再次抽真空5分钟，通N2时间为5分钟，于110℃加热避光搅拌回流48h；
(2)反应冷却至室温，搭建减压蒸馏装置，将反应液在115℃-120℃减压蒸馏5h，蒸出溶剂甲苯，得到黄棕色液体；
(3)用水和二氯甲烷对其进行萃取，除去水溶物以及催化剂；萃取完成后，放入适量无水硫酸镁除去液体中的残余水分，旋干溶剂，得到粗产物；
(4)粗产物用体积比甲醇：二氯甲烷＝1:4进行柱层析提纯，将得到的液体旋干，放入真空干燥箱中干燥24h，刮出产物，得到黄棕色固体TPA(NAM)2(82％)和TPA(NAN)2(85％)。
5.一种根据权利要求1所述的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的非富勒烯太阳能电池器件，其特征在于：
包括ITO玻璃层、设置在ITO玻璃层上的PEDOT:PSS阳极界面层、设置在PEDOT:PSS阳极界面层上的活性层、设置在活性层上的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层、设置在A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层上的Ag电极。
6.一种根据权利要求1所述的A-D-A型胺基萘酰亚胺类小分子阴极界面层的TPA(NAM)2和TPA(NAN)2的合成方法，其特征在于：具体合成路线反应方程式II如下：
Figure FDA0003885991440000031
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