RU2789132C2 - Conjugated polymer based on substituted benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene and its application in perovskite solar cells - Google Patents

Conjugated polymer based on substituted benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene and its application in perovskite solar cells Download PDF

Info

Publication number
RU2789132C2
RU2789132C2 RU2021104993A RU2021104993A RU2789132C2 RU 2789132 C2 RU2789132 C2 RU 2789132C2 RU 2021104993 A RU2021104993 A RU 2021104993A RU 2021104993 A RU2021104993 A RU 2021104993A RU 2789132 C2 RU2789132 C2 RU 2789132C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polymer
solar cells
perovskite solar
hole
thiophene
Prior art date
Application number
RU2021104993A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021104993A (en
Inventor
Алина Фидарисовна Латыпова
Илья Евгеньевич Кузнецов
Любовь Анатольевна Фролова
Павел Анатольевич Трошин
Сергей Михайлович Алдошин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН)
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" ("Сколтех")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН), Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" ("Сколтех") filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН)
Publication of RU2021104993A publication Critical patent/RU2021104993A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2789132C2 publication Critical patent/RU2789132C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: invention can be used in the manufacture of solar panels. The conjugated polymer based on substituted benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene has the following structure:
Figure 00000011
,
where n=5-200. The use of a conjugated polymer as a hole-transport material in perovskite solar cells is also proposed.
EFFECT: increase in the conversion of solar energy.
2 cl, 7 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к новым органическим соединениям, полупроводниковым материалам на основе этих соединений и их использованию в перовскитных солнечных батареях. Перовскитные солнечные батареи (ПСБ) интенсивно исследуются во всем мире в последние годы и рассматриваются как перспективная технология преобразования солнечной энергии в электрическую. Менее чем за 10 лет эффективность преобразования солнечного света в ПСБ выросла до 25.5%, что близко к параметрам солнечных батарей на основе кристаллического кремния (26.7%).The invention relates to new organic compounds, semiconductor materials based on these compounds and their use in perovskite solar cells. Perovskite solar cells (PSBs) have been intensively studied all over the world in recent years and are considered as a promising technology for converting solar energy into electrical energy. In less than 10 years, the efficiency of converting sunlight into PSB has increased to 25.5%, which is close to the parameters of solar cells based on crystalline silicon (26.7%).

При изготовлении перовскитных солнечных батарей особое внимание уделяется слоям, находящимся между фотоактивным слоем и электродами, поскольку они во многом определяют эффективность и стабильность работы устройств [T.-W. Lee et al., Energy Environ. Sci., 2016, 9, 12-30; C.-Z. Li et al., Chin. Chem. Lett., 2017, 28, 503-511]. Эти буферные слои представлены электрон-транспортными и дырочно-транспортными материалами, способными селективно извлекать из перовскитного слоя, соответственно, отрицательные и положительные носители зарядов, и обеспечивать их эффективный транспорт к соответствующим электродам в устройстве.In the manufacture of perovskite solar cells, special attention is paid to the layers located between the photoactive layer and the electrodes, since they largely determine the efficiency and stability of the devices [T.-W. Lee et al., Energy Environ. Sc., 2016, 9, 12-30; C.-Z. Li et al., Chin. Chem. Lett., 2017, 28, 503-511]. These buffer layers are represented by electron-transport and hole-transport materials capable of selectively extracting negative and positive charge carriers, respectively, from the perovskite layer and ensuring their efficient transport to the corresponding electrodes in the device.

В большинстве случаев в качестве дырочно-транспортного материала используют соединение spiro-OMeTAD, 2,2',7,7'-тетракис[N,N-di(4-метоксифенил)амино]-9,9'-спиробифлуорен (Фиг. 1) [Y. Qi et al., Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1700623]. Однако spiro-OMeTAD обладает плохими зарядово-транспортными свойствами и потому требует легирования (допирования) с помощью, например, кислорода и дополнительных реагентов, таких как LiTFSI (бис(трифторсульфон)имид лития) и tBuPy (4-трет-бутилпиридина) [A. Sellinger et al., Chem. Sci., 2019, 10, 1904]. Как сам процесс допирования, так и использование LiTFSI и tBuPy, отрицательным образом влияют на стабильность перовскитных солнечных батарей; в частности, катион-радикалы spiro-OMeTAD способны окислять анионы Т в активном слое, приводя к его разложению [Т. Miyasaka et al., J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2219; C. Adachi et al., Sol. RRL, 2020, 4, 2000305; G. Chen et al., J. Renew. Sust. Energy, 2018, 10, 043702]. Кроме того, spiro-OMeTAD является низкомолекулярным соединением, способным к кристаллизации при повышенных температурах, что приводит к потере целостности его пленок и выходу солнечных элементов из строя.In most cases, spiro-OMeTAD, 2,2',7,7'-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene is used as a hole transport material (Fig. 1 ) [Y. Qi et al., Adv. mater. Interfaces, 2018, 5, 1700623]. However, spiro-OMeTAD has poor charge-transport properties and therefore requires doping (doping) with, for example, oxygen and additional reagents such as LiTFSI (lithium bis(trifluorosulfone)imide) and tBuPy (4-tert-butylpyridine) [A. Sellinger et al., Chem. Sci., 2019, 10, 1904]. Both the doping process itself and the use of LiTFSI and tBuPy negatively affect the stability of perovskite solar cells; in particular, spiro-OMeTAD radical cations are capable of oxidizing T anions in the active layer, leading to its decomposition [T. Miyasaka et al., J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2219; C. Adachi et al., Sol. RRL, 2020, 4, 2000305; G. Chen et al., J. Renew. Sust. Energy, 2018, 10, 043702]. In addition, spiro-OMeTAD is a low molecular weight compound capable of crystallization at elevated temperatures, which leads to the loss of the integrity of its films and the failure of solar cells.

С учетом вышесказанного, остро встает проблема разработки принципиально новых дырочно-транспортных материалов, причем на основе аморфных полимерных соединений. Эта задача отчасти решается использованием полимерных ароматических аминов, таких как РТАА -поли[бис(4-фенил)(2,4.6-триметилфенил)амина (Фиг. 2). Однако этот полимер имеет несопряженную структуру, потому отличается низкой подвижностью носителей зарядов и плохо работает в перовскитных солнечных батареях без допирования: КПД преобразования света обычно не превышает 13% [С.Jia et al., Energy Environ. Sci., 2018, 11, 2035]. Более высокие к.п.д. достигаются путем допирования полимера, например, кислородом воздуха [J. Fang et al., Adv. Sci., 2018, 5, 1800159], что также плохо влияет на стабильность работы устройств. Таким образом, использование полимерных ароматических аминов, таких как РТАА, не решает проблему создания эффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов. Решение этой проблемы требует получения и использования сопряженных полимерных структур, обладающих хорошими дырочно-транспортными свойствами без дополнительного допирования.In view of the foregoing, there is an acute problem of developing fundamentally new hole-transport materials based on amorphous polymer compounds. This problem is partly solved by using polymeric aromatic amines such as PTAA-poly[bis(4-phenyl)(2,4.6-trimethylphenyl)amine (FIG. 2). However, this polymer has a non-conjugated structure, therefore, it has a low mobility of charge carriers and does not work well in undoped perovskite solar cells: the light conversion efficiency usually does not exceed 13% [C. Jia et al., Energy Environ. Sci., 2018, 11, 2035]. Higher efficiency achieved by doping the polymer, for example, with atmospheric oxygen [J. Fang et al., Adv. Sci., 2018, 5, 1800159], which also has a bad effect on the stability of devices. Thus, the use of polymeric aromatic amines such as PTAA does not solve the problem of creating efficient and stable perovskite solar cells. Solving this problem requires obtaining and using conjugated polymer structures with good hole-transport properties without additional doping.

В данном изобретении предлагается применение нового сопряженного полимера Р1 на основе бензодитиофена, 5,6дифторбензо[с][1,2,5]тиадиазола и тиофена следующего строения:This invention proposes the use of a new conjugated polymer P1 based on benzodithiophene, 5,6difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene of the following structure:

Figure 00000001
Figure 00000001

где n=5-200,where n=5-200,

в качестве дырочно-транспортного материала в перовскитных солнечных батареях. Повторяющееся звено полимера Р1 состоит из следующих блоков: электронодонорного 4,8-бис(4-децил-5-((2-этилгексил)тио)тиофен-2-ил)-2,6-бис(3'-(2-гексилдецил)-[2,2'-битиофен]-5-ил)бензо[1,2-b:4,5-b']дитиофена чередующегося с электроноакцепторным 2,5-бис(5,6-дифторбензо[с][1,2,5] тиадиазол-4-ил)тиофеном, связанных по положениям 7 и 7' бензотиадиазольных фрагментов и положениям 5' и 5'' переферийных тиофеновых звеньев битиофеновых фрагментов. Длина полимерной цепи может варьироваться в пределах от 5 до 200 звеньев (Фиг. 3).as a hole-transport material in perovskite solar cells. The repeating unit of polymer P1 consists of the following blocks: )-[2,2'-bithiophen]-5-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene alternating with electron-withdrawing 2,5-bis(5,6-difluorobenzo[c][1 ,2,5] thiadiazol-4-yl)thiophene linked at positions 7 and 7' of the benzothiadiazole moieties and positions 5' and 5'' of the peripheral thiophene units of the bithiophene moieties. The polymer chain length can vary from 5 to 200 units (FIG. 3).

Использование полимера Р1 в составе перовскитных солнечных батарей в качестве дырочно-транспортного слоя позволяет:The use of polymer P1 in the composition of perovskite solar cells as a hole-transport layer allows:

• сформировать сплошные изолирующие дырочно-транспортные покрытия поверх зернистого фотоактивного материала, предотвращая его реакцию с металлом верхнего электрода;• form continuous insulating hole-transport coatings over the granular photoactive material, preventing its reaction with the metal of the upper electrode;

• обеспечить эффективный транспорт положительных носителей зарядов (дырок) к верхнему дырочно-собирающему электроду устройства;• ensure efficient transport of positive charge carriers (holes) to the upper hole-collecting electrode of the device;

• Обеспечить высокую эффективность перовскитных солнечных элементов (КПД>18%) без допирования дырочно-транспортного слоя.• Ensure high efficiency of perovskite solar cells (efficiency>18%) without doping the hole-transport layer.

Полимер Р1 был получен по стандартной реакции поликонденсации Стилле в соответствии со схемой, представленной на Фиг. 4. Реакция поликонденсации Стилле широко используется для синтеза материалов для органической электроники, в частности, сопряженных полимеров для органических солнечных батарей [Н. Mori, R. Takahashi, К. Hyodo, S. Nishinaga, Y. Sawanaka, and Y. Nishihara, Macromolecules 2018, 51, 1357-1369; C. Gu, D. Liu, J. Wang, Q. Niu, C. Gu, B. Shahid, B. Yu, H. Cong and R. Yang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2371-2378].Polymer P1 was prepared by a standard Stille polycondensation reaction according to the scheme shown in FIG. 4. The Stille polycondensation reaction is widely used for the synthesis of materials for organic electronics, in particular, conjugated polymers for organic solar cells [N. Mori, R. Takahashi, K. Hyodo, S. Nishinaga, Y. Sawanaka, and Y. Nishihara, Macromolecules 2018, 51, 1357-1369; C. Gu, D. Liu, J. Wang, Q. Niu, C. Gu, B. Shahid, B. Yu, H. Cong and R. Yang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2371-2378].

Полимер был очищен от низкомолекулярных соединений в аппарате Сокслета последовательной промывкой ацетоном, гептаном, хлористым метиленом и хлорбензолом. Высокомолекулярная фракция, полученная из хлорбензола, использовалась для дальнейших исследований. Средневесовая молекулярная масса полимера составила 246000 г/моль, а коэффициент полидисперсности - 2.7. Полимер Р1 хорошо растворим во многих органических растворителях, таких как хлорбензол, толуол и 1,2-дихлорбензол, что указывает на перспективы его дальнейшего использования.The polymer was purified from low molecular weight compounds in a Soxhlet apparatus by sequential washing with acetone, heptane, methylene chloride, and chlorobenzene. The high molecular weight fraction obtained from chlorobenzene was used for further research. The weight average molecular weight of the polymer was 246,000 g/mol, and the polydispersity coefficient was 2.7. Polymer P1 is readily soluble in many organic solvents, such as chlorobenzene, toluene, and 1,2-dichlorobenzene, which indicates the prospects for its further use.

Важной особенностью нового полимера Р1 являются его хорошие оптоэлектронные характеристики. Из данных циклической вольтамперометрии был определен потенциал подъема волны окисления полимера (отн. пары Fc/Fc+, EFc/Fc+=-4,8 эВ), из которого оценена энергия высшей занятой молекулярной орбитали ВЗМО полимера Р1 как -5.4 эВ. Энергия низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО) была рассчитана как Eg optВЗМО (эВ) и составила -3.7 эВ. Энергия ВЗМО для Р1 очень хорошо соответствует положению валентной зоны перовскитного материала (-5,4 эВ) [Q. Chen, N. De Marco, Y. Yang, Т.-В. Song, С.-С. Chen, H. Zhao, Z. Hong, Н. Zhou, Y. Yang Nano Today 2015, 10, 355], что должно обеспечивать эффективную экстракцию положительных носителей заряда. Материалы с подобными характеристиками являются оптимальными для использования в перовскитных солнечных батареях в качестве дырочно-транспортных слоев.An important feature of the new P1 polymer is its good optoelectronic characteristics. From the data of cyclic voltammetry, the rise potential of the polymer oxidation wave was determined (relative to the Fc/Fc + pair, E Fc / Fc+ = -4.8 eV), from which the energy of the highest occupied molecular orbital of the polymer Р1 HOMO was estimated as -5.4 eV. The energy of the lowest free molecular orbital (LUMO) was calculated as E g opt -E HOMO (eV) and amounted to -3.7 eV. The HOMO energy for P1 corresponds very well to the position of the valence band of the perovskite material (-5.4 eV) [Q. Chen, N. De Marco, Y. Yang, T.-W. Song, S.-S. Chen, H. Zhao, Z. Hong, N. Zhou, Y. Yang Nano Today 2015, 10, 355], which should ensure efficient extraction of positive charge carriers. Materials with similar characteristics are optimal for use in perovskite solar cells as hole-transport layers.

Конструкция перовскитной солнечной батареи классического типа (n-i-p структура) с применением полимера Р1 в качестве дырочно-транспортного слоя представлена на Фиг. 5. Она состоит из прозрачной электропроводящей подложки на основе оксида индия, легированного оловом (ITO), которая также является электрон-собирающим электродом 0, электрон-селективного слоя 1, фотоактивного слоя 2, дырочно-транспортного слоя 3, представленного пленкой полимера Р1, электрон-блокирующего слоя 4 и верхнего дырочно-собирающего электрода 5.The design of a perovskite solar cell of the classical type (n-i-p structure) using polymer P1 as a hole-transport layer is shown in Fig. 5. It consists of a transparent electrically conductive substrate based on indium oxide doped with tin (ITO), which is also an electron-collecting electrode 0, an electron-selective layer 1, a photoactive layer 2, a hole-transport layer 3, represented by a polymer film P1, an electron -blocking layer 4 and upper hole-collecting electrode 5.

Электрон-селективный слой, предназначенный для блокирования дырок и переноса электронов из активного слоя солнечной батареи на электродный слой 0. В состав электрон-селективного слоя могут входить оксиды металлов TiO2, SnO2, ZnO, In2O3, WO3, CeO2, Zn2SnO4, Nb2O5, Zn2Ti3O8, BaSnO3, BaTiO3, SrSnO3 и др., халькогениды металлов CdS, CdSe, PbS, PbSe, PbTe, ZnS, ZnSe, Sb2S3, Bi2S3, In2S3, MnS, SnS, SnS2, органические соединения из ряда карбоновых и фосфоновых кислот, производные фуллеренов, производные перилендиимида, нафталиндиимида, аценов, оксидиазолов, и любых органических полупроводников n-типа. Толщина электрон-селективного слоя может составлять от 1 до 200 нм.An electron-selective layer designed to block holes and transfer electrons from the active layer of the solar battery to the electrode layer 0. The electron-selective layer may include metal oxides TiO 2 , SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 , WO 3 , CeO 2 , Zn 2 SnO 4 , Nb 2 O 5 , Zn 2 Ti 3 O 8 , BaSnO 3 , BaTiO 3 , SrSnO 3 and others, metal chalcogenides CdS, CdSe, PbS, PbSe, PbTe, ZnS, ZnSe, Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3 , In 2 S 3 , MnS, SnS, SnS 2 , organic compounds from a number of carboxylic and phosphonic acids, fullerene derivatives, derivatives of perylenediimide, naphthalenediimide, acenes, oxydiazoles, and any n-type organic semiconductors. The thickness of the electron selective layer can be from 1 to 200 nm.

Фотоактивный слой 2 представляет собой любой перовскитный полупроводниковый материал общей формулы АВХ3, где А - одновалентный катион, В - Sn2+, Pb2+, X - атом галогена (Br-, I-). Предпочтительными органическими катионами А являются метиламмоний (MA) - CH3NH3 + и формамидиний (FA) - [H2NCHNH2]+. Предпочтительным неорганическим катионом является Cs+. Возможны также варианты состава фотоактивного слоя, где используются комбинации органических катионов и атомов галогена. Например, MAxFA1-xPbIyBr3-y, где х=0÷1, у=0÷3. Изменение индексов х и у может оказывать влияние на эффективность и стабильность устройств. Наиболее предпочтительным составом фотоактивного слоя является Cs0.12FA0.88PbI3. Толщина фотоактивного слоя может составлять от 100 до 1000 нм.The photoactive layer 2 is any perovskite semiconductor material of the general formula ABX 3 , where A is a monovalent cation, B is Sn 2+ , Pb 2+ , X is a halogen atom (Br - , I - ). Preferred organic cations And are methylammonium (MA) - CH 3 NH 3 + and formamidinium (FA) - [H 2 NCHNH 2 ] + . The preferred inorganic cation is Cs + . Variants of the composition of the photoactive layer are also possible, where combinations of organic cations and halogen atoms are used. For example, MA x FA 1-x PbI y Br 3-y , where x=0÷1, y=0÷3. Changing the x and y indices can affect the performance and stability of devices. The most preferred composition of the photoactive layer is Cs 0.12 FA 0.88 PbI 3 . The thickness of the photoactive layer can be from 100 to 1000 nm.

Дырочно-транспортный слой 3 представлен пленкой сопряженного полимера Р1 толщиной от 5 до 100 нм.The hole-transport layer 3 is represented by a film of conjugated polymer P1 with a thickness of 5 to 100 nm.

Электрон-блокирующий слой 4 представлен оксидами металлов р-типа, такими как МоО3 или МоОх (х~3), V2O5 или VOx (х~2.5), CuOx (х=0.5-1.0) толщиной от 1 до 100 нм.The electron-blocking layer 4 is represented by p-type metal oxides, such as MoO 3 or MoO x (x~3), V 2 O 5 or VO x (x~2.5), CuO x (x=0.5-1.0) with a thickness of 1 up to 100 nm.

Дырочно-собирающий электрод 5 толщиной от 30 до 300 нм может быть полупрозрачным или непрозрачным для излучения видимого спектрального диапазона. Полупрозрачный дырочно-собирающий электрод может быть изготовлен с использованием прозрачных электропроводящих оксидов: оксида индия, легированного оловом, оксида олова, легированного фтором, оксида цинка, легированного алюминием и других проводящих оксидов. В качестве полупрозрачных электродных материалов могут также быть использованы пленки электропроводящих полимеров, таких как PEDOT:PSS полиэтилендиокситиофен:полистиролсульфонат, полианилины и полипирролы. Кроме того, полупрозрачные электроды могут формироваться на основе металлов, т.е. использоваться металлические микросетки, нанопроволоки и ультратонкие пленки золота, серебра, меди, никеля, алюминия или других металлов. Полупрозрачный электрод также может быть изготовлен на основе углеродных материалов: графена, углеродных нанотрубок, нановолокон и др. В качестве полупрозрачного электродного слоя могут быть использованы как индивидуальные материалы из перечисленных выше, так и любые их комбинации. Для формирования непрозрачного дырочно-собирающего электрода могут быть использованы пленки металлов (например, Ag, Cu, Ni, Cr, Al, Au, Pt, и др.) или их сплавов (нихром, хромель и др.), а также другие материалы, обладающие свойствами металлов или полуметаллов (например, нитрид титана, графит, разные варианты сажи).The hole-collecting electrode 5 with a thickness of 30 to 300 nm may be translucent or opaque for visible spectral radiation. The translucent hole-collecting electrode can be made using transparent electrically conductive oxides: tin-doped indium oxide, fluorine-doped tin oxide, aluminum-doped zinc oxide, and other conductive oxides. Films of electrically conductive polymers such as PEDOT:PSS polyethylenedioxythiophene:polystyrenesulfonate, polyanilines and polypyrroles can also be used as translucent electrode materials. In addition, translucent electrodes can be formed on the basis of metals, i.e. metal microgrids, nanowires and ultra-thin films of gold, silver, copper, nickel, aluminum or other metals are used. A translucent electrode can also be made on the basis of carbon materials: graphene, carbon nanotubes, nanofibers, etc. As a translucent electrode layer, both individual materials from the above, and any combination of them can be used. To form an opaque hole-collecting electrode, films of metals (for example, Ag, Cu, Ni, Cr, Al, Au, Pt, etc.) or their alloys (nichrome, chromel, etc.), as well as other materials, can be used, having the properties of metals or semi-metals (for example, titanium nitride, graphite, various soot options).

Перовскитная солнечная батарея с использованием полимера Р1 в качестве дырочно-транспортного слоя показала следующие характеристики:A perovskite solar cell using polymer P1 as a hole-transport layer showed the following characteristics:

Напряжение холостого хода: 1093 мВ;Open circuit voltage: 1093 mV;

Плотность тока короткого замыкания: 23.4 мА/см2;Short circuit current density: 23.4 mA/cm 2 ;

Факторы заполнения: 77%;Fill factors: 77%;

Эффективность (КПД) преобразования света: 19.7%Efficiency (COP) of light conversion: 19.7%

Референсное устройство, изготовленное с использованием РТАА в качестве материала дырочно-транспортного слоя в тех же условиях, показало худшие характеристики:The reference device fabricated using PTAA as the hole transport layer material under the same conditions showed the worst performance:

Напряжение холостого хода: 1070 мВ;Open circuit voltage: 1070 mV;

Плотность тока короткого замыкания: 22.1 мА/см2;Short circuit current density: 22.1 mA/cm 2 ;

Факторы заполнения: 72%;Fill factors: 72%;

Эффективность (КПД) преобразования света: 17.1%Efficiency (COP) of light conversion: 17.1%

Вольтамперная характеристика для перовскитной солнечной батареи с использованием полимера Р1 представлены на Фиг. 6.The current-voltage characteristic for a perovskite solar cell using polymer P1 is shown in FIG. 6.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами.The present invention is illustrated by the following examples.

Пример 1. Синтез полимера Р1 В трехгорлую колбу на 50 мл помещали мономеры M1 (210 мг; 0,155 ммоль), М2 (193 мг; 0,155 ммоль), катализатор Pd2(dba)3, где dba - дибензилиденацетон (5 мг; 0,005 ммоль), дополнительный лиганд три(о-толил) фосфин (5 мг; 0,015 ммоль) и толуол (20 мл). Трижды дегазировали реакционную массу и заполняли аргоном. Колбу погружали в масляную баню и нагревали до 110°С, после чего начинали контролировать реакцию методом гель-проникающей хроматографии (ГПХ) каждый 30 минут. При достижении Mw~200000 г/моль (требуется обычно 4-5 ч) останавливали реакцию путем последовательного введения в реакционную смесь триметил(тиофен-2-ил) станнана и бромтиофена с промежутком в 30 минут. Затем реакционную массу выливали в метанол (50 мл), выпавший в осадок полимер отфильтровывали на воронке Бюхнера и сушили в вакуумном эксикаторе. После этого растворяли полимер в 1,2-дихлорбензоле (40 мл) при перемешивании в течении 3-х часов при 90°С. Далее выливали раствор полимера в изопропанол (300 мл) и фильтровали выпавший в осадок полимер через гильзу для экстракции. Затем гильзу с полимером помещали в аппарат Сокслета и последовательно промывали ацетоном, хлористым метиленом и хлорбензолом. Хлорбензольную фракцию упаривали до объема 20 мл и высаживали изопропанолом (150 мл). Осадок отделяли на воронке Бюхнера и сушили в вакуумном эксикаторе. Масса хлорбензольной фракции составила 248 мг, выход полимера Р1 - 78%. Анализ очищенного полимера проводили на ГПХ колонке в сравнении с серией стандартов F8BT (поли[(9,9-ди-n-октилфлуоренил-2,7-диил)@(бензо[2,1,3] тиадиазол-4,8-диил)]). Средневесовая молекулярная масса составила Mw=206000 г/моль, индекс полидисперсности PDI=2.3.Example 1. Synthesis of polymer P1 Monomers M1 (210 mg; 0.155 mmol), M2 (193 mg; 0.155 mmol), catalyst Pd 2 (dba) 3 were placed in a 50 ml three-necked flask, where dba is dibenzylideneacetone (5 mg; 0.005 mmol ), additional ligand tri(o-tolyl)phosphine (5 mg; 0.015 mmol) and toluene (20 ml). The reaction mass was degassed three times and filled with argon. The flask was immersed in an oil bath and heated to 110°C, after which the reaction was monitored by gel permeation chromatography (GPC) every 30 minutes. When Mw ~ 200000 g/mol was reached (usually 4-5 h is required), the reaction was stopped by sequentially introducing trimethyl(thiophen-2-yl) stannan and bromothiophene into the reaction mixture with an interval of 30 minutes. Then the reaction mass was poured into methanol (50 ml), the precipitated polymer was filtered off on a Buchner funnel and dried in a vacuum desiccator. After that, the polymer was dissolved in 1,2-dichlorobenzene (40 ml) with stirring for 3 hours at 90°C. The polymer solution was then poured into isopropanol (300 ml) and the precipitated polymer was filtered through an extraction thimble. Then the sleeve with the polymer was placed in a Soxhlet apparatus and washed successively with acetone, methylene chloride, and chlorobenzene. The chlorobenzene fraction was evaporated to a volume of 20 ml and precipitated with isopropanol (150 ml). The precipitate was separated on a Buchner funnel and dried in a vacuum desiccator. The weight of the chlorobenzene fraction was 248 mg, the yield of polymer P1 was 78%. The analysis of the purified polymer was carried out on a GPC column in comparison with a series of F8BT standards (poly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)@(benzo[2,1,3]thiadiazole-4,8-diyl )]). The weight average molecular weight was M w =206000 g/mol, polydispersity index PDI=2.3.

Пример 2. Изготовление перовскитной солнечной батареи с применением полимера Р1 в качестве дырочно-транспортного слоя.Example 2. Manufacture of a perovskite solar cell using polymer P1 as a hole-transport layer.

Перовскитная солнечная батарея имеет конструкцию, представленную на Фиг. 5. Для изготовления солнечной батареи были использованы стекла (25x25 мм) с нанесенной пленкой проводящего оксида индия, легированного оксидом олова (ITO) с сопротивлением 10-12 Ом/ и толщиной проводящего слоя до 125 нм. Подложки были отмыты последовательно в дистиллированной воде, толуоле (осч) и ацетоне (осч), а затем очищены в воде, ацетоне (осч) и изопропаноле (осч) с помощью ультразвука. Непосредственно перед нанесением зарядово-транспортных слоев, подложки были дополнительно выдержаны в плазме воздуха в течение 5 мин. На очищенные подложки был нанесен раствор прекурсора SnO2 (50 мкл), приготовленный разбавлением 15% водной коллоидной дисперсии SnO2 (Alfa-Aesar) в 1,5 раза дистиллированной водой, при скорости вращения подложки 4000 об/мин в течение 40 секунд. Далее пленки были прогреты при 175°С на воздухе в течение 15 мин и затем еще 10 мин при 120°С в инертной атмосфере азота в перчаточном боксе. Пленки SnO2 пассивировали нанесением раствора фенил-С61-масляной кислоты (0,1 мг/мл) в хлорбензоле (3500 об/мин, 30 с) с последующим отжигом при 100°С в течение 10 мин. Пленки перовскита MAPbI3 были нанесены методом центрифугирования из 1,4 М раствора предшественника (йодид метиламмония и PbI2 в эквимолярных соотншениях, 60 мкл) в смеси N,N-диметилацетамида и N-метил пирролидона в соотношении 4:1 по объему при 4000 об/мин. Через 10 секунд после нанесения указанного раствора на вращающуюся подложку выливали 120 мкл толуола, что вызывало ускоренную кристаллизацию перовскита. Затем пленки выкладывали на притку при 50°С, нагревали до 100°С и выдерживали при этой температуре в течение 5 мин в инертной атмосфере азота. Раствор полимера Р1 (6 мг/мл в хлорбензоле), наносили центрифугированием на пленки MAPbI3 при 1000 об/мин. Электрон-блокирующий слой (30 нм V2O5) и дырочно-собирающий электрод (120 нм Ag) наносили испарением исходных веществ в вакууме (106 мм.рт.ст).The perovskite solar cell has the design shown in FIG. 5. Glasses (25x25 mm) with a deposited film of conductive indium oxide doped with tin oxide (ITO) with a resistance of 10-12 Ohm/ and a thickness of the conductive layer up to 125 nm were used for the manufacture of the solar battery. The substrates were washed sequentially in distilled water, toluene (high purity), and acetone (high purity), and then purified in water, acetone (high purity), and isopropanol (high purity) using ultrasound. Immediately before applying the charge-transport layers, the substrates were additionally kept in air plasma for 5 min. The cleaned substrates were coated with a SnO 2 precursor solution (50 µl) prepared by diluting a 15% aqueous colloidal dispersion of SnO 2 (Alfa-Aesar) 1.5 times with distilled water at a substrate rotation speed of 4000 rpm for 40 seconds. Next, the films were heated at 175°С in air for 15 min and then for another 10 min at 120°С in an inert nitrogen atmosphere in a glove box. The SnO 2 films were passivated by applying a solution of phenyl-C 61 -butyric acid (0.1 mg/ml) in chlorobenzene (3500 rpm, 30 s) followed by annealing at 100°C for 10 min. MAPbI 3 perovskite films were spin-coated from a 1.4 M precursor solution (methylammonium iodide and PbI 2 in equimolar ratios, 60 µl) in a mixture of N,N-dimethylacetamide and N-methyl pyrrolidone in a 4:1 ratio by volume at 4000 rpm /min 10 seconds after the application of this solution, 120 μl of toluene was poured onto a rotating substrate, which caused accelerated perovskite crystallization. Then the films were laid out on the supply at 50°С, heated to 100°С, and kept at this temperature for 5 min in an inert nitrogen atmosphere. A solution of polymer P1 (6 mg/ml in chlorobenzene) was spin-coated onto MAPbI 3 films at 1000 rpm. An electron-blocking layer (30 nm V 2 O 5 ) and a hole-collecting electrode (120 nm Ag) were deposited by evaporation of the starting materials in a vacuum (10 6 mm Hg).

Перовскитная солнечная батарея с использованием полимера Р1 в качестве дырочно-транспортного слоя показала следующие характеристики:A perovskite solar cell using polymer P1 as a hole-transport layer showed the following characteristics:

Напряжение холостого хода: 1093 мВ;Open circuit voltage: 1093 mV;

Плотность тока короткого замыкания: 23.4 мА/см2;Short circuit current density: 23.4 mA/cm 2 ;

Факторы заполнения: 77%;Fill factors: 77%;

Эффективность (КПД) преобразования света:Efficiency (COP) of light conversion:

19.7% Референсное устройство, изготовленное с использованием РТАА в качестве материала дырочно-транспортного слоя в тех же условиях, показало худшие характеристики:19.7% A reference device made using PTAA as the hole transport layer material under the same conditions showed the worst performance:

Напряжение холостого хода: 1070 мВ;Open circuit voltage: 1070 mV;

Плотность тока короткого замыкания: 22.1 мА/см2;Short circuit current density: 22.1 mA/cm 2 ;

Факторы заполнения: 72%;Fill factors: 72%;

Эффективность (КПД) преобразования света: 17.1%Efficiency (COP) of light conversion: 17.1%

Вольтамперные характеристики для перовскитной солнечной батареи с использованием полимера Р1 и референсного РТАА представлены на Фиг. 6, а спектры внешней квантовой эффективности - на Фиг. 7.The current-voltage characteristics for a perovskite solar cell using polymer P1 and reference PTAA are shown in FIG. 6 and the external quantum efficiency spectra in FIG. 7.

Claims (4)

1. Сопряженный полимер на основе бензодитиофена, 5,6-дифторбензо[с][1,2,5]тиадиазола и тиофена, имеющий следующее строение:1. A conjugated polymer based on benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene, having the following structure:
Figure 00000002
Figure 00000002
где n=5-200.where n=5-200. 2. Применение сопряженного полимера на основе бензодитиофена, 5,6-дифторбензо[с][1,2,5]тиадиазола и тиофена по п. 1 в качестве дырочно-транспортного материала в перовскитных солнечных батареях.2. The use of a conjugated polymer based on benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene according to claim 1 as a hole-transport material in perovskite solar cells.
RU2021104993A 2021-02-26 Conjugated polymer based on substituted benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene and its application in perovskite solar cells RU2789132C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021104993A RU2021104993A (en) 2022-08-26
RU2789132C2 true RU2789132C2 (en) 2023-01-30

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012003918A1 (en) * 2010-07-09 2012-01-12 Merck Patent Gmbh Semiconducting polymers
RU2560554C2 (en) * 2013-07-16 2015-08-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) Conjugated copolymer based on carbazole, benzothiadiazole, benzene and thiophene and its application as electroluminescent material in organic light-emitting diodes
CN105218558A (en) * 2015-09-30 2016-01-06 国家纳米科学中心 A kind of benzo two thiophene-based organic photoelectric compound and its preparation method and application
RU2575852C2 (en) * 2010-04-19 2016-02-20 Мерк Патент Гмбх Benzodithiophene polymers and use thereof as organic semiconductors
KR102071217B1 (en) * 2011-08-26 2020-01-30 메르크 파텐트 게엠베하 Organic semiconductor formulation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2575852C2 (en) * 2010-04-19 2016-02-20 Мерк Патент Гмбх Benzodithiophene polymers and use thereof as organic semiconductors
WO2012003918A1 (en) * 2010-07-09 2012-01-12 Merck Patent Gmbh Semiconducting polymers
KR102071217B1 (en) * 2011-08-26 2020-01-30 메르크 파텐트 게엠베하 Organic semiconductor formulation
RU2560554C2 (en) * 2013-07-16 2015-08-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) Conjugated copolymer based on carbazole, benzothiadiazole, benzene and thiophene and its application as electroluminescent material in organic light-emitting diodes
CN105218558A (en) * 2015-09-30 2016-01-06 国家纳米科学中心 A kind of benzo two thiophene-based organic photoelectric compound and its preparation method and application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Recent advance in solution‐processed organic interlayers for high‐performance planar perovskite solar cells
Kim et al. Hole transport materials in conventional structural (n–i–p) perovskite solar cells: from past to the future
Zhang et al. Naphthalenothiophene imide-based polymer exhibiting over 17% efficiency
Zhang et al. Toward solution-processed high-performance polymer solar cells: from material design to device engineering
JP6007273B2 (en) Tandem photovoltaic cell
Shit et al. Interface engineering of hybrid perovskite solar cells with poly (3-thiophene acetic acid) under ambient conditions
US10714270B2 (en) Photoelectric conversion device and method for manufacturing the same
WO2017121984A1 (en) Photoactive polymer-perovskite composite materials
TW201139503A (en) Copolymer semiconductors comprising thiazolothiazole or benzobisthiazole, or benzobisoxazole electron acceptor subunits, and electron donor subunits, and their uses in transistors and solar cells
US9214255B2 (en) P-doped conjugated polymer electrolyte and an organic electronic device using the same
JP2012519965A (en) Air-stable organic-inorganic nanoparticle hybrid solar cell
KR101810900B1 (en) Conductive polymers, the organic photovoltaic cell comprising the same, and the synthesis thereof
RU2789132C2 (en) Conjugated polymer based on substituted benzodithiophene, 5,6-difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole and thiophene and its application in perovskite solar cells
RU2789131C2 (en) Conjugated polymer based on benzodithiophene, thiophene and benzothiadiazole and its application in perovskite solar cells
RU2789133C2 (en) Conjugated polymer based on substituted fluorene, benzothiadiazole and thiophene and its application in perovskite solar cells
KR101374377B1 (en) Planar low bandgap copolymer and organic polymer thin film solar cell using the same
US20140319404A1 (en) Two-component electron-selective buffer layer and photovoltaic cells using the same
US8926871B2 (en) Hybrid metal oxide and method of forming the same, and solar cell including the same
JP2022146681A (en) Photoelectric conversion element, photoelectric conversion module, electronic device, and power supply module
JP2013077760A (en) Organic photoelectric conversion element and solar cell using the same
KR102053616B1 (en) Conjugated ternary copolymers comprising methylenethiophenecarboxylate and benzodithiophene nd the organic solar cells using them
KR102389528B1 (en) Organic semiconducting compounds, and organic electronic device ing the same
KR20200074779A (en) New compounds for eco-friendly organic electronic device, composition and eco-friendly organic electronic device
KR101633261B1 (en) Conductive polymer and organic solar cell including the same
KR20190109129A (en) Organic semiconductor compound and electronic device using the same