一种有机太阳能电池及其制备方法与流程

文档序号：19158338发布日期：2019-11-16 01:05阅读：776来源：国知局

本发明属于有机太阳能电池领域，具体涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

作为一种清洁低廉的可持续发展能源，有机太阳能电池(organicphotovoltaics，简称为opvs)自被成功研制出之后的数十年的时间，获得了巨大的发展，并取得了一系列显著的成果。

opvs以光伏效应为基本原理，利用太阳光辐射，产生空穴-电子对，随后被分离为载流子，分别进入正负极，从而达到将太阳能转换为电能的目的。其中，界面材料对于电池性能具有很重要的作用。由于界面材料在电池中起到传输载流子、阻隔反激子等作用，其应该具有的特点为：(1)与电极和活性层形成欧姆接触；(2)具有适当的能级以选择激子传输；(3)导电性优良；(4)物理稳定性好。

现有的opvs研究中，多以一种导电高分子聚合物的水溶液(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)，简写为pedot:pss)作为阳极界面材料，用以传输空穴。pedot:pss具有导电率可控性、功函匹配性好、工艺简单等优点，使得其成为一种较为普遍的阳极界面材料。但其具有酸性以及吸水性的特点，易造成ito电极的腐蚀。此外，有报道称，其可以用作电极，起到收集电子的作用，所以其阻隔电子的能力亦有待商榷。

另外，p型过渡金属氧化物(transitionmetaloxides，简称tmos)也常被用作阳极界面材料，如moo3、v2o5、nio等。tmos在可见及红外光区具有良好的光透过性，使得光子能够到达活性层产生激子。此外，其导带高于大多数的给体、受体材料的lumo能级，有效地阻隔了电子。但是，tmos膜的形成一般需要通过真空热蒸镀工艺来完成。不仅急剧增加了成本，而且无法应用于大量生产时的印刷工艺中。近年来，一些学者报道了溶液-凝胶法旋涂tmos成膜的工艺，使其得到了进一步的应用。然而，可见光区的光吸收依然限制了其普及。

共轭微孔高分子(conjugatedmicroporouspolymers，简称cmps)是一类具有广域π共轭的高分子。该类分子特有的结构，使其表现出一系列优异的性质，如荧光、中性、功函可调控性、电子转移等。正是这诸多优势使cmps受到了越来越多的关注和研究，应用于opvs的阳极界面材料中，并取得了一系列显著的成果。

为此，亟需开发新的有机太阳能电池用阳极界面材料，以改善现有技术中的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，将一种电化学合成的高分子薄膜作为空穴传输层，应用于有机太阳能电池中，以改善pedot:pss的酸性造成ito电极腐蚀的现状。在保持同等性能的同时增强了双分子复合。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

聚合物用作有机太阳能电池的阳极界面材料，其中，所述聚合物由如下式i所示的一种或者多种化合物聚合得到，

其中，

r1～r8可相同或不同，彼此独立地选自h、杂芳基；

所述杂芳基为一价单环、双环或三环芳族环系：其具有5～20个环原子且包含1-5个独立选自n、o和s的杂原子，例如“5-14元杂芳基”。所述“5-14元杂芳基”为一价单环、双环或三环芳族环系，其具有5、6、7、8、9、10、11、12、13或14个环原子，特别是5或6或9或10个碳原子，且其包含1-5个，优选1-3个独立选自n、o和s的杂原子，并且，另外在每一种情况下可为苯并稠合的。特别地，杂芳基选自噻吩基、呋喃基、吡咯基、噁唑基、噻唑基、咪唑基、吡唑基、异噁唑基、异噻唑基、噁二唑基、三唑基、噻二唑基、噻-4h-吡唑基、吲唑基、吲哚基、异吲哚基、吡啶基、咔唑基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、三嗪基等。

所述杂芳基优选为吡啶基、咔唑基、噻吩基、吡咯基、呋喃基。

优选的，所述式i为2,2’,7,7’-四咔唑基-9,9-螺二芴。

根据本发明，所述聚合物通过循环伏安法(cyclicvoltammetry，简称cv法)制备得到。

本发明还提供一种有机太阳能电池，包括阳极、阳极界面层，其中，所述阳极界面层为本发明所述的聚合物。

根据本发明，所述聚合物的厚度可以为10-100nm，例如为30-90nm。

根据本发明，所述太阳能电池包括：基底、阳极、阳极界面层、光活性层和阴极。

根据本发明，所述的基底可为玻璃衬底，所述阳极、光活性层、阴极可以为本领域技术人员知晓的任一种，例如，所述阳极为ito，所述光活性层可以为ptb7-th:pc71bm，所述阴极可以为铝。

本发明还提供一种制备上述有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)将本发明所述的式i化合物与支持电解质溶于溶剂中，配置混合溶液；

(2)通过循环伏安法(cyclicvoltammetry，以下简写为cv)，将式i化合物原位聚合在阳极上。

根据本发明，在步骤(1)中，

所述支持电解质可以为不参加此电化学反应的任意电解质，例如四乙基六氟磷酸铵、四乙基四氟硼酸铵、四丁基六氟磷铵、四丁基四氟硼酸铵、四丁基高氯酸铵中的一种或多种，例如四丁基高氯酸铵；

所述溶剂可以为有机溶剂，优选为极性有机溶剂，所述溶剂可以选自乙腈、n,n-二甲基甲酰胺、六甲基磷酰胺、甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、吡啶、四甲基乙二胺、丙酮、三乙胺、正丁醇、二氧六环、四氢呋喃、甲酸甲酯、三丁胺、甲乙酮、氯仿、乙酸乙酯、三辛胺、碳酸二甲酯、乙醚、异丙醚、正丁醚、三氯乙烯、二苯醚、二氯甲烷中一种或多种的混合物；

例如，所述溶剂可以选自二氯甲烷与乙腈的混合溶液；所述混合溶液中二氯甲烷和乙腈的体积比可以为1:1～10:1，优选为2:1～9:1；

溶液中式i化合物的浓度可以为0.01-2mmol/l，优选为0.1-1mmol/l；

溶液中支持电解质的浓度可以为0.01-2mmol/l，优选为0.1-1mmol/l；

根据本发明，在步骤(2)中，

所述循环伏安法中使用电化学工作站的三电极系统，所述三电极系统的参比电极可以为ag⁺/ag电极、hg²⁺/hg电极或氢电极，优选为ag⁺/ag电极；

所述循环伏安法的扫描截止电压可以为0.4-1.8v，优选为0.7-1.5v；

所述循环伏安法的扫描次数可以为1-4次，例如1、2、3、4；

本发明的有益效果为：

本发明提供一类螺二芴聚合物的用途，其可以用于有机太阳能电池阳极界面材料。该材料可以通过聚合物单体，采用cv法，原位成膜在导电玻璃上。并且在成膜过程中，通过控制溶液浓度、扫描截止电压、扫描次数等因素，可以调控成膜的厚度。

本发明所述的聚合物作为阳极界面层应用于有机太阳能电池中，与pedot:pss相比，可获得更高的电流，表现出更占优势的双分子复合。且本发明的聚合物单体经过电化学方法成膜后，形成了中性的聚合物薄膜。中性的界面层，相对于酸性pedot：pss有两个优点：1、降低酸性对电极的腐蚀；2、如果活性层材料含有碱性基团，中性界面层可以避免与其发生界面酸碱反应。

本发明的制备方法简单易行。

附图说明

图1为实施例1中电沉积连续多次cv扫描得到的数据图。

图2为实施例1中最终成膜厚度与不同扫描次数的拟合图像。

图3为实施例1中cv法测定cmp膜能级得到的数据图像。

图4为实施例1中不同厚度cmp膜用于有机太阳能电池中得到的j-v特征曲线。

图5为实施例中不同光强下测得的jsc与光强的拟合图像。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。但本领域技术人员须了解到，本发明的保护范围不仅限于以下实例。根据本发明上述公开内容，在不脱离本发明技术方案给出的技术特征和范围的情况下，对上述实例做出若干变化和修改都属于本发明的保护范围。下述实例中涉及到的药品，如无特殊说明，均由市场购得。

实施例1

有机化合物单体2,2’,7,7’-四咔唑基-9,9-螺二芴(简写为spcz)通过cv法制备得到薄膜聚(2,2’,7,7’-四咔唑基-9,9-螺二芴)(简写为pspcz)。

(1)将2,2’,7,7’-四咔唑基-9,9-螺二芴(简写为spcz)与支持电解质四丁基高氯酸铵(tetramethylammoniumperchlorate，简写为tbap)溶于二氯甲烷和乙腈(体积比7:3)，形成混合溶液，其中spcz浓度0.1mmol/l，tbap浓度0.1mol/l；

(2)利用三电极系统，通过cv法制备聚合物薄膜。其中各参数设置如下：

扫描范围：0-1.4v；扫描速率：0.05v/s；

扫描次数：1，2，3；精度：1e-5(a/v)；

通过旋涂二氯甲烷的方式，将残留在聚合物薄膜表面的小分子除去，并通过后续的旋涂、热蒸镀等工艺构建ptb7-th:pc71bm有机太阳能电池。