一类醌式结构化合物作受体材料在太阳能电池中的应用的制作方法

本发明属于有机光伏材料领域，涉及一类醌式结构化合物作受体材料在太阳能电池中的应用。

背景技术

传统的太阳能电池的受体材料是富勒烯衍生物，该类化合物存在着可见光区吸收弱、较低的形貌稳定性及轨道能级难调节的问题（small2017,13,1701120），虽然经过精心设计给体分子和器件优化也能达到较高的效率，但光吸收性质的局限和器件高能量损失的缺点限制着电池效率的提升（nat.energy2016,1,15027）。近红外吸光的有机半导体材料由于光学带隙较小（eg＜1.5ev），可充分吸收约占太阳辐射强度50%的近红外区段的光能，在有机太阳能电池领域掀起了一股研究热潮。设计合成近红外吸收特性的受体材料，制备光伏器件可以充分的提高太阳光的吸收效率（energ.environ.sci.2017,10,161）。

目前研究较多的非富勒烯类受体材料主要包括酰亚胺类（j.am.chem.soc.2016,138,375-380）、吡咯并吡咯二酮（diketopyrrolopyrrole，dpp）类（dyesandpigments2017,137,553-559）和稠环电子受体类（energ.environ.sci.2017,10,1610-1620）如itic（nat.commun.2016,7,13651）。虽然可以在稠环化合物的末端引入吸电子的基团实现分子内强的电荷转移，降低材料的光学带隙，但受结构单元自身的影响，稠环电子受体材料难以实现近红外光的吸收。yao报道了基于噻吩基苯并噻吩和吡啶甲腈（methyl-dioxocyano-pyridine,mdp）骨架的醌式结构系列化合物，该材料吸光并未到近红外光区，光电转换效率在5%左右（chem.mater.2015,27,4719），而且体系采用富勒烯类受体材料，该受体材料分离和纯化比较困难，光活性层的吸光范围也局限在可见光区，并不能吸收近红外光，而且活性层形貌较难调节，器件重现性较差。因此制备近红外吸光的受体材料需要利用更合适的结构体系，dpp和mdp都具有很好的电子离域性能，而且dpp骨架是吸光很强的染料基团，存在着酮式与醌式的互变异构，而mdp是一个很好的吸电子单元，所以两个基团的组合有望构建近红外吸光的受体材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一类醌式结构化合物作受体材料在太阳能电池中的应用。

本发明提供的一类吡咯并吡咯二酮骨架的醌式结构化合物，其结构如式i所示，标记为dppmdpc6。

式i

本发明提供的制备式i所示的化合物dppmdpc6的方法参考文献（chem.mater.2015,27,4719）。

本发明所述的一类醌式结构化合物作受体材料在太阳能电池中的应用，制备过程如下：

（1）氧化铟锡（ito）玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的聚对苯乙烯磺酸：聚二氧乙基噻吩（pedot:pss）溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。

（2）在n2气氛下将化合物作受体材料与给体材料ptb7按不同质量比及质量浓度溶解于氯苯得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在不同溶剂下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl不同浓度poly[(9,9-bis(3’-(n,n-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9–dioctylfluorene)]（pfn）的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。

本发明所述受体材料与给体材料ptb7的质量比为1：0.8～0.8：1，其中优选1：1。

本发明所述受体材料与给体材料ptb7的质量浓度为18～22mg/ml，其中优选20mg/ml。

本发明所述溶剂体系为二氯甲烷，三氯甲烷，四氢呋喃和氯苯中的一种，其中优选三氯甲烷。

本发明所述pfn溶液的质量浓度为3～8mg/ml，其中优选5mg/ml。

与已公开报道基于mdp骨架醌式结构的分子相比，克服用富勒烯类受体材料导致的活性层吸光能力弱、受体材料纯化较困难、光活性层形貌难调节和器件重现性较差的问题。本发明提供了一类醌式结构化合物作受体材料在太阳能电池中的应用。该类化合物具有较窄的光学带隙，吸收光谱拓展到近红外区，活性层吸光性能好形貌调节简单，器件效率重现性好的特点；本发明提供了该类化合物进行溶液加工制备有机太阳能电池器件的方法。以化合物dppmdpc6为受体材料与商业化的给体材料ptb7制备电池器件产生的开路电压为0.88v，短路电流为12.84ma/cm²，光电转换效率达到6.12%。本发明为醌式结构化合物作受体材料在有机太阳能电池器件中提供新的思路。

附图说明

图1为化合物dppmdpc6的核磁共振氢谱；

图2为化合物dppmdpc6的核磁共振碳谱；

图3为化合物dppmdpc6有机太阳能电池器件电流-电压曲线图；图4为化合物dppmdpc6在溶液状态的紫外-可见吸收光谱。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段更易于了解，下面结合具体实施例进一步进行描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，测试得到的电流-电压曲线如图4所示，器件的开路电压voc为0.88v，jsc为12.84ma∙cm^-2，填充因子ff为54.2%，光电转换效率pce为6.12%。

实施例2

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（8mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.83v，jsc为11.77ma∙cm^-2，填充因子ff为52.6%，光电转换效率pce为5.14%。

实施例3

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（8mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.82v，jsc为10.84ma∙cm^-2，填充因子ff为51.3%，光电转换效率pce为4.56%。

实施例4

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（9mg）与给体材料ptb7（9mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.85v，jsc为10.67ma∙cm^-2，填充因子ff为51.8%，光电转换效率pce为4.69%。

实施例5

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（11mg）与给体材料ptb7（11mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.86v，jsc为10.43ma∙cm^-2，填充因子ff为50.2%，光电转换效率pce为4.50%。

实施例6

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在二氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.87v，jsc为5.78ma∙cm^-2，填充因子ff为35.8%，光电转换效率pce为1.80%。

实施例7

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在四氢呋喃下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.86v，jsc为8.86ma∙cm^-2，填充因子ff为46.5%，光电转换效率pce为3.54%。

实施例8

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在氯苯下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl5mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.84v，jsc为9.79ma∙cm^-2，填充因子ff为48.4%，光电转换效率pce为3.98%。

实施例9

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl3mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.85v，jsc为10.76ma∙cm^-2，填充因子ff为50.4%，光电转换效率pce为4.61%。

实施例10

ito玻璃依次经过水、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min后，用紫外-臭氧发生装置处理20min，在2000rpm下旋涂0.10ml的pedot:pss溶液后保持ito/pedot:pss在120℃下烘10min。在n2气氛下将受体材料dppmdpc6（10mg）与给体材料ptb7（10mg）溶于1ml氯苯溶液得到混合溶液，在2000rpm下旋涂30μl混合溶液于ito/pedot:pss表面，得到光伏活性层后暴露在三氯甲烷下进行溶剂退火处理1min，后在2000rpm下旋涂15μl8mg/mlpfn的甲醇溶液制备电子传输层，在真空度2×10^-4pa下蒸镀100nm的铝电极，制备面积为2mm×2mm的有机太阳能电池器件。上述制备的光伏器件在am1.5的模拟太阳光辐照下，器件的开路电压voc为0.88v，jsc为11.96ma∙cm^-2，填充因子ff为53.8%，光电转换效率pce为5.66%。

实施例11

配置物质的量浓度为6×10^-6mol/l的dppmdpc6的三氯甲烷溶液，测试该分子溶液状态下的紫外-可见光吸收光谱，结果如图4所示。分子dppmdpc6的摩尔消光系数为5.6×10⁵l·mol^-1·cm^-1，在350nm至850nm区间内展现出较强的吸收，最大吸收截止波长为852nm至近红外区。