光生伏打转换元件和光生伏打电池制造技术

本文描述了使用具有结构(I)的化学结构的金络合物作为活性材料的有机光生伏打(OPV)电池，其中R1‑R15独立地为氢、卤素、羟基、未取代的烷基、取代的烷基、环烷基、未取代的芳基、取代的芳基、酰基、烷氧基、酰氧基、氨基、烷基氨基、硝基、酰基氨基、芳烷基、氰基、羧基、硫代基、苯乙烯基、氨基羰基、氨基甲酰基、芳氧基羰基、苯氧基羰基、羟烷基或烷氧基羰基。所述OPV电池可通过热沉积或溶液处理来制造，例如旋涂和印刷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉参考本申请要求2013年9月30日提交的临时申请顺序号61/884,461的优先权，其通过引用结合到本文中。
本专利技术涉及使用金络合物作为活性材料的有机光生伏打(OPV)电池。背景广泛认为化石燃料很快将会被消耗。另一方面，由化石燃料设备产生的温室气体(例如二氧化碳和甲烷)将导致全球变暖。因此，全世界努力开发环境友好的能源和具有低能耗和/或被可更新能源(例如太阳能)驱动的器件。光生伏打(PV)电池为在电力产生中代替化石燃料的重要器件之一。迄今为止，市售可得的光生伏打电池由无机半导体(例如Si、CdTe、CuInxGa1-xSe)制成。特别是，多晶硅(poly-Si)和单晶硅(SC-Si)共同对市场份额的近90%做出贡献。然而，无机半导体的高加工成本在开发太阳能电池工业中造成缺点。与此相反，由于有机光生伏打(OPV)电池潜在地低成本，在大规模生产中容易加工和对有机半导体的柔韧基底的相容性，已引起许多吸引力。OPV电池为包含至少一种利用有机或有机金属小分子或聚合材料用于光吸收和电荷处理的部件的光电器件。利用化学合成的动力，可合成许多种具有不同带隙和吸收系数的有机分子或聚合物，使得由光生伏打电池产生的光吸收和动力最大化。因此，已浮现有机光生伏打电池作为一类新的太阳能电池技术。在有机光生伏打电池领域内，已探究各种器件构造，包括对染料敏感的太阳能电池(DSSC)、有机/无机杂化物有机电池和具有异质结的有机光生伏打电池。在1986年，C.W.Tang发现由铜酞菁(CuPc)和二萘嵌苯四羧酸衍生物制造的双层异质结结构得到0.95%的动力转化效率(PCE)。随后，广泛研究小分子供体料，例如并五苯、并四苯、金属酞菁(Pcs)。后来，由于聚合材料显示良好的器件性能，大多数供应已转向开发聚合供体材料。近来，具有聚合供体材料的OPV的PCE接近10%的实际价值。与基于硅的太阳能电池相比，由于OPV较低的效率和较短的寿命可通过它们在该价值的低成本来补充，OPV准备好用于工业化。(Prof.Photovolt.Res.Appl.2012，29，377)。在文献中，PTB7为最好的聚合供体材料之一。使用PTB7，使用简单的器件制造方法和构造，已得到6.22%PCE的基础值。(Adv.Mater.2010，22，E135)。使用高级器件制造方法，前处理和不同的器件构造，已大大增强PTB7-OPV的PCE。(Adv.Mater.2010，22，E135；NaturePhotonics2012，6，591)。使用倒转结构，由Prof.CaoYong已实现9.2%的最佳值。(NaturePhotonics2012，6，591)。另一方面，广泛可接受的是，聚合供体(例如PTB7)遭受1)不具有良好限定的分子结构；2)没有批次间的变化，难以得到高纯度；3)难以得到具有高载体活动性的材料；和4)含有末端基团作为污染物。这些点已由Prof.Cao.汇总(Adv.Mater.2013，DOI:10:1002/adma.201301716)。因此，焦点返回小分子供体材料。在2011年，Prof.Tang制造一种具有小分子供体的OPV，其得到5.23%的动力转化效率。(Adv.Mater.2011，23，4960)。在2012年，Prof.Nguyen开发了一种新的小分子供体(p-DTS(FBTTh2)2)。未经任何后处理，制造的器件显示1.8%的PCE，并且在130℃沉积后退火后实现5.8%的最佳值。(Adv.Mater.2012，24，3646)。概述以下呈现本专利技术的简化的汇总，以提供对本专利技术的一些方面的基本理解。该概述不是本专利技术的广泛综述。旨在既不鉴定本专利技术的关键或决定性要素也不描述本专利技术的范围。相反，该概述的唯一目的是以简化的形式呈现本专利技术的一些概念，作为下文呈现的更详细描述的序曲。在本专利技术中，咔咯(corrole)类型络合物在OPV中用作供体材料。自从1998年，咔咯类型络合物已知可用于维生素B12和辅酶的放射性核素标记(US5,739,313)。钴咔咯用于该领域。随后使用铜和银作为金属中心，开发新的咔咯络合物。然而，难以使用金作为金属中心来制备咔咯络合物。直到2011年，金咔咯络合物第一次被AbhikGhosh报道。然而，由于i)金咔咯络合物仅在PCBM和PTB7具有强吸收的区域显示吸收，ii)在三苯基咔咯中的苯环与咔咯环垂直，这妨碍分子紧密堆叠，以得到金属-金属或配体-配体相互作用，用于得到良好的电荷迁移率(Chem.Eur.J.2011，17，12294)，iii)咔咯环或金咔咯络合物不是良好的电荷输送基团，当它们用于OPV时，不能预期良好的性能或增强。在本专利技术中，我们发现使用低浓度的金咔咯络合物制造的OPV具有良好的PCE，这证实具有该结构的器件具有良好的电荷迁移率。该发现与文献中的发现相反。此外，低浓度的金咔咯络合物大大降低OPV的生产成本。本文描述了使用具有结构I的化学结构的金络合物作为活性材料的有机光生伏打(OPV)电池。其中，其中R1-R15独立地为氢、卤素、羟基、未取代的烷基、取代的烷基、环烷基、未取代的芳基、取代的芳基、酰基、烷氧基、酰氧基、氨基、烷基氨基、硝基、酰基氨基、芳烷基、氰基、羧基、硫代基(thio)、苯乙烯基、氨基羰基、氨基甲酰基、芳氧基羰基、苯氧基羰基、羟烷基或烷氧基羰基。OPV电池可为单层、多层、级联结构和分散的异质结OPV电池。OPV电池可通过热沉积或溶液处理来制造，例如旋涂和印刷。附图简述图1描述具有结构I的化学结构的金络合物的合成流程图的实施方案。图2显示材料501CH2Cl2溶液的UV光谱。图3显示材料502CH2Cl2溶液的UV光谱。图4显示材料503CH2Cl2溶液的UV光谱。图5显示材料501的TGA结果。图6显示材料502的TGA结果。图7显示材料503的TGA结果。图8显示材料501的CV结果。图9显示材料502的CV结果。图10显示材料503的CV结果。图11显示器件701-器件703的JV曲线。图12显示器件703(HA)的效率曲线。图13显示器件704-器件706的JV曲线。图14显示器件704-器件706的效率曲线。图15显示器件707-709的JV曲线。图16显示器件707-器件709的效率曲线。图17显示器件710的效率曲线。详细描述定义为了促进对本文公开的主题的理解，以下定义本文使用的多个术语本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机光生伏打器件，所述器件包含至少一种具有结构I的化学结构的光吸收材料：其中，其中R1‑R15独立地为氢、卤素、羟基、未取代的烷基、取代的烷基、环烷基、未取代的芳基、取代的芳基、酰基、烷氧基、酰氧基、氨基、硝基、酰基氨基、芳烷基、氰基、羧基、硫代基、苯乙烯基、氨基羰基、氨基甲酰基、芳氧基羰基、苯氧基羰基或烷氧基羰基。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.30 US 61/8844611.一种有机光生伏打器件，所述器件包含至少一种具有结构I的化学结构的光吸收材
料：
其中，其中R1-R15独立地为氢、卤素、羟基、未取代的烷基、取代的烷基、环烷基、未取代
的芳基、取代的芳基、酰基、烷氧基、酰氧基、氨基、硝基、酰基氨基、芳烷基、氰基、羧基、硫代
基、苯乙烯基、氨基羰基、氨基甲酰基、芳氧基羰基、苯氧基羰基或烷氧基羰基。
2.权利要求1的有机光生伏打器件，其中所述光吸收材料选自：
。
3.权利要求1的有机光生伏打器件，其中活性物质含有少于10%具有结构I的化学结构
的光吸收材料。
4.权利要求1的有机光生伏打器件，其中所述器件结构包含ITO层、MoOx层、包含具有结
构I的化学结构的光吸收材料的活性层和C70/BPhen/Al。
5.权利要求1的有机光生伏打器件，其中所述器件结构为：ITO/PEDOT：PPS/含有具有结
构I的化学结构的材料的活性层/Ca/Al。
6.权利要求1的有机光生伏打器件，其中R1-R15中的每一个独立地为氢、羟基、含有1-10
个碳原子的未取代的烷基、含有1-20个碳原子的取代的烷基、含有4-20个碳原子的环烷基、
含有6-20个碳原子的未取代的芳基、含有6-20个碳原子的取代的芳基、含有1-20个碳原子
的酰基、含有1-20个碳原子的烷氧基、含有1-20个碳原子的酰氧基、氨基、硝基、含有1-20个
碳原子的酰基氨基、含有1-20个碳原子的芳烷基、氰基、含有1-20个碳原子的羧基、硫代基、
苯乙烯基、含有1-20个碳原子的氨基羰基、含有1-20个碳原子的氨基甲酰基、含有1-20个碳
原子的芳氧基羰基、含有1-20个碳原子的苯氧基羰基或含有1-20个碳原子的烷氧基羰基。
7.权利要求1的有机光生伏打器件，其中R1-R15中的每一个独立地为氢、羟基、含有1-6
个碳原子的未取代的烷基、含有1-6个碳原子的取代的烷基、含有6-12个碳原子的环烷基、
含有6-12个碳原子的未取代的芳基、含有6-12个碳原子的取代的芳基、含有1-12个碳原子
的酰基、...

【专利技术属性】
技术研发人员：支志明，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81