本发明专利技术公开了四种窄带隙电子受体材料及其构成的有机太阳电池。本发明专利技术通过分子设计上以共轭分子的骨架异构和氟原子取代数目的区别合成了上述四种近红外吸光化合物并制备出相应的有机太阳电池。所制备的有机太阳电池均具有较高的短路电流JSC和较高的填充因子FF，其中这类新型电子受体所在有机太阳电池能量转换效率最高为10.87％，Jsc为24.85mA/cm2。
Narrow band gap electron acceptor materials and organic solar cells made of them
The invention discloses four kinds of narrow band gap electron acceptor materials and organic solar cells constituted by them. The invention synthesizes the above four near infrared absorption compounds by the difference between the skeleton isomerization of conjugated molecules and the number of fluorine atoms substituted in the molecule design, and prepares corresponding organic solar cells. The organic solar cells have high short-circuit current (JSC) and high filling factor (FF). The energy conversion efficiency of the organic solar cells with the new electron acceptor is 10.87% and the Jsc is 24.85 mA/cm2.
【技术实现步骤摘要】
窄带隙电子受体材料及其构成的有机太阳电池
本专利技术涉及新近红外吸光材料和太阳电池，尤其涉及了四种新型窄带隙电子受体材料及它们构成的有机太阳电池。
技术介绍
通过太阳电池来高效地转化太阳光为电能一直以来是学术界与产业界关注与研究的热点。硅基太阳电池为主导的无机太阳电池是目前所有太阳电池中发展最为成熟的品种，具有相对较高的光电转化效率，但生产制造过程中高的能耗与污染带来了高昂的生产成本，同时对周边环境造成污染。有机太阳能电池是通过两种不同类型的有机半导体材料制作的太阳能电池，具有可溶液加工、成本低、质量轻等优点，受到了人们的广泛关注。相对于其他太阳能电池，有机太阳能电池具有两个最大的优点：可制备成柔性器件和半透明器件，特别是由于非富勒烯受体材料的发展，有机太阳能电池效率得到大大提高，所以有机太阳能电池发展潜力巨大。有机太阳能电池发展初期，主要是以富勒烯为受体，但是富勒烯及其衍生物受体可见光范围吸收弱、能级不可调等缺点，限制了富勒烯类有机太阳能电池的发展。近几年来新型的有机半导体材料受到科学家的广泛关注，特别是非富勒烯有机半导体受体材料，由于具有能级可调、可见光范围吸收强等优点，受到了科研人员的广泛关注。近年来，非富勒烯有机太阳能电池的效率不断冲高。
技术实现思路
为了克服现有近红外吸光技术的不足和分子设计原理的不明，本专利技术提出合成了四种新型窄带隙电子受体材料及它们构成的有机太阳电池，这类新型窄带隙电子受体材料采用A-Aπ-D-Aπ-A的骨架结构(A：缺电性分子单元，Aπ：弱缺电性共轭桥连单元，D：富电性分子单元)，在二溴-4,4,9,9-四(4-己基苯基)-4,9-s-苯并二茚并[1,2-b:5,6-b’]二噻吩(IDT)和末端基团3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮(IC)中间插入2-乙基己基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-羧酸(FTT),使得吸光红移到近红外区域。在结构上，通过末端F取代个数的不同，设计了分子T1-T3。通过更改FTT的朝向，设计了分子T2和T4。T1-T4四种材料的吸收光谱均覆盖了近红外和可见光区域，具有合适的HOMO和LUMO能级与给体PTB7-Th能级匹配，其作为受体材料构成的有机太阳电池都得到了较好的光电转化效率。本专利技术采用的技术方案如下：一、基于新型窄带隙电子受体材料：窄带隙电子受体材料有多种结构，其具体化学结构式为A和B中的任意一种；其中：结构式A为：式中A1和A2基团均为H和F中的任意一种。因此，A1和A2基团的组合方式共有4种：第一种A1＝A2＝H，记为T1(IFIC-i-2F)；第二种A1＝F且A2＝H，或者A1＝H且A2＝F，均记为T2(IFIC-i-4F)；第三种A1＝A2＝F，记为T3(IFIC-i-6F)。结构式B为：式中A1基团为H和F中的任意一种，A2基团为另一种。因此，A1和A2基团的组合方式共有2种：第一种A1＝H且A2＝F，第二种A1＝F且A2＝H，均记为T4(IFIC-o-4F)。上述T1～T4共6种不同的结构式，均可作为窄带隙电子受体材料。上述窄带隙电子受体材料中，T1～T3材料的制备方法，步骤如下：利用Vilsmeier反应将2Br-FTT醛基化，从反映产物中分离得到产物1a；然后将产物1a与IDT-Tin进行Stille偶联反应，得到产物2a；将产物2a与末端基团IC混合，以1,2-二氯乙烷/乙醇作溶剂，加入β-丙氨酸，用氩气鼓泡后，加热回流搅拌反应；反应结束后，分离纯化获得化学结构式为A的窄带隙电子受体材料；所述的2Br-FTT结构式为：所述的产物1a结构式为：所述的产物2a结构式为：所述的末端基团IC结构式为：其中A1和A2基团均为H和F中的任意一种。上述窄带隙电子受体材料中，T4材料的制备方法，步骤如下：利用Vilsmeier反应将2Br-FTT醛基化，从反映产物中分离得到产物1b；然后将产物1b与IDT-Tin进行Stille偶联反应，得到产物2b；将产物2b与末端基团IC混合，以1,2-二氯乙烷/乙醇作溶剂，加入β-丙氨酸，用氩气鼓泡后，加热回流搅拌反应；反应结束后，分离纯化获得化学结构式为B的窄带隙电子受体材料；所述的2Br-FTT结构式为：所述的产物1b结构式为：所述的产物2b结构式为：所述的末端基团IC结构式为：其中A1基团为H和F中的任意一种，A2基团为另一种。作为优选，上述T1～T4材料制备过程中，反应结束后，均可使用甲醇沉淀，抽滤后使用硅胶层析柱，以二氯甲烷/正己烷作洗脱剂，纯化得到所述的窄带隙电子受体材料。二、四种基于新型窄带隙电子受体材料的太阳电池：基于窄带隙电子受体材料的有机太阳电池，其包括基底(1)、透明金属电极层(2)、电子传输层(3)、光敏层(4)、空穴传输层(5)、金属电极层(6)；基底(1)上方自下而上依次叠加有透明金属电极层(2)、电子传输层(3)、光敏层(4)、空穴传输层(5)和金属电极层(6)；光敏层(4)为给体材料PTB7-Th与上述T1～T4四种窄带隙电子受体材料中任意一种共混而成。基于上述技术方案，该太阳电池中各部件还可以采用如下优选方式：所述的电子传输层(3)为ZnO。所述的基底(1)材料为玻璃或石英。所述的透明金属电极层(2)材料为氧化铟锡或氟掺氧化锡。所述的光敏层厚度～100nm。所述的空穴传输层(5)为MoO3。所述的金属电极层(6)材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化锡，厚度为50-300nm。本专利技术太阳电池的制备过程如下：器件结构为ITO/ZnO/PTB7-Th:T1-T4/MoO3/Ag。首先，将ITO玻璃衬底用洗洁精清洗，再用清水冲，用去离子水超声15分钟，接着，用丙酮和异丙醇分别超声玻璃15分钟，取出用氮气枪将ITO玻璃衬底吹干，再进行UVO清洗。将UVO清洗过的ITO玻璃衬底吸附在匀胶机上，设定转速3500rpm，ZnO溶液均匀涂在ITO玻璃衬底上，时间60s，之后将ITO玻璃衬底放入170℃的烘箱中烘干，15min后转入充满氮气的手套箱中备用。活性层材料PTB7-Th与T1-T4中的一种以质量比1:1.8的比例混合，以总浓度20mg/mL溶解于氯仿溶剂中，搅拌2小时。混合溶液旋涂于ZnO层上，旋涂转速为2000rpm，时间为60s。将ITO玻璃衬底放入真空镀膜机中，在1×10-5Pa的真空条件下蒸镀4nm厚度的MoO3和80nm厚度的铝电极。本专利技术的优点和有益效果在于：本专利技术提供了四种新型窄带隙电子受体材料T1-T4，具有吸光范围广和电子迁移率高的特性。基于这四种材料制备的有机太阳电池具有较高的短路电流JSC和较高的填充因子，其中T2所在钙钛矿电池能量转换效率最高为10.87％(VOC＝0.65V,JSC＝24.85mA/cm2,FF＝0.67)。同时我们研究探讨了FTT不同的朝向和末端基团不同的氟取代个数对于分子平面性、吸光、能级、电子迁移率及其器件参数的影响。附图说明图1是本专利技术太阳电池的结构示意图。图2是本专利技术的有机太阳电池的电流-电压曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术的太阳电池包括基底1、透明金属电极层2、电子传输层3、光敏层4、空穴传输层5、金属电极层6；从基底1上方自下而上依次叠加为透明金属电极层2、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种窄带隙电子受体材料，其特征在于，具体化学结构式为A和B中的任意一种；其中：结构式A为：
【技术特征摘要】
1.一种窄带隙电子受体材料，其特征在于，具体化学结构式为A和B中的任意一种；其中：结构式A为：式中A1和A2基团均为H和F中的任意一种；结构式B为：式中A1基团为H和F中的任意一种，A2基团为另一种。2.一种如权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于步骤如下：利用Vilsmeier反应将2Br-FTT醛基化，从反映产物中分离得到产物1a；然后将产物1a与IDT-Tin进行Stille偶联反应，得到产物2a；将产物2a与末端基团IC混合，以1,2-二氯乙烷/乙醇作溶剂，加入β-丙氨酸，用氩气鼓泡后，加热回流搅拌反应；反应结束后，分离纯化获得化学结构式为所述A的窄带隙电子受体材料；所述的2Br-FTT结构式为：所述的产物1a结构式为：所述的产物2a结构式为：所述的末端基团IC结构式为：其中A1和A2基团均为H和F中的任意一种。3.一种如权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于步骤如下：利用Vilsmeier反应将2Br-FTT醛基化，从反映产物中分离得到产物1b；然后将产物1b与IDT-Tin进行Stille偶联反应，得到产物2b；将产物2b与末端基团IC混合，以1,2-二氯乙烷/乙醇作溶剂，加入β-丙氨酸，用氩气鼓泡后，加热回流搅拌反应；反应结束后，分离纯化获得化学结构式为所述B的窄带隙电子受体材料；所述的2Br-FTT结...
【专利技术属性】
技术研发人员：李昌治，许景琦，刘志玺，陈明，陈红征，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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