本发明专利技术公开了一类基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料，属有机聚合物功能材料领域，其结构如式Ⅰ或Ⅱ所示。该聚合物由于在主链上引入了双臂型酯溶片段与界面亲和单元，可以有效改善活性层与金属氧化物层之间的电荷传输，从而提升聚合物光伏电池的短路电流、开路电压和填充因子，实现光电转换效率的增加。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能材料领域，具体涉及一种太阳能电池界面材料及其制备。
技术介绍
目前研究和应用最广泛的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池，然而该类电池存在原料成本高、生产工艺复杂、制造工艺成本高、能耗高、等缺点限制了其进一步产业化。作为第三代太阳能电池，有机太阳能电池具有低成本、柔性好、易制备等优势，通过调节材料结构来开发新型高转化率的有机太阳能电池是一种有效提高太阳能电池的性能的途径。目前已有研究表明在有机太阳能电池中介于金属氧化物和活性层之间的界面层，不仅起到电极修饰作用，更重要的是能有效增强电池的内建电场，同时提升器件的短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)，实现光电转换效率的增强，界面层的结构和性能对于开发高效电池具有十分重要的意义。曹镛院士等人合成的PFN是一种以基于9,9-二(烷基胺)芴片段的共聚物，在有机光伏电池中应用为界面层，该材料可有效提高器件的Voc、Jsc和FF[Appl.Phys.Lett.2009,95,043301；J.Mater.Chem.,2010,20,2617–2622；Adv.Mater.2011,23,4636–4643；Adv.Funct.Mater.2012,22,2846–2854；Organic Electronics,2014,15,758–774]。针对该类材料与界面相互作用较弱、稳定性较差的缺点，黄飞教授等人通过在酯溶性片段中引入烯烃[Adv.Energy Mater.2016,1502563]、氧丁环[J.Am.Chem.Soc.,2013,135(41),15326–15329]等方式，在加热或者光照条件下发生交联来提高该类材料的稳定性及稳固与界面的相互作用。方俊峰等人报道了基于PFN氨基片段的小分子界面层材料[Adv.Energy Mater.2014,1400359]，可将PTB7/PC71BM为活性层的太阳能电池效率提高到8.93％。彭强等人也报道了基于三苯胺结构的小分子受体材料[Adv.Funct.Mater.2016,adfm.201504734]，该类材料可将PTB7/PC71BM为活性层的太阳能电池效率提高到10.1％。鉴于以上所述界面层对电池性能的影响，在界面层主链上引入双臂的茚并芴结构制备新型的界面材料有望进一步改善金属氧化物表面形貌，提升电荷传输能力，从而提高器件光伏性能，但是迄今还未见有关此类材料的制备方法及其应用于光伏电池中的报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种聚合物界面材料，以满足聚合物光伏电池界面层的需要，进一步提升界面层的电荷传输能力，从而提高光伏电池的整体性能。为了实现上述目的，本专利技术公开的一类基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料，其特点在于将双臂茚并芴基团引入到聚合物主链上，由于其相对密集且分布有序的烷基链，加之其更大的共轭结构可有效够提升电荷传输特性，应用于太阳能电池的界面表现出比广泛使用的界面材料PFN更佳的器件性能。其结构如式Ⅰ或Ⅱ所示：式Ⅰ、Ⅱ中，m＝0或1，n为1-10万之间的整数；A、A1为C或Si原子；Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R1、R5、R6是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；R3、R4为H或F原子。本专利技术公开的基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料，可以具体表现为以下结构式：化学结构式Ⅲ:式Ⅲ中，A、A1为C，或者Si原子；Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R1是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；式Ⅲ中，包含氨基以其氧化物，与碳原子数为1～8的直链或支链的卤代烷季铵化所得到的季铵盐，或者与其它酸所形成盐的形态存在的各类衍生物。化学结构式Ⅳ:式Ⅳ中，A、A1为C或Si原子；Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R1是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；R3、R4为H或F原子；式Ⅳ中，包含氨基以其氧化物，与碳原子数为1～8的直链或支链的卤代烷季铵化所得到的季铵盐，或与其它酸所形成盐的形态存在的各类衍生物。化学结构式Ⅴ:式Ⅴ中，A、A1为C或Si原子；A2为O或S原子；Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R1、R5、R6是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；式Ⅴ中，包含氨基以其氧化物，与碳原子数为1～8的直链或支链的卤代烷季铵化所得到的季铵盐，或与其它酸所形成盐的形态存在的各类衍生物。化学结构式Ⅵ:式Ⅵ中，R1是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；化学结构式Ⅶ:式Ⅶ中，R1是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；化学结构式Ⅷ:式Ⅷ中，Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；式Ⅷ中，包含氨基以其氧化物，与碳原子数为1～8的直链或支链的卤代烷季铵化所得到的季铵盐，或者与其它酸所形成盐的形态存在的各类衍生物。化学结构式Ⅸ:式Ⅸ中，Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；式Ⅸ中，包含氨基以其氧化物，与碳原子数为1～8的直链或支链的卤代烷季铵化所得到的季铵盐，或者与其它酸所形成盐的形态存在的各类衍生物。化学结构式Ⅹ:式Ⅹ中，Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；化学结构式Ⅺ:式Ⅺ中，Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2、R7是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；式Ⅺ中，X是F、Cl、Br或I；化学结构式Ⅻ:式Ⅻ中，Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；式Ⅻ中，Z是各类酸根离子，包括但不限于硝酸根、乙酸根、硫酸根、磷酸根、高氯酸根等。本专利技术提供优选的基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料，其结构式为如下化合物A-P中的任意一个：结构式A结构式B结构式C结构式D结构式E结构式F结构式G结构式H结构式I结构式J结构式K结构式L结构式M结构式N结构式O结构式P一种上述基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料的合成方法，步骤如Scheme 1～4所示的反应方程式进行：具体操作如下：(1)双臂茚并芴及其衍生物的制备将6,7位是官能团化的苯基、噻吩基、呋喃基或H原子的茚并芴衍生物溶于四氢呋喃、乙醚、甲基叔丁基醚或其混合溶剂中，惰性气体保护下加入丁基锂在-50℃下反应1h，加入R1Br后于室温4h；再次冷至-50℃下加入丁基锂和R1Br后于室温下搅拌过夜；加入水淬灭反应，乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸镁干燥，粗品过柱得到烷基化的茚并芴，然后用Br2、CuBr、CuBr2中的一种或几种为溴源进行溴代，制得聚合反应前体1或3。聚合前体1、3或4在惰性气体保护下，溶于四氢呋喃、乙醚、甲基叔丁基醚或其混合溶剂中，在-80℃下加入5当量正丁基锂后于低温下反应1h后，再加入3当量的2-异丙氧基-4,4,5,5-四甲基-1,本文档来自技高网...
【技术保护点】
一类基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料，其特征在于，该聚合物的结构式如式Ⅰ或Ⅱ所示：式Ⅰ、Ⅱ中，m＝0或1，n为1‑10万之间的整数；A、A1为C或Si原子；Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R1、R5、R6是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；R3、R4为H或F原子。
【技术特征摘要】
1.一类基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料，其特征在于，该聚合物的结构式如式Ⅰ或Ⅱ所示：式Ⅰ、Ⅱ中，m＝0或1，n为1-10万之间的整数；A、A1为C或Si原子；Alk为碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R1、R5、R6是氢原子或碳原子数为1～20的直链或支链的烷基；R2是氢原子或碳原子数为1～8的直链或支链的烷基；R3、R4为H或F原子。2.如权利要求1所述的基于茚并芴衍生物的太阳能电池界面材料的合成方法，其特征在于步骤如Scheme 1～4所示的反应方程式进行：具体操作如下：(1)双臂茚并芴及其衍生物的制备将6,7位是官能团化的苯基、噻吩基、呋喃基或H原子的茚并芴衍生物溶于四氢呋喃、乙醚、甲基叔丁基醚或其混合溶剂中，惰性气体保护下加入丁基锂在-50℃下反应1h，加入R1Br后于室温4h；再次冷至-50℃下加入丁基锂和R1Br后于室温下搅拌过夜；加入水淬灭反应，乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸镁干燥，粗品过柱得到烷基化的茚并芴，然后用Br2、CuBr、CuBr2中的一种或几种为溴源进行溴代，制得聚合反应前体1或3；聚合前体1、3或4在惰性气体保护下，溶于四氢呋喃、乙醚、甲基叔丁基醚或其混合溶剂中，在-80℃下加入5当量正丁基锂后于低温下反应1h后，再加入3当量的2-异丙氧基-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二杂氧...
【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，高潮，赵宝锋，刘红利，弥育华，
申请(专利权)人：西安近代化学研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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