一类基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料制造技术

本发明专利技术属有机聚合物功能材料领域，涉及一类基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，以茚并芴衍生物片段为脂溶性单元，芴衍生物片段为界面亲和单元，通过Pd催化的Suzuki偶联制得，用于有机太阳能正向或反向电池的界面层材料。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。与目前广泛使用的界面材料PFN相比较，该类聚合物能够有效提升太阳能电池短路电流JSC和填充因子，进一步提高太阳能电池的光电转化效率。

Interface material of a crosslinkable solar cell based on azide derivatives

The invention belongs to the field of organic polymer materials, relates to a class of azide derivatives of crosslinkable materials based on solar cell interface, the indenofluorene derivatives fragment is a lipophilic unit of Fluorene Derivatives fragment affinity interface unit, through the Suzuki coupling reaction catalyzed by Pd, the interface layer material for organic solar cell forward or reverse the. The polymer backbone due to the introduction of arms type ester soluble fragment and affinity interface unit, can effectively improve the charge transfer between the active layer and the metal oxide layer, thereby enhancing the short-circuit current of polymer solar cell. Compared with the widely used interface material PFN, this kind of polymer can effectively improve the short-circuit current, JSC and filling factor of solar cells, and further improve the photoelectric conversion efficiency of solar cells.

【技术实现步骤摘要】
一类基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料
本专利技术属于功能高分子领域，具体涉及一类太阳能电池界面材料。
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，然而该类电池具有原料成本高、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、易制备等显著优势，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可以有效提高太阳能电池的性能的研究方法。目前已有研究表明有机太阳能电池中，介于金属氧化物和活性层之间的界面层，能够有效改变金属氧化物表面形貌、且对活性层纵向形貌有一定的调节作用。界面层对整个电池的能量转化效率有着重要影响，对开发新型高转化率的太阳能电池具有十分重要的意义。近年来，科研人员设计合成了一系列基于9,9-二(烷基胺)芴片段的共聚物，能够有效改进活性层与传输层的界面性能。曹镛等人合成的PFN是目前广泛使用的界面层材料，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；OrganicElectronics,2014,15,758–774]。针对该类材料与界面相互作用较弱的缺点，黄飞等人通过在脂溶性片段中引入烯烃[Adv.EnergyMater.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.EnergyMater.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叠氮衍生物制备的新型可交联太阳能电池界面材料有望进一步改善金属氧化物表面形貌，调节活性层纵向形貌分布，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
为了克服现有技术存在的不足和缺陷，本专利技术提供一类基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料：具有叠氮可交联的基于芴、茚并芴骨架的高分子聚合物，醇溶性好，热稳定性好，可光照或加热交联。将叠氮基团引入到聚合物烷基链末端，由于叠氮官能团在加热或紫外光照下能够交联的特性，在极性片段修饰金属氧化物表面、影响活性层纵向形貌分布的同时，通过聚合物链间交联有效够提升界面层稳定性，进一步提升器件光电转化性能；该类材料可有效提升器件性能，表现出比目前广泛使用的界面材料PFN更佳的光电转化性能。本专利技术的叠氮可交联聚合物具有以下结构特征(式Ⅰ～Ⅵ)：式Ⅰ～Ⅵ中，x,y,z是各个单体之间摩尔数比例，满足x＝y+z，y＝x+z，或者z＝x+y特征之一；n为聚合度，是介于0～100万之间的自然数；界面亲和单元PG选自下述结构之一：该类结构包括氨基以其氮氧化物，与碳原子数为1到8的直链或支链的卤代烷季铵化所得到的季铵盐，与各类酸(包括但不限于硝酸根、乙酸根、硫酸根、磷酸根、高氯酸根等)所形成的盐，或者氮氧化物等形态存在的各类衍生物。脂溶性单元LG选自下述结构之一：上述结构中：A1为C，Si或者Ge原子；A2为N，P，或者As原子；A3为O，S，或者Se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，氟原子，碳原子数为1到20的直链或支链的烷基，或者末端为叠氮基的碳原子数为1-20的直链或支链的烷基；R2是氢原子，碳原子数为1到10的直链或支链的烷基；R3是氢原子，氟原子，碳原子数为1到20的直链或支链的烷基，或者末端为氨基及其烷基衍生物的碳原子数为1-20的直链或支链的烷基；R4为碳原子数为1-20的直链或支链的烷基；R5是氢原子，氟原子，碳原子数为1到20的直链或支链的烷基，碳原子数为1到20的直链或支链的烷氧基，碳原子数为1到20的直链或支链的邻、间、对位烷基苯基，碳原子数为1到20的直链或支链的邻、间、对位烷氧基苯基。本专利技术提供优选的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，其结构式为如下化合物A-E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本专利技术的制备方法包括以下步骤：该反应在氮气保护下进行，将xmol末端为溴、硼酸、或者硼酸酯中一种官能团的极性片段PG，ymol末端为溴、硼酸、或者硼酸酯中一种官能团的叠氮衍生物，zmol末端为溴、硼酸、或者硼酸酯中一种官能团的脂溶性片段LG按照x＝y+z，y＝x+z，或者z＝x+y中一种比例加入到干燥的两口烧瓶中，甲苯/四氢呋喃/氯仿/乙醚中的一种或几种溶剂溶解，单体浓度控制在0.1mol/L左右，通惰性气体0.5h后加入0.02倍摩尔量的Pd催化剂，加入或者不加入碱性添加物氢氧化四乙胺/碳酸钾/碳酸钠/氢氧化钠中的一种或多种。继续通气0.5h后开始加热，回流反应24～48h后，停止反应。体系冷却至室温，将反应液滴入甲醇中沉降，过滤，收集的聚合物真空烘箱50℃烘12h，依次用甲醇、正己烷、氯仿进行索式提取，浓缩氯仿提取液，用甲醇再次沉降，过滤，得到如式I所示的含有茚并芴衍生物的共轭聚合物。将该聚合物在四氢呋喃/甲醇/丙酮中的一种或几种溶剂中，加入10当量的双氧水氧化得到对应的氮氧化物。将该聚合物在四氢呋喃/甲醇/丙酮中的一种或几种溶剂中，加入10当量的R2X进行季铵化得到对应的季铵盐类化合物。将该聚合物在四氢呋喃/甲醇/丙酮中的一种或几种溶剂中，加入10当量的质子酸(包括但不限于硝酸、乙酸、硫酸、磷酸、高氯酸等)得到对应的氨基盐。本专利技术能够有效改善电极与活性层之间的电荷传输性能，降低电极表面功函数；通过紫外光照或加热后交联可进一步提高界面层稳定性；可作为界面修饰材料在太阳能电池等领域中应用。本专利技术的主要优点在于：1.合成的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料可通过正交溶液加工，易溶于甲醇，乙醇，水等极性溶剂；2.合成的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料热稳定性好，其实分解温度大于300℃；3.合成的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，能够有效改善电极与活性层之间的电荷传输性能，降低电极表面功函数，适合做界面材料；4.合成的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，可通过紫外光照或加热后交联可进一步提高界面层稳定性；5.合成的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料作为界面层在太阳能电池中展示出了非常显著的光电转化效率提升，优于目前广泛使用的界面材料PFN。6.制备的基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，成本低廉、性能优异、稳定性高，适合大面积制备使用。附图说明图1是A～E中某一个共轭聚合物的C-V图。图2是A～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，其特征在于，结构式为式Ⅰ～Ⅵ中的一种：

【技术特征摘要】
1.一类基于叠氮衍生物的可交联太阳能电池界面材料，其特征在于，结构式为式Ⅰ～Ⅵ中的一种：式Ⅰ～Ⅵ中，x、y、z是各个单体之间摩尔数比例，满足x＝y+z、y＝x+z或者z＝x+y特征之一；n为聚合度，是介于0～100万之间的自然数；界面亲和单元PG选自下述结构之一：脂溶性单元LG选自下述结构之一：上述结构中，A1为C、Si或Ge原子；A2为N、P或As原子；A3为O、S或Se原子；Alk为碳原子数为1-20的烷基；R1是氢原子、氟原子、碳原子数为1到20的烷基或末端为叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，高潮，赵宝锋，弥育华，伍致生，郭旺军，
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