高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于光电材料领域，具体公开了高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料、制备方法及其应用。所述活性层材料为聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD‑T的组合物，首先通过无规共聚的方法得到基于苯并二噻吩和噻吩并吡咯二酮的Da‑Ab型二元无规共聚物给体P(BDT)a(TPD)b，将聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD‑T混合后加入2‑甲基四氢呋喃，搅拌溶解，过筛处理得到聚合物给体/受体组合物溶液，即全聚物太阳能电池活性层材料。本发明专利技术使用绿色溶剂溶解且无需后处理制备出高效率厚膜的活性层组合物P(BDT)5(TPD)4/PNDI2HD‑T，薄膜厚度高达120 nm以上且基于此类薄膜制备的器件光电转换效率高于7%，表现出了高效率和厚膜的特性，同时绿色溶剂的环保及材料及工艺的简单化均有利于全聚物太阳能电池的商业应用。

Active Layer Material, Preparation Method and Application of High Efficiency Thick Film Total Polymer Solar Cells

The invention belongs to the field of photoelectric materials, and specifically discloses the active layer material, preparation method and application of high efficiency thick film holopolymer solar cells. The active layer material is a combination of polymer donor P(BDT)a(TPD)b and polymer acceptor PNDI2HD T. Firstly, the random copolymer donor P(BDT)a(TPD)b based on benzothiophene and thiophenopyrrolidone is obtained by random copolymerization. The polymer donor P(BDT)a(TPD)b and the polymer acceptor PNDI2HD T are mixed and then added with 2_methyl tetrahydrofuran to stir and dissolve. The solution of the polymer donor/acceptor composition, i.e. the active layer material of the whole polymer solar cell, is obtained by sieving treatment. The active layer composition P(BDT)5(TPD)4/PNDI2HD_T with high efficiency and thick film is prepared by dissolving in green solvent without post-treatment. The thickness of the film is up to 120 nm and the photoelectric conversion efficiency of the device based on this kind of film is over 7%. It shows the characteristics of high efficiency and thick film. At the same time, the environmental protection of the green solvent and the simplification of the material and process are beneficial to the holopolymer solar energy. Commercial applications of batteries.

【技术实现步骤摘要】
高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料、制备方法及其应用
本专利技术属于光电材料领域，涉及一种有机太阳能光电材料，更具体来说是一种高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料、制备方法及其应用。技术背景由p-型聚合物给体材料和n-型聚合物受体材料共混作为光敏活性层制成的全聚合物太阳能电池(All-PSCs)，因成膜性好、稳定性好等优点而得到广泛研究。目前All-PSCs的光电转换效率在短短几年已超过了富勒烯体系电池，说明它具有能够取代传统硅基电池的巨大潜力。单层全聚物电池最高的光电转换效率可以达到10％以上，但是要想实现商业化，最重要的制约因素除了进一步提高光电转换效率外，使用绿色环保化溶剂、降低原材料的生产成本、简化器件制备工艺(无需热或溶剂退火)也是很重要的因素。为了解决上述瓶颈问题，世界上许多研究小组多年来开展了广泛深入的研究，其中包括高效的光活性材料的制备以及光电转化机制的研究。到现在为止，使用绿色溶剂及低成本的活性层材料并且未经热或溶剂退火且光电转换效率高于8％的单层全聚物太阳能器件还未报道。
技术实现思路
本专利技术旨在于解决全聚物太阳能电池领域走向商业化存在的问题：需要进一步提高光电转换效率、使用绿色环保化溶剂替代卤代试剂、提高活性层薄膜的厚度、降低原材料的生产成本、简化器件制备工艺(无需热或溶剂退火)等。因此，本专利技术提供了高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料、制备方法及其应用。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料，所述的活性层材料包括Da-Ab型聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD-T的组合物，其中聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的结构通式如结构式1所示:其中a的范围为1-10之间任意值，b的范围为1-10之间任意值，D单元中的侧链选用C2、C4烷基，A单元中的侧链选用C8烷基，n代表聚合物的重复单元数，其值为10-1000之间的自然数；聚合物受体PNDI2HD-T的结构式如式2所示:其中，n代表聚合物的重复单元数，其值为10-1000之间的自然数；所述组合物中聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD-T的组成比例为2:1～1:1。进一步，所述聚合物给体P(BDT)a(TPD)b中，a:b的比值为10:1-1:1之间任意值，优选的，a:b的比值为5:1～1:1。进一步，所述聚合物给体P(BDT)a(TPD)b中聚合物的数均分子量为10000-200000。所述的高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料的制备方法，包括聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的制备及聚合物给体/受体组合物的制备，所述聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的制备包括下述步骤：将单体A，单体B，单体C按要求准确称量混合，加入催化剂和溶剂，在氮气氛围回流24-48h，加入封端剂反应6-12h后冷却至室温，加入甲醇沉析，将沉淀物分别用甲醇，丙酮，正己烷，氯仿索氏洗涤，收集氯仿相，甲醇沉降，抽滤干燥后得到式1所述的聚合物给体P(BDT)a(TPD)b；所述单体A的结构式如下式所示：所述单体B的结构式如下式所示：所述单体C的结构式如下式所示：上述反应在下述一种或一种以上的混合溶剂中进行：甲苯，邻二甲苯，氯苯，二氯苯，N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，所述的催化剂为三(二亚苄基丙酮)二钯和配体三(邻甲基苯基)膦。所述单体A、单体B和单体C的共轭单元的A:B:C的摩尔比为1:0.1-0.9:0.9-0.1。进一步优选的，聚合物给体P(BDT)a(TPD)b中聚合物的数均分子量为10000-50000之间，应理解为改变分子量可以优化聚合物的光电性能。较高的分子量可以保证良好的成膜性和高的吸光度，本专利技术制备的聚合物的分子量分布指数可为1.5-3.8。所述聚合物给体/受体组合物的制备包括下述步骤：将聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD-T按质量比为2:1～1:1的比例混合后加入2-甲基四氢呋喃，40～70℃下搅拌溶解6～20h，过筛处理得到聚合物给体/受体组合物溶液，即全聚物太阳能电池活性层材料。实验证明，本专利技术提供的全聚物太阳能电池活性层材料，采用非卤芳香试剂(2-甲基四氢呋喃)作为绿色溶剂溶解且无需后处理制备的全聚合物太阳能电池可以同时具有高效率和厚膜的良好特性。本专利技术还提供一种光伏器件(包括全聚物太阳能电池器件)，通常包括空穴收集层，电子收集层以及空穴和电子收集层之间的光伏活性材料层，所述的光伏材料活性层包含所述全聚物太阳能电池活性层材料的甲基四氢呋喃溶液在高速下旋涂得到的组合物。本专利技术的有益效果：本专利技术通过无规共聚的方法调控a:b的比例得到基于苯并二噻吩和噻吩并吡咯二酮的Da-Ab型二元无规共聚物给体，这种聚合物给体可以进一步降低生产成本，此外，无规聚合物一定程度上破坏了聚合物主链的规整度和结晶度从而增加了和本专利技术所用的聚合物受体PNDI2HD-T的相容性，由于相容性的提高，本专利技术的全聚物太阳能电池活性层材料(P(BDT)5(TPD)4和PNDI2HD-T的组合物)使用绿色溶剂溶解且无需后处理，可以获得活性层薄膜厚度高达150nm且光电转换效率高于7％的器件，可以解决目前膜厚大于120nm后相应的全聚物器件的效率就明显下降的难题，也解决了部分有机光伏商业化可能存在的问题：在保持高效率的同时使用绿色环保化溶剂替代卤代试剂、降低原材料的生产成本、简化器件制备工艺(无需热或溶剂退火)等。附图说明图1为聚合物给体P(BDT)5(TPD)4的化学反应流程图；其中，溶剂为甲苯：N,N-二甲基甲酰胺(5:1)；图2为聚合物给体P(BDT)2(TPD)1的化学反应流程图；其中，溶剂为甲苯：N,N-二甲基甲酰胺(5:1)；图3为聚合物给体P(BDT)3(TPD)1的化学反应流程图；其中，溶剂为甲苯：N,N-二甲基甲酰胺(5:1)；图4为聚合物给体P(BDT)4(TPD)1的化学反应流程图；其中，溶剂为甲苯：N,N-二甲基甲酰胺(5:1)；图5为聚合物给体P(BDT)3(TPD)2的化学反应流程图；其中，溶剂为甲苯：N,N-二甲基甲酰胺(5:1)；图6为基于聚合物给体P(BDT)a(TPD)b/PNDI2HD-T的器件数据；图7为基于聚合物给体P(BDT)5(TPD)4/PNDI2HD-T的器件J-V曲线图；图8为基于聚合物给体P(BDT)5(TPD)4/PNDI2HD-T的随膜厚变化的器件数据。具体实施方式本专利技术的实践可采用本领域技术内的聚合物化学的常规技术。所有溶剂均经过除水除氧处理，并且反应都在氮气惰性气氛下进行的，除非另外指出，否则所有溶剂都是商业获得的。实施例1聚合物给体P(BDT)5(TPD)4的合成化学反应流程图如图1所示，具体反应步骤和反应条件如下：氮气保护下，将单体A(2,6-二(三甲基锡)-4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩)(0.110mmol)单体B(2,6-二溴-4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩)(0.012mmol)单体C(1,3-二溴-5-辛基-4H-噻吩并[3,4-C]吡咯-4,6(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料，其特征在于：所述的活性层材料为聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD‑T的组合物，其中聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的结构通式如结构式1所示，聚合物受体PNDI2HD‑T的结构式如式2所示:

【技术特征摘要】
1.高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料，其特征在于：所述的活性层材料为聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD-T的组合物，其中聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的结构通式如结构式1所示，聚合物受体PNDI2HD-T的结构式如式2所示:其中a的范围为1-10之间任意值，b的范围为1-10之间任意值，n代表聚合物的重复单元数，其值为10-1000之间的自然数。2.根据权利要求1所述的高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料，其特征在于：所述组合物中聚合物给体P(BDT)a(TPD)b和聚合物受体PNDI2HD-T的组成比例为2:1～1:1。3.根据权利要求1所述的高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料，其特征在于：所述聚合物给体P(BDT)a(TPD)b中a:b的比值为5:1～1:1。4.根据权利要求1所述的高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料，其特征在于：所述聚合物给体P(BDT)a(TPD)b中聚合物的数均分子量为10000-200000。5.如权利要求1所述的高效率厚膜的全聚物太阳能电池活性层材料的制备方法，其特征在于：其包括聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的制备及聚合物给体/受体组合物的制备，所述聚合物给体P(BDT)a(TPD)b的制备包括下述步骤：将单体A，单体B，单体C混合，加入催化剂和溶剂，在氮气氛围回流24-48h，然后加入封端剂反应6-12h，冷却后加入甲醇沉析，将沉淀物分别用甲醇，丙酮，正己烷洗涤，再用氯仿溶解收集氯仿相，甲醇沉降，抽滤干燥得到式1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，凌启淡，冯文怀，吕玮，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：福建,35