一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池领域。本发明专利技术提供的阴极界面层材料，由具有式1所示化学组成的物质形成：Ky‑x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]式1；式1中x和y的取值独立地为1～6且x≤y；A为P、Si、Ge、Al或As；Q为Mo或V；n为4、6、8或10。将本发明专利技术的阴极界面层材料用于有机太阳能电池，开路电压为0.74～0.905V，短路电流密度为12.00～25.44mA/cm

A Cathode Interface Layer Material and Its Preparation Method, Organic Solar Cell and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及有机太阳能电池
，尤其涉及一种阴极界面层材料及其制备方法、有机太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
有机太阳能电池(OSC)因材料来源广、低成本、性质易调节、并可实现柔性、大面积、全溶液加工等突出优点，近年来已经成为国际上的热点研究领域。经过人们二十多年的不懈努力，OSC领域已经取得了突破性的进展。目前，单节的二元OSC的能量转换效率(PCE)已实现16.35％的高效率(Adv.Mater.2019,1901872-1901878.)。OSC的PCE不断被刷新，主要归功于新的活性材料的合成、器件结构的优化、活性层形貌的调控以及电极界面的修饰。常见体异质结OSC的器件结构是由阳极、光活性层材料、阴极组成的“三明治”结构，通常人们还会在活性层和电极之间引入界面层来修饰电极，这主要是为了降低载流子的抽取势垒，改善活性层和电极的接触，从而在电极界面处实现欧姆接触，最终优化提高器件性能。由此可见，在不断提高OSC性能的过程中，界面修饰工程是一种强有力的策略。界面修饰层通常分为阳极界面层(AIL)和阴极界面层(CIL)，PEDOT:PSS、MoO3、V2O5等是较为经典的AIL材料，并且已经被成熟的应用于OSC中，而CIL材料众多，种类复杂，是人们研究的重点。CIL能降低阴极的功函数，减小串联电阻和电荷复合损失，使活性层与阴极之间形成良好的欧姆接触，有助于传输电子及电极收集电子。在传统OSC中，CIL置于活性层上，所以CIL材料需要溶解在不破坏活性层的极性溶剂中。一般是满足水/醇可溶或者大部分水/醇可溶，这样才能保证不破坏活性层的情况下通过旋涂加工制备得到器件。常见的具有水/醇溶性的有机CIL材料包括共轭聚合物(PFN(Adv.Mater.2011,23,4636-4643.))、共轭有机小分子(PDIN、PDINO(Energy&EnvironmentalScience2014,7,1966-1973)、DCNQA-PyBr、QA-PyBr(J.Mater.Chem.A2016,4,2169-2177.)、VOPc(OPyCH3I)8、ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8(J.Mater.Chem.A2015,3,4547-4554.)、IIDTh-NSB(ACSAppl.Mater.Interfaces2016,8,32823-32832.))、非共轭聚合物(PEI、PEIE(Science2012,336,327-332.))和非共轭有机小分子(MSAPBS(Nat.Photonics2015,9,520-524.))，共轭聚合物和共轭有机小分子由于具有复杂的π共轭单元，合成路线困难，这会导致生产成本的增加。非共轭有机小分子材料具有明确的化学结构、容易合成，纯度较高等优点，所以溶于水/醇的非共轭有机小分子在OSCs中常被认为是有应用前景的CIL材料。溶于水/醇的CIL通常含有季铵基团，季铵基团可以确保它们在水、醇等极性溶剂中有较好的溶解性以及界面偶极的形成。四烷基溴化铵(TAAB)是一种常规的季铵盐，用这种表面活性剂做CIL已显著提升了OSC的PCE，但超薄的TAAB(5纳米以下)在活性层上的成膜性很差(J.Mater.Chem.A,2013,1,2582-2587.)。作为环境友好价格低廉的N型半导体，多金属氧簇(POMs)因具有较强的电子接受能力，结构可控，合成路线简单，成本低，并且清洁无污染以及水、醇可溶，能够有效的降低电极功函数，也被认为是很好的CIL材料。2015年，Vasilopoulou等人使用六种饱和结构的多钨酸和多钼酸作为CIL制备的OSC性能明显提升，但是多钨酸和多钼酸酸性较强并且容易聚集，这会严重破坏活性层，进而导致器件的稳定性较差(J.Am.Chem.Soc.2015,137,6844-6856.)。为了解决以上问题，申请人专利技术了一系列醇溶性表面活性剂包覆多金属氧簇复合物(SEPCs)，并在国际上率先把这种有机-无机杂化的SEPCs用到了OSC中。廉价的TAAB和POMs通过静电作用络合可以形成中性的成膜性较好的SEPCs。目前，一系列饱和的SEPCs([(CnH2n+1)4N]4[SiW12O40](CN104966780A)和一缺位的SEPCs(K2[(CnH2n+1)4N]5[PW11O39]和K3[(CnH2n+1)4N]5[SiW11O39])已经申请了专利技术专利(申请号201711350066.3)。以上专利中的POMs均是单一的配位原子团，尚未有技术人员将多种配原子引入到SEPCs，并作为CIL应用于OSC中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于将多种配原子引入到SEPCs中作为有机太阳能电池的阴极界面层材料，以进一步提高有机太阳能电池的性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种阴极界面层材料，由具有式1所示化学组成的物质形成：Ky-x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]式1；所述式1中x和y的取值独立地为1～6且x≤y；A为P、Si、Ge、Al或As；Q为Mo或V；n为4、6、8或10。本专利技术提供了上述技术方案所述阴极界面层材料的制备方法，包括：方法一：将(CnH2n+1)4NBr溶解于弱极性溶剂中，得到(CnH2n+1)4NBr溶液；将所述(CnH2n+1)4NBr溶液滴加至Ky[AW11QO40]的水溶液后，进行交换反应，经过分离得到阴极界面层材料；所述(CnH2n+1)4NBr与Ky[AW11QO40]的摩尔比为(0.85y～0.98y)：1；方法二：将(CnH2n+1)4NBr溶液和Ky[AW11QO40]溶液混合后，进行沉淀反应，得到Ky-x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]；所述(CnH2n+1)4NBr溶液和Ky[AW11QO40]溶液中溶剂为同种强极性溶剂；所述(CnH2n+1)4NBr溶液中(CnH2n+1)4NBr与Ky[AW11QO40]溶液中Ky[AW11QO40]的摩尔比为y：1。优选的，所述的弱极性溶剂包括氯仿或二氯甲烷；所述的强极性溶剂包括甲醇、乙腈、甲醇与水的混合物或乙腈与水的混合物。本专利技术提供了一种有机太阳能电池，包括依次接触的阳极、阳极界面层、活性层、阴极界面层和阴极；所述阴极界面层由具有式1所示化学组成的物质形成：Ky-x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]式1；所述式1中x和y的取值独立地为1～6且x≤y；A为P、Si、Ge、Al或As；Q为Mo或V；n为4、6、8或10。优选的，所述活性层为给体材料和受体材料的混合物；所述给体材料为PTB7-Th、PTB7、PCDTBT、PBDB-T和PM6中的一种或两种；所述受体材料为PC61BM、PC71BM、ITIC、IEICO-4F、IT-4F和Y6中的一种或两种。优选的，从化学组成上，所述阳极为氧化铟锡；所述阳极界面层为PEDOT:PSS；所述阴极为银或铝。优选的，所述阳极的厚度为160～200nm；所述阳极界面层的厚度为20～40nm；所述活性层的厚度为80～120nm；所述阴极界面层的厚度为0.5～20nm；所述阴极的厚度为80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阴极界面层材料，由具有式1所示化学组成的物质形成：Ky‑x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]式1；所述式1中x和y的取值独立地为1～6且x≤y；A为P、Si、Ge、Al或As；Q为Mo或V；n为4、6、8或10。

【技术特征摘要】
1.一种阴极界面层材料，由具有式1所示化学组成的物质形成：Ky-x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]式1；所述式1中x和y的取值独立地为1～6且x≤y；A为P、Si、Ge、Al或As；Q为Mo或V；n为4、6、8或10。2.权利要求1所述阴极界面层材料的制备方法，包括：方法一：将(CnH2n+1)4NBr溶解于弱极性溶剂中，得到(CnH2n+1)4NBr溶液；将所述(CnH2n+1)4NBr溶液滴加至Ky[AW11QO40]的水溶液后，进行交换反应，经过分离得到阴极界面层材料；所述(CnH2n+1)4NBr与Ky[AW11QO40]的摩尔比为(0.85y～0.98y)：1；方法二：将(CnH2n+1)4NBr溶液和Ky[AW11QO40]溶液混合后，进行沉淀反应，得到Ky-x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]；所述(CnH2n+1)4NBr溶液和Ky[AW11QO40]溶液中溶剂为同种强极性溶剂；所述(CnH2n+1)4NBr溶液中(CnH2n+1)4NBr与Ky[AW11QO40]溶液中Ky[AW11QO40]的摩尔比为y：1。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的弱极性溶剂包括氯仿或二氯甲烷；所述的强极性溶剂包括甲醇、乙腈、甲醇与水的混合物或乙腈与水的混合物。4.一种有机太阳能电池，包括依次接触的阳极、阳极界面层、活性层、阴极界面层和阴极；其特征在于，所述阴极界面层由具有式1所示化学组成的物质形成：Ky-x[(CnH2n+1)4N]x[AW11QO40]式1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李枫红，吴立新，邱静，章玥，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22