一种硅萘酞菁阴极界面材料及其制备方法和应用技术

一种硅萘酞菁阴极界面材料及其制备方法和应用，属于光电材料技术领域。这种硅萘酞菁阴极界面材料通过将酰亚胺基团引入到萘酞菁外围，增强了分子吸电子能力；通过氮端烷基可有效改善分子在普通有机溶剂的溶解性；轴向采用四配位的硅原子，引入多个具有自掺杂效应的叔胺或季铵盐，有效增加分子在醇中的溶解性，增强了分子改善金属电极功函的能力和导电率，并首次将这类萘酞菁酰亚胺分子作为界面层应用到有机太阳能电池中，光电转化效率显著提高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种硅萘酞菁阴极界面材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于光电材料
，更具体地涉及一种硅萘酞菁阴极界面材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，清洁无污染、可再生能源的需求日益迫切。作为能将太阳能有效转化为电能的设备，太阳能电池近年来发展迅速。与昂贵笨重的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有制造成本低，重量轻，柔韧性好，制造面积大等优点。随着一系列性能优异的活性层材料的研发成功，有机太阳能电池(OSCs)在过去的几十年中取得了显著进步，电池转换效率(PCE)已超过18％(Joule2019,3,1140；Sci.Bull.2020,65,272)。
[0003]有机太阳能电池主要由电极、界面层、活性层组成。工作原理如下：活性层对光子进行吸收并转换成激子，激子(电子和空穴)扩散分离，再由界面层传输至电极，电极对电子或空穴进行收集。界面层材料的引入能有效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良好的欧姆接触，增强载流子的传输，减少复合，最终实现提高器件性能的作用。因此，在不断提升OSCs效率的过程中，界面修饰工程是不可或缺的一部分。
[0004]界面材料可分为阳极界面材料(AIM)和阴极界面材料(CIM)，AIM例如PEDOT:PSS、MoO3、V2O5等已经被成熟的应用于OSCs中，并表现出优秀的性能。商品化的无机CIM例如金属(Ca，Mg)需要真空蒸发(Adv.Funct.Mater.2018,28,1705847)，金属氧化物(ZnO和TiOx)纳米粒子的不稳定，限制了它们在OSCs中的应用(J.Mater.Chem.C2019,7,7947)。因此，能采取正交溶剂加工的有机CIM是未来高效、低成本OSCs的发展趋势。目前具有代表性的有机CIM例如PFN，PDIN及其衍生物(PFN
‑
Br和PDINO)，而在醇溶液中具有良好溶解性和成膜性的PFN
‑
Br和PDINO被广泛用于光伏器件。但是由于聚芴骨架的电子迁移率低，基于PFN
‑
Br的器件只能在极薄的阴极界面层(约5nm)下高效工作(Chem.Mater.2004,16,708.)。PDINO降低金属电极功函(WF)的能力有限，仅在铝(Al)电极的有机光伏器件中显示出优异的性能。并且PDINO热稳定差，难以得到高稳定性的有机太阳能电池(Energ.Environ.Sci.2014,7,1966；Nat.Commun.2020,11,1)。
[0005]萘酞菁是由四个异吲哚单元构成的大共轭体系，具有可见吸收强、稳定性高、耐酸碱、耐光、耐热的优点。但是未修饰的萘酞菁类分子虽然在有机光伏中具有诸多优势，但是它的溶解性差，不能通过低成本的溶液处理，LUMO能级高(
‑
3.6eV)，电子接受能力差，一般只能用作空穴传输材料(Angew.Chem.,Int.Ed.2018,57,9885)。然而采取蒸镀方法制备薄膜条件苛刻，成本高，极大地限制了萘酞菁化合物的应用。因此开发一类没有以上缺陷的萘酞菁类CIM对其在有机太阳能电池中的应用具有重要意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种硅萘酞菁阴极界面材料
及其制备方法和应用。通过将酰亚胺基团引入到萘酞菁外围，8个强吸电子羰基基团有效降低了分子能级，增强了分子吸电子能力，使其成为一类电子传输材料；通过氮端烷基可以有效改善分子在普通有机溶剂的溶解性，实现该材料的溶液加工；轴向采用四配位的硅原子，引入多个具有自掺杂效应的叔胺或季铵盐，有效增加分子在醇(甲醇、乙醇等)中溶解性，增强分子改善金属电极功函的能力，增强导电率，并首次将这类萘酞菁酰亚胺分子作为界面层应用到有机太阳能电池中。
[0007]本专利技术的第一目的是：提供了一种硅萘酞菁阴极界面材料。
[0008]本专利技术的第二目的是：提供了一种硅萘酞菁类阴极界面材料的制备方法。
[0009]本专利技术的第三目的是：提供了以上述硅萘酞菁作为阴极界面材料的太阳能电池。
[0010]为了实现上述第一目的，本专利技术提供一种硅萘酞菁类阴极界面材料，其结构通式如下式所示：
[0011][0012]其中，R1各自独立的为含有取代基或不含取代基的C4
‑
C50的直链烷基、C4
‑
C50的支链烷基、C5
‑
C50的芳基、C4
‑
C50的烷氧基、C3
‑
C50的环烷基、C5
‑
C50的杂环基、C4
‑
50的亚烷基氧基烷基、C6
‑
C50的亚烷基氧基芳基、C6
‑
C50的亚烷基氧基杂环基。
[0013]所述取代基为C1
‑
C16的烷基、C1
‑
C16的烷氧基、C5
‑
C16的芳基、C3
‑
C16的环烷基、C5
‑
16的杂环基、由C5
‑
C16的芳基和C1
‑
C16的烷基组成的杂芳烷基、由C5
‑
C16的芳基和C1
‑
C16的烷氧基组成的杂芳烷氧基、乙烯基、烯丙基、2
‑
丁烯基、3
‑
戊烯基、炔丙基、3
‑
戊炔基、氨基、甲基氨基、二甲基氨基、甲酰基、乙酰基、苯甲酰基、甲硫基、乙硫基、芳硫基、吡啶基硫基、羟基、卤素原子、氰基、醛基、C2
‑
C16的酯基、磺基、亚磺基、硝基、羧基和肼基中的至少一种。
[0014]R2各自独立的为各自独立的为
[0015]其中，n各自独立的为1
‑
18的整数，X
‑
为阴离子，所述阴离子各自独立的为Cl
‑
、Br
‑
、I
‑
或者
[0016]优选地，R1各自独立的为含有取代基或不含取代基的C4
‑
C30的直链烷基、C4
‑
C30的支链烷基、C5
‑
C30的芳基、C4
‑
C30的烷氧基、C3
‑
C30的环烷基、C5
‑
C30的杂环基、C4
‑
C30的亚烷基氧基烷基、C6
‑
C30的亚烷基氧基芳基、C6
‑
C30的亚烷基氧基杂环基。
[0017]所述的取代基为甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、羟基、
巯基、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氰基、醛基、酯基、磺酸基、亚磺酸基、硝基、氨基、亚氨基、羧基和肼基中的至少一种。
[0018]优选地，R2各自独立的为各自独立的为
[0019]其中，n各自独立的为1
‑
10的整数，X
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅萘酞菁阴极界面材料，其特征在于，具有如下结构通式：其中，R1各自独立的为含有取代基或不含取代基的C4
‑
C50的直链烷基、C4
‑
C50的支链烷基、C5
‑
C50的芳基、C4
‑
C50的烷氧基、C3
‑
C50的环烷基、C5
‑
C50的杂环基、C4
‑
50的亚烷基氧基烷基、C6
‑
C50的亚烷基氧基芳基、C6
‑
C50的亚烷基氧基杂环基；所述取代基为C1
‑
C16的烷基、C1
‑
C16的烷氧基、C5
‑
C16的芳基、C3
‑
C16的环烷基、C5
‑
16的杂环基、由C5
‑
C16的芳基和C1
‑
C16的烷基组成的杂芳烷基、由C5
‑
C16的芳基和C1
‑
C16的烷氧基组成的杂芳烷氧基、乙烯基、烯丙基、2
‑
丁烯基、3
‑
戊烯基、炔丙基、3
‑
戊炔基、氨基、甲基氨基、二甲基氨基、甲酰基、乙酰基、苯甲酰基、甲硫基、乙硫基、芳硫基、吡啶基硫基、羟基、卤素原子、氰基、醛基、C2
‑
C16的酯基、磺基、亚磺基、硝基、羧基和肼基中的至少一种；R2各自独立的为各自独立的为其中，n各自独立的为1
‑
18的整数，X
‑
为阴离子，所述阴离子各自独立的为Cl
‑
、Br
‑
、I
‑
或者2.根据权利要求1所述的一种硅萘酞菁阴极界面材料，其特征在于，R1各自独立的为含有取代基或不含取代基的C4
‑
C30的直链烷基、C4
‑
C30的支链烷基、C5
‑
C30的芳基、C4
‑
C30的烷氧基、C3
‑
C30的环烷基、C5
‑
C30的杂环基、C4
‑
C30的亚烷基氧基烷基、C6
‑
C30的亚烷基氧基芳基、C6
‑
C30的亚烷基氧基杂环基；所述的取代基为甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、羟基、巯基、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氰基、醛基、C2
‑
C10的酯基、磺酸基、亚磺酸基、硝基、氨基、亚氨基、羧基和肼基中的至少一种；R2各自独立的为
其中，n各自独立的为1
‑
10的整数，X
‑
为阴离子，所述阴离子各自独立的为Cl
‑
、Br
‑
、I
‑
或3.根据权利要求1所述的一种硅萘酞菁阴极界面材料，其特征在于，R1各自独立的为各自独立的为R2各自独立的为各自独立的为各自独立的为或者4.一种硅萘酞菁阴极界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以化合物1为反应底物，甲醇钠为碱试剂，甲醇为溶剂，加入甲醇氨的溶液制得化合物2；步骤二：以化合物2为反应底物，喹啉作为溶剂，加热条件下与SiCl4成环生成化合物Cl
‑
SiNcTI；步骤三：以化合物Cl
‑
SiNcTI为反应底物，在碱性溶剂和水混合条件下加热反应生成化合物HO
‑
SiNcTI；步骤四：R2为时，以化合物HO
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓宏，蔡春生，袁忠义，付居标，黄国荣，胡昱，李磊，马俊杰，
申请(专利权)人：九江善水科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：