一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池及其制备方法，包括衬底和有机太阳电池元件，所述有机太阳电池元件从下至上依次包括阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极；所述活性层为一种聚噻吩衍生物给体和非富勒烯小分子受体的二元混合物。本发明专利技术利用噻吩类溶剂与聚噻吩衍生物给体材料相似相溶的特性，开发了非卤素溶剂加工的高效聚噻吩体系的有机太阳电池，获得与文献报道的卤素溶剂加工的相当的器件性能，同时减小了加工过程中溶剂产生的毒性。该技术较大程度上促进了基于聚噻吩体系的低成本有机太阳电池的商业化进程。池的商业化进程。池的商业化进程。

【技术实现步骤摘要】
一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于有机光电器件
，涉及一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着世界社会经济的快速发展，人们对能源的需求与日俱增，常规的化石能源不可再生，储量有限，而且化石能源的使用导致的大气污染，温室效应等环境问题日益加剧。太阳能由于具有清洁环保、无污染、储量丰富、分布广等特点，被认为是非常有潜力的新能源之一。有机太阳电池具有成本低、材料质量轻、溶液加工工艺简单、柔韧性好、可采取印刷及喷墨等方法制备成大面积柔性器件等优点，展现出能够应用于大规模商业生产的巨大潜力。目前，关于有机太阳电池的大多数研究都集中在提高功率转换效率和稳定性等方面，就材料设计、器件结构工艺与形貌调控等方面做了大量的工作。在过去的几年中，随着非富勒烯受体材料受到越来越多的关注和研究，基于非富勒烯受体的有机太阳电池器件的功率转换效率得到迅速提高，但其材料成本和绿色加工等方面仍然是大规模商业化道路上的关键问题。
[0003]另一方面，在聚合物给体材料中，以聚(3
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己基噻吩)为代表的聚噻吩衍生物由于结构简单、成本低、易于合成以及良好的空穴传输性能，受到了较多的研究和关注。但是，基于聚噻吩衍生物的有机太阳电池目前仍比基于由电子给体(Donor,D)与电子受体(Acceptor,A)交替组成的D
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A型共轭聚合物的电池器件的功率转换效率差。此前，华南理工大学叶轩立等人[Xiao J Jia X,Duan C,et al.Surpassing 13％Efficiency for Polythiophene Organic Solar Cells Processed from Nonhalogenated Solvent[J].Advanced Materials,2021,2008158]引入一种氟化聚噻吩衍生物P4T2F
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HD，通过优化P4T2F
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HD:Y6
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BO活性层膜的混溶性和形貌，实现了由非卤素溶剂邻二甲苯(o
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XY)加工的聚噻吩体系有机太阳电池13.65％的功率转换效率记录。而中国科学院化学研究所的侯剑辉等人[Ren J,Bi P,Zhang J,et al.Molecular design revitalizes the low
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cost PTV
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polymer for highly efficient organic solar cells[J].National Science Review,2021,Vol.8,nwab031]合成了一种新的聚噻吩衍生物给体PTVT
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T，在与非富勒烯小分子受体共混采用氯仿溶剂进行加工后，可获得功率转换效率高达16.2％的有机太阳电池。
[0004]现有的基于聚噻吩的高效有机太阳电池大多使用毒性较高的卤素溶剂加工而成，如氯仿(CF)，氯苯(CB)和1,2
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二氯苯(DCB)等。这些溶剂不仅对人体健康有害，同时污染环境，这对于有机太阳电池未来大规模商业化生产非常不利。因此有必要寻找一些特殊的能够溶解此类聚噻吩衍生物的非卤素溶剂，并开发采用非卤素溶剂加工，甚至绿色溶剂加工的高效有机太阳电池工艺，使基于聚噻吩的有机太阳电池体系更适应商业化生产应用的条件。

技术实现思路

[0005]在尝试非卤素溶剂加工基于聚噻吩衍生物给体PTVT
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T的有机太阳电池过程中，发现PTVT
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T由于结晶性较好，在一些常规的非卤素溶剂，如邻二甲苯，四氢呋喃(THF)，甲苯，1,2,4
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三甲苯中，溶解度很低，难以形成均匀的纳米级厚度的薄膜。
[0006]为了改善现有聚噻吩高效体系在溶液加工过程中大多采用毒性较大的卤素溶剂，以及在常规的非卤素溶剂中难以加工的问题，本专利技术提供一种通过非卤素溶剂加工制备基于聚噻吩体系的高效有机太阳电池的方法，从而实现减小加工过程中溶剂毒性的结果，进一步适应商业化生产的条件。
[0007]本专利技术进一步开发了一种新的适用于制备高效有机太阳电池的非卤素加工溶剂及溶剂组合，特别是用于制备基于聚噻吩衍生物给体的材料体系。
[0008]本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0009]一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池，所述有机太阳电池从下到上依次包括层叠的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极。所述活性层为聚噻吩衍生物充当给体、非富勒烯小分子充当受体的二元共混物。
[0010]所述聚噻吩衍生物给体，其结构式如式(1)所示：
[0011][0012]其中n为1～10000的自然数，R为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上官能团取代。
[0013]所述非富勒烯小分子受体，其结构式如式(2)所示：
[0014][0015]其中R1、R2独立地为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烷氧基链、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团；X为氢原子、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、或烷氧基链取代基；Y为氧原子、硫原子、铯原子、连接R基的氮原子取代基，其中R基为1～30个碳原子的
烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被烷氧基链、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烷氧基链、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团。
[0016]优选的，所述活性层的聚噻吩衍生物给体和非富勒烯小分子受体的质量比为1:0.5～1:3，厚度为50～300nm。
[0017]优选的，所述衬底为透明玻璃。
[0018]优选的，所述阳极为ITO，所述阳极的厚度为100～200nm。
[0019]优选的，所述空穴传输层为PEDOT:PSS，即掺杂有聚苯乙烯磺酸(PSS)的聚乙氧基噻吩(PEDOT)膜，所述空穴传输层的厚度为30～50nm。
[0020]优选的，所述电子传输层为PFN
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Br(聚[(9,9
‑
二(3'
‑
(N,N
‑
二甲氨基)丙基)芴基
‑
2,7
‑
二基)
‑
ALT
‑
[(9,9
‑
二正辛基芴基2,7
‑
二基)
‑
溴)，所述电子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池，其特征在于，所述有机太阳电池从下到上依次包括层叠的衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层以及阴极；所述活性层为聚合物给体和非富勒烯小分子受体的二元共混物。2.根据权利要求1所述的一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体为聚噻吩衍生物；受体为非富勒烯小分子；所述活性层厚度为50～300nm。3.根据权利要求2所述的一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池，其特征在于，所述聚噻吩衍生物，具有以下结构：其中n为1～10000的自然数，R为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代，或C1～C30烷基上一个或多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的一种以上官能团取代。4.根据权利要求1所述的一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池，其特征在于，所述非富勒烯小分子受体，具有以下结构：其中R1、R2独立地为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烷氧基链、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团；X为氢原子、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、或烷氧基链取代基；Y为氧原子、硫原子、铯原子、连接R基的氮原子取代基，其中R基为1～30个碳原子的烷基，或C1～C30烷基上一个或者多个碳原子被烷氧基链、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团，或C1～C30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、烷氧基链、烯基、炔基、芳基或酯基其中的一种以上官能团取代的基团。5.根据权利要求1所述的一种非卤素溶剂加工的基于聚噻吩体系的有机太阳电池，其特征在于，所述聚合物给体和非富勒烯小分子受体的质量比为1:0.5～1:3。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶轩立，杨婕，张桂传，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：