一種有機(jī)太陽能電池器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽能電池器件及其制備方法，尤其涉及一種聚合物太陽能 電池器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能是一種綠色無污染，取之不盡，用之不竭的清潔能源。開發(fā)和利用太陽能 是解決能源危機(jī)最有前景的手段。相比無機(jī)硅晶太陽能電池材料，聚合物太陽能電池是一 種薄膜的全固態(tài)太陽能電池，具有質(zhì)量輕，成本低，兼容柔性基底以及容易大面積制備等優(yōu) 點(diǎn)。近年來，基于共輒聚合物的體異質(zhì)結(jié)太陽能電池成為新的研究熱點(diǎn)，經(jīng)過短短十幾年的 發(fā)展，其最高的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到10%，顯示了非常光明的商業(yè)化前景。有機(jī)太陽能 電池主要包括五個(gè)組成部分：陽極，陽極界面修飾層，光電活性層，陰極界面修飾層和陰極。 其中，界面修飾層作為連接電極與活性層之間的橋梁，對(duì)電荷的提取和收集具有極為重要 的意義。研究表明，這些電極修飾層可以有效調(diào)節(jié)電極功函，提高電極與活性層之間的歐姆 接觸，對(duì)電荷收集以及器件能量轉(zhuǎn)換效率具有至關(guān)重要的作用。
[0003] 因此，在0PV器件中，新型界面層材料的發(fā)展以及界面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的革新，都能對(duì) 器件的光電性能產(chǎn)生根本性的提高。例如，PH)〇T :PSS以及M〇03等經(jīng)典的陽極界面修飾材 料，被廣泛的應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池研究中，使光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率大幅增加。另一 方面，通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面層制備方法方面的革新，往往可以同時(shí)起到簡化工藝和提 高器件性能的作用。相比傳統(tǒng)的旋涂PED0T方法制備修飾層，Heeger等人通過制備自組裝 單分子層薄膜的方法修飾IT0電極，得到的基于PTB7 :PC71BM的0PV器件能量轉(zhuǎn)化效率由 7. 3%提高到8. 2%。該方法不僅使器件性能得到提升，還簡化了材料合成方面的難度，降 低了制備成本（Choi H;Adv.Mater. 2014)。與此同時(shí)，為了提高光電器件各方面的性能，科 研工作者們還利用各種手段修飾金屬陰極。華南理工大學(xué)的吳宏濱使用胺基取代的聚芴衍 生物PFN作為金屬陰極修飾層，同時(shí)搭配PED0T:PSS作為IT0陽極界面修飾材料，在PTB7/ PC 71BM的器件中，能量轉(zhuǎn)化效率提高到8. 4%，為發(fā)表當(dāng)時(shí)聚合物太陽能電池文獻(xiàn)報(bào)道的最 高效率（Adv. Mater. 2011，23, 4636 - 4643)。
[0004] 不難發(fā)現(xiàn)，界面層結(jié)構(gòu)的每一次創(chuàng)新都可以帶來0PV器件性能方面的突破性進(jìn) 展，因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的界面修飾層具有重要的研究意義。然而，雖然現(xiàn)階段的陽 極和陰極界面修飾材料的研究和發(fā)展都非常迅速，但是在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中卻仍然存在很大 的問題：陽極界面修飾層與陰極界面修飾層材料需要分別篩選自能級(jí)結(jié)構(gòu)差別很大的不同 材料，并通過不斷的測試和優(yōu)化，最終將搭配最佳的兩種材料用于同一器件中，使器件達(dá)到 一個(gè)最優(yōu)化的工作條件。這種實(shí)驗(yàn)方法不僅使器件的制備過程變得繁瑣復(fù)雜，并且，當(dāng)選取 的兩種界面修飾層材料匹配度不高的時(shí)候，會(huì)大大降低器件的工作效率，甚至造成器件不 工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種有機(jī)太陽能電池器件及其制備方法，該有機(jī)太陽能電池 器件中的陽極界面修飾層和陰極界面修飾層均使用同種共輒聚合物，大大簡化了界面修飾 層材料的優(yōu)化過程和制備工藝，并且降低了材料的合成成本，且能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)7. 9%以 上。
[0006] 本發(fā)明提供的有機(jī)太陽能電池器件，它包括依次連接的陽極電極層、陽極界面修 飾層、光活性層、陰極界面修飾層和陰極電極層，制備所述陽極界面修飾層和所述陰極界面 修飾層的材料相同，且均為式I所示聚合物；
[0007]
[0008] 式I中，A選自磺酸基、磺酸鈉基、磺酸鉀基、磺酸鋰基、磺酸銨基、磺酰胺基、羧酸 基、羧酸酯基、羧酸鈉基、羧酸鉀基、羧酸鋰基、羧酸銨基和酰胺基中的任意一種；R選自碳 原子數(shù)為1~12的烷基；Ar選自未取代或取代的下述基團(tuán)中的任意一種：單環(huán)亞芳基、雙 環(huán)亞芳基、三環(huán)及以上環(huán)的亞芳基、單環(huán)雜亞芳基、雙環(huán)雜亞芳基、三環(huán)及以上環(huán)的雜亞芳 基、通過單鍵連接的2~6個(gè)亞芳基所形成的基團(tuán)；n代表聚合物的重復(fù)單元個(gè)數(shù)，為2~ 500之間的自然數(shù)。
[0009] 上述有機(jī)太陽能電池器件中，式I中，R可選自丙基或丁基。
[0010] 上述有機(jī)太陽能電池器件中，式I中，Ar可為下述1)或2):
[0011] 1)未取代的具有獨(dú)立地選自氮、硫和硒的1~6個(gè)雜原子的單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)雜亞 芳基；取代的具有獨(dú)立的選自氮、硫和硒的1~6個(gè)雜原子的單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)雜亞芳基，其 中，Ar任選被苯基、烷基取代、或Ar基團(tuán)上的兩個(gè)相鄰碳原子被取代以一起形成乙撐二氧 基；
[0012] 2)含有1~4個(gè)氮原子的單環(huán)雜亞芳基。
[0013] 在一些實(shí)施案例中，式I可為下述式I-1或式I-2所示聚合物：
[0014]
[0015] 式I-1和式I-2中，M可選自氫、鈉、鉀、鋰、銨和胺基中的任意一種；Ar可選自未 取代或取代的下述基團(tuán)的任意一種：單環(huán)亞芳基、雙環(huán)亞芳基、三環(huán)及以上環(huán)的亞芳基、單 環(huán)雜亞芳基、雙環(huán)雜亞芳基、三環(huán)及以上環(huán)的雜亞芳基、通過單鍵連接的2~6個(gè)亞芳基所 形成的基團(tuán)；n代表聚合物的重復(fù)單元個(gè)數(shù)，可為2~500之間的自然數(shù)。
[0016] 式I-1和式I-2中，優(yōu)選地，Ar可為未取代或取代的具有獨(dú)立地選自氮、硫和硒 的1~6個(gè)雜原子的單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)雜亞芳基，其中，Ar任選被苯基、烷基取代、或Ar基 團(tuán)上的兩個(gè)相鄰碳原子被取代以一起形成乙撐二氧基。更優(yōu)選地，Ar為含有1~4個(gè)氮原 子的單環(huán)雜亞芳基。
[0017]在一些實(shí)施案例中，式I可為下述式I-3或式I-4所示聚合物：
[0018]
[0019] 式I-3和式I-4中，M選自氫、鈉、鉀、鋰、銨和胺基中的任意一種，Ar選自未取代 或取代的基團(tuán)：單環(huán)亞芳基、雙環(huán)亞芳基、三環(huán)及以上環(huán)的亞芳基、單環(huán)雜亞芳基、雙環(huán)雜亞 芳基、三環(huán)及以上環(huán)的雜亞芳基、通過單鍵連接的2~6個(gè)亞芳基所形成的基團(tuán)；n代表聚 合物的重復(fù)單元個(gè)數(shù)，為2~500之間的自然數(shù)。
[0020] 式I -3和式I -4中，優(yōu)選地，Ar可選自未取代或取代的具有獨(dú)立地選自氮、硫和 硒的1~6個(gè)雜原子的單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)雜亞芳基，其中，Ar任選被苯基、烷基取代、或Ar基 團(tuán)上的兩個(gè)相鄰碳原子被取代以一起形成乙撐二氧基。更優(yōu)選地，Ar可為含有1~4個(gè)氮 原子的單環(huán)雜亞芳基。
[0021] 上述有機(jī)太陽能電池器件中，式I所示聚合物具體可選自下述式I -a(PFS-PF)、 式 I -b(PFS-Th)、式 I -c(PFS-biTh)、式 I -d(PFCA-PF)和式 I -e(PFCA-biTh)中的任意 一種：
[0022]
[0023] 其中，n代表聚合物的重復(fù)單元個(gè)數(shù)，為2~500之間的自然數(shù)。
[0024] 上述式I所示聚合物的制備方法，包括如下步驟：式II所示化合物和式III所示化 合物在催化劑的作用下，經(jīng)聚合即可得到式I所示聚合物；所述催化劑為四（三苯基膦） 鈀、雙（二亞芐基丙酮）鈀或雙三苯基磷二氯化鈀；
[0025]
[0026] 式II和式III中，A、R和Ar的定義同式I;式III中的X依賴式II中的Y進(jìn)行選擇；
[0027] 式II中，Y選自硼酸基團(tuán)、硼酸酯基團(tuán)、鹵化鋅基團(tuán)、鹵化鎂基團(tuán)和三烷基錫基團(tuán)中 的任意一種，且式III中X選自I、Br和C1中的任意一種；
[0028] 式II中，Y選自I、Br和C1中的任意一種，且式III中X選自硼酸基團(tuán)、硼酸酯基團(tuán)、 鹵化鋅基團(tuán)和三烷基錫基團(tuán)中的任意一種。
[0029] 其中，所述硼酸基團(tuán)選自包括但不限于：1，3, 2-二氧雜硼烷-2-基、4,4, 5, 5-四甲 基-1，2, 3- 二氧雜環(huán)戊棚燒_2-基和5, 5- 二甲基-1，3, 2- 二氧雜棚燒_2-基；所述鹵化儀 基團(tuán)選自包括但不限于：氯化鎂、溴化鎂和碘化鎂；所述鹵化鋅基團(tuán)優(yōu)選氯化鋅或溴化鋅； 所述三烷基錫基團(tuán)選自包括但不限于：三甲基錫、三乙基錫和三丁基錫。
[0030] 定義和命名：除非另外指出，否則本發(fā)明不局限于特定的原料、試劑或者反應(yīng)條 件，而是可以變化。本文所用的術(shù)語"烷基"指支化的或未支化的飽和烷基，其通常但并非 必需地含有1至30個(gè)碳原子，如甲基、乙基、正丙基、異丙基、正辛基、異辛基、癸基等；以及 環(huán)烷