[发明专利]高富勒烯含量液晶分子作为异质结太阳能电池受体材料的应用

说明书

技术领域

本发明属于光伏材料领域，涉及一种富勒烯含量高的室温液晶化合物取代[6.6]-C₆₀-苯基丁酸甲酯(PCBM)作为体异质结太阳能电池受体材料来制备高性能太阳能电池。

背景技术

近年来，有机聚合物太阳能电池以其价格低廉、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等优点，成为可再生能源领域研究的热点。1986年C. W. Tang首次设计并制备了以酞青铜为给体层，以苝衍生物为受体层的双层有机太阳能电池，其能量转换效率达到1％。在双层有机太阳能电池中，虽然载流子可以在各自的主体中有效传输，但激子分离只发生在有限的给受体界面，再加上激子在给受体界面的分离速度较慢，使得一部分分离的激子重新发生复合，因此太阳能转换效率相对较低。1992 年, Heeger A. J.和Yoshino K. 等人发现，共轭聚合物作为电子给体材料，C₆₀作为电子受体材料的共混体系,在光诱导下可发生超快电荷转移，且该过程的速率远远大于其逆向过程。原因是C₆₀是一个很大的共轭系统，电子在由60个碳原子组成的分子轨道上处于离域状态，因此可以稳定外来电子。这一发现,使聚合物太阳能电池的研究成为新的研究热点。1995年俞钢等人把作为电子给体的共轭聚合物MEH-PPV和作为电子受体的C₆₀共溶于同一个溶剂中，通过旋涂方法，制备了给体和受体相互混合并形成互穿网络结构的共混膜，即所谓体异质结的有机太阳能电池，使得有机聚合物太阳能电池效率得到了实质性的提高。

由于富勒烯C₆₀或C₇₀与共轭聚合物之间可以发生超快电荷转移，极大的增强了激子在界面处的分离几率，大大提高了太阳能电池的短路电流，因此基于富勒烯的衍生物作为受体材料被广泛的应用于异质结太阳能电池中，尤其是[6.6]-C₆₀-苯基丁酸甲酯(PC₆₀BM)以及[6.6]-C₇₀-苯基丁酸甲酯(PC₇₀BM)是目前被普遍认为最为有效的受体材料。另外要想获得高性能异质结太阳能电池除了受体材料应具备超快电荷转移等特性，给受体材料共混膜还要具有纳米尺度的有序性，这样材料能保证激子获得足够的接触面积进行分离，进而有效的传输。然而这些富勒烯衍生物在薄膜状态下都是无定形状态，为了获得纳米尺度的有序共混膜，需要通过溶剂退火、热退火以及引入高沸点的添加剂等方法来实现。这就无形的增加了器件制备的难度和成本。

液晶分子不仅具有有序的排列方式而且对于光、电、声等都具有良好的响应性，将含富勒烯的液晶化合物应用在异质结太阳能电池中具有极大的潜力。在目前的合成方法中，所得到的含C₆₀的富勒烯液晶化合物的液晶相的相转变温度都比较高，比如大多数的相转变温度都在80℃以上，并且这些材料中富勒烯C₆₀的含量通常都在40%以下，这些都限制了其在太阳能电池领域的应用。因此，引入一种相转变温度相对较低、富勒烯含量高的液晶化合物作为太阳能电池的受体材料对于获得高性能太阳能电池具有极高的应用价值。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种高富勒烯含量液晶分子的新应用，即将具有低相转变温度的高富勒烯含量液晶分子作为受体材料应用在异质结太阳能电池中。

为达到上述发明目的，本发明的基本原理为：为了获得给受体材料共混膜的纳米有序排列结构，保证激子分离效率的同时又能提高载流子的传输和收集效率，发明人结合异质结太阳能电池利于激子分离和收集的优点，以及富勒烯液晶分子在液晶相的有序性，设计了基于低相转变温度、高富勒烯含量液晶分子为受体材料的异质结太阳能电池器件；通过在室温（液晶相态温度范围内）对给受体材料共混溶液进行旋涂，利用富勒烯液晶分子的自组装有序性诱导形成给受体材料共混的纳米有序结构薄膜；这样既能保证光生激子有效地分离，又能使分离的自由载流子在各自有序的相态中传输，因而可以提高载流子的传输效率以及收集效率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种高富勒烯含量液晶分子，其中，所述高富勒烯含量液晶分子包括：没食子酸衍生物部分、富勒烯酸部分，还包括一柔性连接臂，所述柔性连接臂的前体为二醇；其中柔性连接臂的两端以酯键分别和没食子酸衍生物部分、富勒烯酸部分相连；