[发明专利]一种还原氧化石墨烯‑3,4,9,10‑苝四甲酸钾复合物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于有机光伏材料领域，涉及一种还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四甲酸钾复合物，其制备方法，及其作为阴极缓冲层材料在制备有机光伏器件，特别是有机聚合物太阳能电池中的用途。

背景技术

有机聚合物太阳能电池（Organic Polymer Solar Cell，OPSC）是一类新型薄膜太阳能电池。这类电池具有柔性好、环境友好等优点，预期将具有较好的商业化前景。近年来，这类电池的效率增长较快，最新报道的叠层聚合物太阳能电池的效率已经达到11.3%。但是，这类电池的稳定性仍有待提高，并且在生产成本方面也具有一定的压缩空间。

具体而言，有机聚合物太阳能电池的阴极缓冲层一般采用金属钙或氟化锂。由于这类材料的电子传输性能较好，并且其表面功函与常用的金属铝电极以及受体材料的LUMO能级都较为匹配，因此以钙或氟化锂作为阴极缓冲层制备的器件的效率较高。但是，钙或氟化锂缓冲层均需通过真空蒸镀或溅射的方法制备，制备成本较高。另外，由于这类材料对水及空气都非常敏感，且易向光活性层扩散，从而造成器件在空气中效率衰减很快，稳定性较差。

鉴于此，研究并开发一种具有较低的制备成本和较高的稳定性的阴极缓冲层材料将具有重要的科研意义和经济价值。

发明内容

石墨烯具有二维大π共轭结构，可用于制备性质可调的新型半导体材料。其中，还原氧化石墨烯（rGO）具有相对较高的导电性和稳定性，是一种良好的电子传输材料。但是，由于还原氧化石墨烯的功函（4.4~4.5 eV）与铝电极及受体材料的LUMO能级匹配较差，因此单纯以还原氧化石墨烯作为阴极缓冲层（或电子传输层）制备的器件的效率很低。通过化学修饰或改性的方法可以降低石墨烯的功函，从而更有效地收集电子，可以作为阴极缓冲层（或电子传输层）应用到有机聚合物太阳能电池中。

本发明采用非共价键化学修饰的方法制备了还原氧化石墨烯与3,4,9,10-苝四甲酸钾（K₄PTC）的复合物，方法简单，易于大量制备。由于该复合物在水或有机溶剂中的分散性较好，因此采用溶液法制备了厚度可控的阴极缓冲层，并用于构筑有机聚合物太阳能电池。所得器件不但电池效率较高，在空气中的稳定性较好，而且制备成本大幅降低。

一方面，本发明提供了一种还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四甲酸钾复合物的制备方法，其包括如下步骤：

1）将氧化石墨烯（GO）分散在水中，按照氧化石墨烯:3,4,9,10-苝四甲酸钾（K₄PTC）=1:1.1~1.5的质量比，加入3,4,9,10-苝四甲酸钾并混合，得到混合液；

2）按照氧化石墨烯:硼氢化钠=1:1.1~1.3的质量比，向步骤1）中得到的混合液中加入硼氢化钠（NaBH₄），加热至回流，在搅拌条件下反应3~4小时后冷却至室温，得到反应液；

3）将步骤2）中得到的反应液放入透析袋中透析2~3天，冷冻干燥透析袋中内容物，得到还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四甲酸钾复合物。

优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述氧化石墨烯通过Hummers法制得。

优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述水为双蒸水。

优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述混合通过超声或加热搅拌的方式完成；更优选的，所述超声的时间为2~3小时；所述加热搅拌的温度为40~60℃，时间为8~12小时。

优选的，在上述制备方法中，步骤3）中所述透析袋的截留分子量为1000。通过透析过程可以除去游离的、未吸附的K₄PTC及其他小分子盐类，而将饱和吸附K₄PTC的rGO留在透析袋中，达到分离纯化的效果。

另一方面，本发明提供了一种通过上述制备方法制备的还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四甲酸钾复合物。

最后一方面，本发明提供了上述还原氧化石墨烯-3,4,9,10-苝四甲酸钾复合物作为阴极缓冲层在制备有机光伏器件，特别是有机聚合物太阳能电池中的用途。