[发明专利]有机太阳能电池给体材料、有机太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机光伏中小分子有机太阳能电池领域，具体涉及一种新型可溶性有机小分子材料的合成、制备方法和用途，以及以该材料作为活性层给体材料的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在过去的十几年中，有机光伏电池领域得到了快速发展。其转换效率的快速革新引起了科学领域和光伏产业的注意。虽然有机薄膜电池的光电转换效率与无机太阳能电池尚有一定的差距，但有机太阳能电池具有低成本，柔性、质量轻、低污染等优点，使得有机太阳能电池在解决能源问题上具有巨大的潜力。到目前为止基于外延层剥离技术制备的无机电池GaAs薄膜器件效率已高达28.8％，己经非常接近单结器件效率的理论最大值30％。同时有机太阳能电池的研也默默地取得了很大的进展，器件效率从早期的3％增加到现在的12％。有机太阳能电池主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，通过光伏效应产生电压和电流，其工作原理与无机太阳能电池的工作原理类似，都是基于光伏效应：主要过程是在光照条件下，有机半导体吸收光子，然后形成激子，当激子扩散到活性层接触面时，电子-空穴对在给受体能级差的作用下分解为自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴被电极收集形成电流，实现太阳能转化为电能的目的。其工作原理图如图1所示。有机太阳能电池根据其使用活性层材料可分为聚合物太阳能电池和小分子太阳能电池，虽然聚合物太阳能电池光电转换效率普遍高于小分子太阳能电池。但小分子因为其先天的优势可修饰性强，如确定的分子结构、分子合成相对简单、容易提纯、能级和带隙都可以通过化学手段去控制等，越来越受到各科研机构的重视，而且目前为止最新的小分子太阳能电池得效率已经基本接近聚合物电池做到的最高水平。

虽然小分子有机太阳能电池在近几年来有了十足的进展，许多研究机构以及高校实验室已经开始把研究重点从聚合物转向小分子太阳能电池。但是到目前为止绝大多数用于有机太阳能电池的小分子相对分子量过大、主体结构比较单一、结构比较相似，基本都是以三苯胺、噻吩、联噻吩或是苯并噻二唑和烃基链为基本单元构成的结构。大多数小分子结构都比较复杂，分子量也比较大，合成过程相对复杂。因此合成相对容易、结构相对简单的可用于有机太阳能电池的小分子值得研究，本文本着简单合成的原则设计合成一种可用于有机太阳能电池给体材的新型小分子，这种小分子的主体结构都是极为简单的U型，且分子量都很小，并将其作为给体材料成功的运用在有机太阳能电池的制备上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型有机小分子光伏材料，并将其作为给体材料应用在有机太阳能电池领域，以及提供与这种材料对应的有机太阳能电池和制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，有机太阳能电池给体材料，其特征在于，其结构式为：

进一步的，本发明还提供一种采用前述的有机太阳能电池给体材料的有机太阳能电池，其受体材料为PC₇₁BM。

本发明还提供一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)活性层材料配置：以CB为溶剂，按照小分子给体材料：受体材料：溶剂＝a毫克：b毫克：c毫升的比例配置混合溶液。其中a为1～20，b为2～60， c为0.1～2；

2)ZnO配置：将a毫克醋酸锌，b毫克乙醇胺，c毫升二甲氧基乙醇同时放置于溶剂瓶中搅拌d小时，最终生成ZnO溶液体积为1～2毫升。其中a为100～ 300，b为30～70，c为1～2，d为12～48。

3)ITO玻璃清洗，干燥，等离子臭氧处理；

4)在步骤3)处理后的ITO玻璃上旋涂ZnO溶液，然后加热退火；

5)将步骤4)处理后的ITO玻璃置于氮气环境下，旋涂活性层材料；

6)在步骤5)处理后的ITO玻璃上的活性层上蒸镀空穴传输层材料MoO₃和阴极电极材料Ag；

所述小分子给体材料即前述的有机太阳能电池给体材料。

本发明的有益效果是，采用本发明技术的有机小分子太阳能电池具有较高的的转换效率，特别是，本发明的电池采用倒置结构，这种结构的器件阳极和阴极与传统电池电极位置相反。一般利用ITO作为阴极，而用较高功函数的金属作为阳极，有效避免了电极的氧化及其与PEDOT:PSS直接接触造成的腐蚀。不仅如此这种结构的电池还具有较好的空气稳定性以及器件制备更为便利，而且在倒置结构的电池中，受体在透明导电氧化物一侧具有更高的浓度，因而倒置结构电池在收集电子方面具有天然优势，这很有利于器件的效率提升。

附图说明