[发明专利]有机自由基及其衍生物在光伏器件中的应用

说明书

本发明属于有机自由基光伏技术领域，具体涉及有机自由基及其衍生物在光伏器件中的应用。以有机自由基及其衍生物作为电子受体材料，小分子或者共轭聚合物作为电子给体材料，通过溶液加工的方法制备有机/聚合物光伏器件，从而产生光伏效应。本发明方法进一步拓宽了有机自由基材料在光电器件中的应用，打破了有机自由基材料的应用瓶颈，可以有效地拓展有机自由基材料的应用，发挥此类材料的潜在光电特性。

技术领域

本发明属于有机/聚合物光伏技术领域，具体涉及一种有机自由基及其衍生物在光伏器件中的应用。

背景技术

有机光伏器件是一类新型将太阳能转换成电能的器件，由于其成本低，制作方法简单、材料结构易变、质量轻、可柔性大面积制备等优点，引起了科学界和业界的广泛关注。在聚合物光伏器件中，活性层材料的选择最为重要，其中包含了有机或聚合物给体材料和受体材料。当前，众多给体材料和受体材料已经被科研工作者研究出来。同时，在有机/聚合物光伏器件领域，光伏器件的优化和创新是提高器件性能的一种绝佳手段。为了提高器件的稳定性和能量转换效率，科研者广泛开发了一系列的受体材料，其中比较出色的材料有电子受体材料选自于富勒烯或者富勒烯衍生物、金属化合物半导体量子点或者纳米线。但是此类受体材料，合成步骤繁琐、成本高，在一定程度上局限了有机光伏器件的发展。所以，开发全新概念和结构的有机光伏材料与体系成为一个十分迫切的任务。

有机自由基是一类电子结构非饱和态材料，具有一定的光电磁特性。目前，有机自由基的应用范围较窄，主要集中于有机自由基化合物或者有机自由基聚合物材料的设计与合成阶段，从而限制了有机自由基材料的进一步开发与应用。

发明内容

有机自由基其自身本征的开壳型电子结构，是一个缺电子中心，具有潜在结合电子的能力。因此，有机自由基材料可以应用于有机光伏器件中，实现高效的能量转换。本发明通过将有机自由基及其衍生物作为有机/聚合物光伏器件活性层的电子受体材料，应用在光伏器件中。

本发明提供的有机/聚合物光伏器件，其器件结构包括依次层叠的衬底、阳极层、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层、阴极层，或者器件结构包括依次层叠的衬底、阴极层、阴极修饰层、活性层、阳极修饰层、阳极层；其中所述的活性层中受体材料为一种有机自由基或其衍生物。

本发明的有机/聚合物光伏器件中的活性层为含有电子给体材料和电子受体材料的本体异质结结构的薄膜层，并且活性层的厚度为20～1000纳米；其中电子给体材料选自于共轭有机小分子、聚乙烯撑类芳香聚合物、聚芴、聚硅芴、聚咔唑、聚噻吩、聚吲哚咔唑、聚茚芴、聚苯并二噻吩的均聚物或者共聚物、钙钛矿材料、无机量子点半导体或者无机半导体纳米线；电子受体材料选自于一种有机自由基或其衍生物。

本发明的有机自由基及其衍生物为碳自由基有机材料，氧自由基有机材料或者氮自由基有机材料。

本发明优选的自由基有机材料的结构如下：

本发明所述的聚合物光伏器件中衬底为玻璃或者透明塑料薄膜；阳极层为铟参杂的氧化锡薄膜、氟参杂的氧化锡薄膜、铝参杂的氧化锌薄膜、金属银或者金薄膜；阳极修饰层为聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT：PSS)的混合薄膜、聚三苯胺的均聚物或共聚物、聚咔唑的均聚物或共聚物、氧化钼薄膜、氧化镍薄膜、氧化钒薄膜或者氧化钨薄膜；所述阴极修饰层为碱金属、碱土金属、碱金属化合物、碱土金属化合物复合膜或者为含有极性基团的有机/聚合物材料；所述阴极层为铝、银、导电金属氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物、碳纳米管。

本发明所述的有机/聚合物光伏正置器件的制备方法为：

(1)在衬底上通过溶液加工法或者真空蒸镀法依次制备阳极层、阳极修饰层。

(2)将有机自由基或其衍生物与给体材料在有机溶剂中共混溶解，通过溶液加工方法获得活性层；

(3)在活性层上通过溶液加工法或者真空蒸镀法制备阴极修饰层。