[发明专利]一种太阳能电池用材料

说明书

本发明涉及一种有机太阳能电池用材料，该材料具有式1所示结构(A)m‑G‑(D)n式1式1中的G为碳纳米管、石墨烯或其衍生物，A为受体单元，D为给体单元，A和D可以是有机小分子也可以是高分子聚合物，m、n为整数，且不同时为0。该材料可用于有机太阳能电池的活性层、电子传输层或空穴传输层。

技术领域

本发明涉及一种有机太阳能电池用材料及其制备方法。该材料可用于有机太阳能电池的活性层、空穴传输层或电子传输层。

背景技术

太阳能作为一种清洁、廉价、可持续的能源受到全世界广泛的关注。太阳能电池根据材料不同可分为硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池等。目前太阳能电池市场中占主导地位的是硅太阳能电池，高效单晶硅效率实验室最高效率已达到27％以上，量产效率也已经达到24％，但是由于晶体硅太阳能电池对原材料的纯度要求高，制备工艺复杂，导致成本较高，且在大面积生产中存在阻碍。而有机太阳能电池因为材料来源广泛、便宜、不易碎、易运输、加工容易、质量轻、柔性好、易于大面积的柔性器件制备、可用于散射光环境等优点，近年逐渐成为人们研发的重点。

随着研究的深入，有机太阳能电池的效率已经由最初的1％增长至目前的17％，但和无机太阳能电池相比，有机太阳能电池无论从能量转换效率还是器件稳定性等方面都尚未成熟，为此本领域的科研人员做了大量研究，尤其是将给体和受体化合物共混极大的增加了给体和受体的接触面积，利于激子的传输，和提高光电转换效率。但是这种给体受体混合结构也容易发生相分离而降低电荷分离效率，导致稳定性下降，效率降低。

碳纳米管和石墨烯作为一种新型材料，由于其具有高透明性、高导热系数、高电子迁移率和低电阻等特性，在太阳能电池领域受到了广泛的关注。目前有些研究已经将石墨烯或其衍生物用于太阳能电池储能、电极材料、受体材料或电子传输材料等，都表现出了良好的特性。碳纳米管和石墨烯都具有非常大的比表面积和良好的导电性，能够提供大的接触面积，提高激子的扩散速率和载流子的迁移率，且不会因传输路径破坏而产生激子复合。但是一般的碳纳米管和石墨烯溶解性较差，需要对其进行修饰。常见的修饰方法是进行氧化、还原、或引入其他活性基团。

发明内容

为了改善混合结构容易发生相分离的问题，提高载流子迁移率、器件稳定性和提高电池效率，降低成本，本发明提出一种太阳能电池用材料，是以碳纳米管、石墨烯或其衍生物为基础，通过化学反应与给体基团和受体基团结合，得到具有给体-石墨烯(或碳纳米管)-受体结构的化合物。该化合物中的给体基团受到光照产生电子和空穴，电子向石墨烯(或碳纳米管)和受体基团上迁移，经过电子传输层最终传至负极表面；空穴通过空穴传输层传输到正电极表面，空穴和电子分别被正负电极收集，产生电势差，实现光生伏特现象。该化合物除用于有机太阳能电池的活性层外、根据给体受体结构的不同，还可用于电子传输层或空穴传输层。本发明还包括上述材料的合成方法。

具体而言，本发明包括以下方面:

1.一种太阳能电池用材料，其结构如式1所示：

(A)m-G-(D)n

式1

其中，G为单臂碳纳米管、多臂碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或其他石墨烯衍生物；D为给体单元；A为受体单元；m、n为整数，可以相同也可以不同，但不同时为0.

2.根据前述1所述的材料，式1中的m、n为整数，可以相同也可以不同，但都不为0.

3.根据前述1所述的材料，所述单臂碳纳米管可以是直径小于2nm的单臂碳纳米管；所述多臂碳纳米管可以是直径小于20nm的多臂碳纳米管。

4.根据前述1所述的材料，式1中G可以是含有氟、氯、溴、羟基、羧基、磺酸基、氰基、氮、硫、磷或氧等中的一种或多种以上元素或基团的石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或其他石墨烯衍生物。