一種有機太陽能電池的陰極界面材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種有機太陽能電池的陰極界面材料，所述陰極界面材料為含有酰亞胺基團的有機化合物摻雜的氧化鋅薄膜；所述含有酰亞胺基團的有機化合物為含有酰亞胺基團的小分子化合物或含有酰亞胺基團的聚合物。本發明專利技術還公開了上述陰極界面材料的制備方法，將含有酰亞胺基團的有機化合物溶入氧化鋅溶液或氧化鋅的前驅體溶液中，采用溶液加工技術制備成薄膜。本發明專利技術可大幅提高有機太陽能電池的性能；并且采用溶液加工技術，制備工藝簡單，制作成本低。

【技術實現步驟摘要】
一種有機太陽能電池的陰極界面材料及其制備方法
本專利技術涉及光電材料與器件領域，特別涉及一種有機太陽能電池的陰極界面材料及其制備方法。
技術介紹
氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優異的常溫發光性能，在半導體領域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發光二極管等產品中均有應用。此外，微顆粒的氧化鋅作為一種納米材料也開始在相關領域發揮作用。為了進一步提高氧化鋅在光電器件中的應用，必須實現對氧化鋅導電特性的控制和能帶工程，這就涉及了氧化鋅的摻雜。通過摻雜施主元素，氧化鋅的電導率可以提高幾個數量級，使得氧化鋅成為一種典型的透明導電氧化物可應用于發光器件、太陽能電池、光波導、傳感器、平板液晶顯示器和紅外反射器等領域，特別是在有機太陽能電池中，摻雜氧化鋅的高導電性能夠滿足大面積加工所需要的厚度不敏感要求。有機太陽能電池由于其原料價格低，重量輕，可制備柔性器件，以及可溶液加工性進一步降低其制作成本而受到越來越多的關注，在科學界對于有機太陽能電池的研究也日趨熱烈。目前實驗室中制備的有機太陽能電池的能量轉換效率已經超過10％，但是在實驗室制備有機太陽電池的技術并不能夠直接用于規?；a。為了實現有機太陽電池的規?；a，必須要解決一系列的問題，主要包括：提高器件穩定性、溶劑環境友好、提高器件性能、界面層和活性層厚度不敏感、原料價格便宜等。一般來講，常規有機太陽能電池由襯底，陽極(陰極)界面層、光活性層、陰極(陽極)界面層、金屬電極依次層疊構成。由于已經產業化的PEDOT：PSS以及MoO3作為陽極界面具有很好的性能，所以開發合適的陰極界面層對于有機太陽能電池的能量轉換效率和穩定性起到至關重要的作用(參考本申請人等2013年的中國專利技術專利申請書，申請號：201310088849.4,專利名稱：一種倒置結構的有機/聚合物太陽電池)。由于陰極界面層對于有機太陽能電池的重要作用，人們在制備高性能有機太陽能電池陰極界面領域付出了巨大的努力也取得了一定成果，主要包括金屬鹽(例如碳酸銫，氟化銫)，n型金屬氧化物(例如氧化鋅，氧化鈦)和共軛聚合物電解質。然而，這些界面存在一個難以大規模加工的問題不能適合商業化生產。我們以最經典的基于PTB7：PC71BM為光活性層的有機太陽電池為例，利用共軛聚合物電解質作為陰極界面的有機太陽能電池的能量轉換效率在實驗室制備的器件中超過9％，但是這種共軛聚合物電解質界面的厚度必需介于5nm到10nm之間才能獲得高器件效率，如果超過10nm厚度以后電池的性能將發生非常嚴重的降低，比如14nm時能量轉換效率將由9％降為0.03％。在工業生產中是很難制備如此薄的界面或者難以保證薄膜的均一性。
技術實現思路
為了克服現有技術的上述缺點與不足，本專利技術的目的在于提供一種有機太陽能電池的陰極界面材料，著提高有機太陽能太陽電池的性能。本專利技術的另一目的在于提供上述有機太陽能電池的陰極界面材料的制備方法，顯著降低規?；a難度與成本。本專利技術的目的通過以下技術方案實現：一種有機太陽能電池的陰極界面材料，所述陰極界面材料為含有酰亞胺基團的有機化合物摻雜的氧化鋅薄膜；所述酰亞胺基團具有以下結構：其中，式中：n＝1,2,3；R1、R2為H、氨基或吡啶基團：X1～X4為H、F、Cl、Br、CN、C1～C20的烷基、吡啶氧基或可取代的苯氧基(包括取代苯氧基和未取代苯氧基)。所述含有酰亞胺基團的有機化合物為含有酰亞胺基團的小分子化合物或含有酰亞胺基團的聚合物。所述吡啶氧基為鄰位、間位或對位的吡啶氧基。所述有機太陽能電池的陰極界面材料的制備方法，包括以下步驟：將含有酰亞胺基團的有機化合物溶入氧化鋅溶液或氧化鋅的前驅體溶液中，采用溶液加工技術制備成薄膜；其中，含有酰亞胺基團的有機化合物與氧化鋅的質量比為0.1:100至10:100。所述氧化鋅溶液為將氧化鋅溶解在有機溶劑或無機溶劑或有機無機混合溶劑中形成。所述氧化鋅的前驅體溶液為將鋅鹽溶解在有機溶劑或無機溶劑或有機無機混合溶劑中形成。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點和有益效果：(1)本專利技術采用含有酰亞胺基團的化合物摻雜氧化鋅，可顯著提高氧化鋅的導電性，采用這種摻雜的氧化鋅作為陰極界面層能夠顯著提高有機太陽能太陽電池的性能，尤其是能量轉化效率，開路電壓，短路電流和填充因子這四項重要指標。(2)本專利技術采用溶液加工技術，制備工藝簡單，制作成本低。(3)本專利技術制備的太陽電池，可同時采用對太陽光譜(波長處于250-2400納米的范圍)具有10％以上的透射率的薄膜作為兩端的陽極和陰極電極，實現透明或者半透明的太陽電池。(4)本專利技術克服了現有的陰極界面材料在制備有機太陽能電池時需要嚴格控制陰極界面層厚度的缺點，采用本專利技術的陰極界面材料制備的有機太陽能電池，在陰極界面層厚度增加至90nm時并沒有發生明顯降低，這種較厚狀態下性能保持良好的陰極界面層非常適合于廉價的大面積生產技術，比如噴墨打印，這對于未來的有機太陽能電池的工業化生產具有重大意義。附圖說明圖1為本專利技術的實施例的有機太陽能電池的結構示意圖。具體實施方式下面結合實施例，對本專利技術作進一步地詳細說明，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例同批號ITO(氧化銦錫)導電玻璃襯底若干，規格為15毫米×15毫米，ITO的厚度約為130納米，其方塊電阻約為20歐姆/方塊。依次用丙酮、微米級半導體專用洗滌劑、去離子水、異丙醇超聲處理10分鐘清潔ITO襯底表面，隨后放入恒溫烘箱中80℃下靜置4小時烘干。烘干后置于勻膠機(KW-4A型)上，再在烘干的ITO上面，滴注含有酰亞胺基團的小分子化合物，或者為含有酰亞胺基團的聚合物摻雜的氧化鋅的前驅體溶液或氧化鋅溶液，經高速旋涂(600-6000轉/分鐘)，后200攝氏度加熱5-60分鐘，獲得的陰極界面層的厚度在0.1-100納米。陰極界面層還可將含有酰亞胺基團的小分子化合物，或者為含有酰亞胺基團的聚合物摻雜的氧化鋅的前驅體溶液或氧化鋅溶液采用刷涂、噴涂、浸涂、輥涂、絲網印刷、印刷、噴墨打印或原位聚合的方式在陰極上形成陰極界面層。所述氧化鋅溶液為將氧化鋅溶解在有機溶劑或無機溶劑或有機無機混合溶劑中形成。所述氧化鋅的前驅體溶液為將鋅鹽(包括無機鋅鹽如氯化鋅，有機鋅鹽如醋酸鋅)溶解在有機溶劑或無機溶劑或有機無機混合溶劑中形成。所述陰極界面層材料為含有酰亞胺基團的小分子化合物或含有酰亞胺基團的聚合物摻雜的氧化鋅，一種優良的電子傳輸材料，可對高功函數金屬或者ITO提供歐姆接觸。含有酰亞胺基團的小分子化合物，或者含有酰亞胺基團的聚合物摻雜的前驅體溶液或氧化鋅溶液的配制是在空氣中完成的并置于攪拌臺上攪拌均勻。所述酰亞胺基團具有以下結構：式中：n＝1,2,3；R1、R2為獨立可變化取代基團，為H、氨基或吡啶基團：X1～X4為獨立可變化基團，具體為H、F、Cl、Br、CN、C1～C20烷基，苯氧基(含取代苯氧基)或吡啶氧基(含臨、間、對位)基團。隨后在由上述方法制得的襯底/陰極/陰極界面層上，制備活性層。典型的活性層由聚合物給體材料和電子受體材料。所述電子給體材料為共軛聚合物或有機小分子(如并苯類，酞氰類，噻吩寡聚物)。所述電子受體材料為可以為C60、C60的衍生物(如[6,6]-苯基-C61–丁酸甲酯(PC61BM))、C70、C70的衍本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種有機太陽能電池的陰極界面材料，其特征在于，所述陰極界面材料為含有酰亞胺基團的有機化合物摻雜的氧化鋅薄膜；所述酰亞胺基團具有以下結構：其中，式中：n＝1,2,3；R1、R2為H、氨基或吡啶基團：X1～X4為H、F、Cl、Br、CN、C1～C20的烷基、吡啶氧基或可取代的苯氧基。

【技術特征摘要】
1.一種有機太陽能電池的陰極界面材料，其特征在于，所述陰極界面材料為含有酰亞胺基團的有機化合物摻雜的氧化鋅薄膜；所述酰亞胺基團具有以下結構：其中，式中：n＝2,3；R1、R2為H、氨基或吡啶基團；X1～X4為H、F、Cl、Br、CN、C1～C20的烷基、吡啶氧基或苯氧基或取代的苯氧基；所述含有酰亞胺基團的有機化合物為含有酰亞胺基團的小分子化合物或含有酰亞胺基團的聚合物。2.根據權利要求1所述的有機太陽能電池的陰極界面材料，其特征在于，所述吡啶氧基為鄰位、間位或對位的吡啶氧基。3.權利要求1～2任一項所述有機太陽能電池的陰極界...

【專利技術屬性】
技術研發人員：解增旗，輦理，張文強，趙恒濤，馬於光，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44