[发明专利]本体异质结太阳电池聚合物给体材料及合成和应用方法

说明书

技术领域

本发明属于有机光电转化功能材料及器件领域，具体涉及一种本体异质结太阳电池聚合物给体材料及其合成方法。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的主要问题。现在使用的能源多来自矿物燃料的开采，其中包括石油、天然气和煤等，然而这些资源是非常有限的。因此，发展新的能源和能源材料是我国进入21世纪必须解决的重大课题。太阳能、生物质能、核能(新型反应堆)、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能等被认为是新能源的代表。其中占地球总能量99％以上的太阳能具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染而价廉等特点，逐渐成为各国科学家竞相开发和利用的新能源。1954年，美国贝尔实验室成功研制了半导体硅太阳电池，开创了光电转换研究的先河。后来，随着空间技术的发展，空间用太阳电池得到迅速发展，但那时的研究几乎是不计成本的。近年来，随着技术的成熟、成本的降低、能源需求的增加和环保意识的提高，太阳电池逐渐走向民用。价廉、高效、可大面积制备的太阳电池材料一直是人们追求的目标。目前用作太阳电池的材料主要有元素半导体材料、无机半导体材料和固熔体。其中无机材料起步早，研究得也比较充分，在产业化方面已经取得了很大进展。但是无机半导体材料的加工工艺复杂，材料要求苛刻且不易进行大面积柔性加工，因此成本昂贵，难以大面积市场推广。此外，某些无机材料具有毒性，大规模应用会受到成本和资源分布的限制。尽管单晶硅材料的能量转化效率最高已达24％，无机材料如CdTe，CuInSe的能量转化效率普遍为10％，但高昂的材料成本和复杂的器件制备工艺使大规模应用的可能性非常小。从20世纪70年代起人们就开始探索将一些有机共轭化合物应用到太阳电池中。有机太阳电池材料的特点在于化合物的种类繁多，分子的化学结构容易修饰，化合物的合成提纯简单，生产工艺简单。有机太阳电池可以采用真空沉积，溶液旋涂，甚至喷墨打印技术来制备，可以在塑料衬底上制备柔性太阳电池，因此成本低廉且易于大规模推广。该类电池的突破性进展来自于80年代柯达公司采用真空沉积方法制备的固态有机小分子异质结太阳电池，后来Heeger小组采用旋涂方法制备了固态聚合物异质结太阳电池。有机/聚合物本体异质结太阳电池，因其制备简单、成本低廉、重量轻、可溶液加工和可制成柔性器件等突出优点近年来受到广泛重视。第一个以有机聚合物为活性层的太阳电池在20世纪80年代初就已经出现，但由于电池器件结构及聚合物本身的性能问题使这种电池的能量转化效率很低。1986年Tang等^[1]使用有机给体-受体异质结使器件的能量转化效率明显提高，达到接近1％，开创了有机给体-受体异质结太阳电池的研究方向。电子给体-受体方式被认为是目前实现有机光伏电池中激子解离的有效途径之一。因此，光敏层至少要使用两种功能材料(或组分)，即电子给体(donor或D)与电子受体(acceptor或A)组成。目前D相材料主要使用共轭聚合物，如聚对苯乙烯撑、聚噻吩和聚芴的衍生物，但它们的能隙较高。最近发展了低能隙的电子给体材料如噻吩、芴、吡嗪等的共聚物；而常用的A相材料主要是有机受体C₆₀及其衍生物，纳米ZnO，CdSe等无机受体材料以及含氰基等吸电子基团的共轭聚合物受体材料。基于富勒烯-共轭聚合物的本体异质结太阳电池一般由共轭聚合物(聚烷基化噻吩、聚甲基化对苯乙烯撑和聚烷氧基化对苯乙烯撑等)给体和1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯[6，6]C₆₁(PCBM)等受体的共混膜(光敏活性层)夹在透明导电ITO玻璃电极(阳极)和金属阴极之间构成。基于富勒烯和聚噻吩的本体异质结太阳电池是目前太阳电池的主要发展方向。经过努力，该类太阳电池的性能得到了很大提高，最高能量转化效率已经达到6.5％^[2]。但是和无机半导体硅和染料敏化太阳电池相比尚有一定差距。制约其能量转化效率提高的主要因素有电池的光谱响应范围与太阳光地面辐射光谱不匹配、载流子的迁移率不高以及电极对载流子的收集效率低等^[3]。此外，光敏层薄膜的稳定性对该类太阳电池的产业化进程也至关重要^[4]。噻吩作为一种含硫原子的五员环，化学稳定，容易加工，成本低廉，结构上具有很大的可修饰性，通过在硫的α和β位碳上引入一定的功能基团^[5]，较小的化学修饰可以在较大范围内调节所得有机光电功能材料的能级结构、量子效率、载流子迁移率和光物理等性质。由其构筑的各种线形、星状乃至超支化的有机光电功能材料已经在光电信息领域得到了广泛应用^[6]。噻吩类分子的自组装特性也非常优异，这使该类材料在构筑超分子螺旋状组装体、抗癌杀菌、生物传感检测和有机场效应晶体管等方面有很好的应用前景^[7]。富勒烯是一种完全由碳元素组成的笼状化合物，自从1990年实现以克级别合成以来，已经在磁学、光学和材料科学领域得到广泛应用。富勒烯是典型的电子受体，将其和电子给体-聚噻吩组合在本体异质结太阳电池方面应用也是必然趋势^[8]。随着目前能源短缺趋势的不断加剧和人们环保意识的不断增强，太阳能的利用必定会越来越受到重视。虽然基于富勒烯和聚噻吩的本体异质结太阳电池的能量转化效率已经达到6.5％左右，稳定性也有一定提高，但综合性能离实用化目标还有一定差距。