[发明专利]包含基于酰亚胺的共轭骨架化合物作为光活性材料的体异质结型有机太阳能电池

说明书

本发明涉及体异质结(BHJ)型有机太阳能电池。通常，这种太阳能电池至少包括衬底、阴极、空穴导电层、施主材料与受主材料的共混物的体异质结光活性层、电子导电层和阳极。

由于易加工、轻质和潜在低成本的前景，由有机光活性材料构成的光伏器件—下文称为有机太阳能电池—已获得了许多科学关注。许多这些有机太阳能电池包含基于共轭聚合物的光活性材料作为电子施主和空穴传导体。因为聚合物加工得到很好发展，预期已知的卷到卷(roll-to-roll)加工技术，如刮刀涂布、喷涂、印刷和辊涂可应用于制备有机太阳能电池，特别是在柔性支撑物上的大面积、廉价的太阳能电池，这将会打开巨大数目的可能应用。由于发现了所谓体异质结概念，对有机太阳能电池的兴趣已进一步提高，所述体异质结概念特别关注于优化在施主有机相和受主有机相的共混物中施主有机相和受主有机相之间的界面，在所述界面处激子离解成电子和空穴并由此引起电荷流动。

传统上，使用共轭化合物诸如MDMO-PPV、P3HT等作为施主相，以便吸收光以及产生激子并将其转移至与受主相的界面，激子离解发生在该界面处。对于受主相，C60、PCBM、CN-PPV等经常被用作示例性的材料。

这些已知光活性材料的一个缺点(无论施主或受主)涉及它们复杂的合成工艺，包括提纯以便除去在合成中使用的金属催化剂，从而获得电子级材料。在这些材料的制备期间以及在由其所得的太阳能电池的生产期间都需要严格的条件。此外，这些材料对氧气和水蒸气敏感。该敏感涉及劣化和形貌变化的风险，尤其在高于室温的温度下，并且因此光活性材料有可能发生降低的效率和有限的寿命。

本发明的一个目的是提供体异质结型有机太阳能电池，其中光活性材料，无论是依赖于各自电子亲和性的施主或受主，不具有或者至少在较小程度上具有已知材料的上述缺点。

此外，本发明的一个目的是提供如包含光活性材料的这种太阳能电池，其可以使用简单的方法制得。

本发明的另一个目的是提供具有长的使用寿命的体异质结型有机太阳能电池，更特别是包含在整个服役期间显示出改善的稳定性和/或固定的形貌的光活性材料的这种电池。

根据本发明，通过如下的太阳能电池实现上述目的中的一个或多个：该太阳能电池至少包括衬底、阴极、空穴导电层、施主材料和受主材料的共混物的体异质结光活性层、电子导电层和阳极，其中该共混物包含至少一种含有共轭骨架体系的光活性材料，该共轭骨架体系具有：

i)通式R2-酰亚胺-Ar-L-Ar-酰亚胺-R3，其中

Ar-L-Ar是共轭的发色团；

酰亚胺是酰亚胺-OCNCO-；

R2和R3是是键合至各个酰亚胺的N原子并与各个酰亚胺形成共轭键的有机基团；或者

ii)具有重复单元(R4-酰亚胺-Ar-L-Ar-酰亚胺)n，其中

Ar-L-Ar是共轭的发色团；

酰亚胺是酰亚胺-OCNCO-；

R4是键合至各个酰亚胺的N原子并与各个酰亚胺形成共轭键的有机基团，

并且n是重复单元的数目。

在根据本发明的具有共同构造的太阳能电池中，在体异质结光活性层中含有的共混物包含基于酰亚胺的共轭骨架化合物作为施主或受主中的至少一种。该化合物要么是具有如i)中所定义的通式R2-酰亚胺-Ar-L-Ar-酰亚胺-R3的小(“单”)分子要么是具有重复单元(R4-酰亚胺-Ar-L-Ar-酰亚胺)n的聚合物化合物。在所述化合物中，共轭的发色团Ar-L-Ar和共轭酰亚胺基以及各自与各个酰亚胺基的N原子形成共轭键的有机基团R2、R3和R4是该化合物的主链的共轭键体系的一部分。由此，R2、R3和R4至少包括在连接至酰亚胺基的N原子的第一碳原子和邻近碳原子之间的双键。优选地该共轭键体系延伸遍及R2、R3和/或R4烃基。根据光活性材料的配应物(counterpart)和电子亲和性，所述光活性材料在本发明的太阳能电池中充当施主或受主。具有基于二酰亚胺或聚酰亚胺的共轭骨架的这种光活性材料(在其共轭骨架之中还包含共轭的发色团)是耐热和耐化学性的，并且与现有技术材料相比显示出对氧气和湿气的改善的耐受性。通常，在根据本发明的太阳能电池中使用的光活性材料具有固定的形貌(即使在高于环境温度的温度)和改善的使用寿命，因为基于酰亚胺化和聚合(若有的话)的光活性材料将不经历另外的化学反应或再定位(reorientation)。

在此指出，基于酰亚胺的化合物本身是已知的。例如，JP04306234公开了具有结构单元IV的聚酰亚胺共聚物，其中R是双官能有机基团(优选地由其制备中使用的长链芳香二胺衍生)并且m是1至3。