[发明专利]一种季铵盐功能化的苝二酰亚胺类小分子界面层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种季铵盐功能化的苝二酰亚胺类小分子界面层及其制备方法，合成工艺简单，仅有二步。本发明仲胺上的孤对电子向苝二酰亚胺核发生分子内电荷转移，使其具有很强的自掺杂效应，从而形成了大的界面偶极子，提高了电子迁移率；同时，末端的季铵盐也生成了偶极子并赋予材料具有绿色溶剂加工。双重偶极子的形成赋予PDINN‑Br具有良好的降功函能力，使得活性层与电极之间能够形成良好的欧姆接触，增强了内建电场，提升了开路电压和短路电流密度，最终提高了器件效率。此外，仲胺可与活性层中的F及H等形成氢键，提高了界面相容性，改善了界面接触。

技术领域

本发明涉及有机太阳能电池技术领域，特别是涉及一种季铵盐功能化的苝二酰亚胺类小分子界面层及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断进步和科学技术的迅猛发展，全球能源需求逐年增加，为了解决能源危机和环境污染等严重威胁到人类未来发展的问题，开发清洁无污染且可再生的能源，如太阳能，潮汐能，风能等，已成为世界上的焦点。其中，太阳能由于成本低廉、取之不尽、用之不竭、可循环利用等优势吸引了研究者们的兴趣。太阳能电池能够把太阳能转化为电能，作为一种利用太阳能的技术，具备良好的前景。随着太阳能应用技术和产业的飞速发展，传统的硅太阳能电池在多个领域已经开始发挥作用，如交通、航天、航海等，但是单晶硅材料成本高，电池的效率也难以再提高，所以无法实现大规模的商业生产。

有机太阳能电池(OSCs)材料选择性大，加工简单，柔性好，半透明并且可通过印刷方式大面积生产，近年来获得了极大的关注，虽然在过去几十年中，有机太阳能电池的研究进展已经取得了巨大的突破，但是目前效率还是较低，器件稳定性较差，主要停留在实验室阶段。有机太阳能电池的结构包括电极、界面层和活性层，在活性层和电极之间引入界面层是降低界面势垒，提高电荷分离和收集效率的有效方法，所以阴极界面材料的选择至关重要。目前阴极界面材料主要分几大类，包括无机类、富勒烯类、水/醇溶性共轭聚合物、超支化聚合物和小分子。

无机类的材料作为阴极界面材料一般是在早期的太阳能电池研究中应用比较广泛如Cs₂CO₃或者是功函数较低的金属(如Ca和Ba)。但是低功函数的金属容易在空气中被氧化，所以这类材料在应用中很容易造成太阳能电池器件不稳定，从而造成性能低下。目前用得最多的阴极界面层是半导体金属氧化物(如ZnO，TiO₂)，这类电子传输层相对于活泼金属Ca等稳定性更强，还能显著降低太阳能电池对空气中水蒸汽和氧气的敏感性，增加电池寿命，使电池具有较好的稳定性。这类半导体金属化合物具有阻挡空穴、影响光分布和自组装层的作用。但是，由于自身结构的原因，无机氧化物和有机活性层的相容性不是很好，并且能级可调控性小。

相对于无机类的阴极界面层，有机阴极界面层在极性溶剂中具有良好的溶解性，易于实验和工业中的器件制备，而且通过引入不同的基团可获得可控的有机材料，使之与活性层的能级及结晶性能相匹配，能有效地避免无机材料的单一性。有机材料有着易调节的结构适应于与活性层和阴极电极的匹配性，并且可通过结构修饰调控其溶解性能，以及通过改变侧链来调节材料的物理和化学性质。其中有机小分子因其具有制作过程简单，精确的分子量和单分散性等优点在太阳能电池阴极界面层材料中更具吸引力。

苝二酰亚胺类衍生物(PDIs)成为热门研究对象已有100年历史，具有合成路线可控、方法丰富、原料易得、衍生结构数量庞大、应用广泛。最初仅用作工业颜料，这些颜料具有突出的化学、热、光和热稳定性，并且很容易地涂覆在其他涂漆表面上。除此之外，由于PDIs具有强电子接受和高电子迁移的能力，使得这类物质得以广泛应用的最佳候选材料。近年来，PDIs的应用主要聚焦在光伏器件上，是用作阴极界面层的候选材料，正是因为该类材料具有优良的电子传输性能，所以在上述的光电领域具有巨大的研究前景。所以本论文采用苝二酰亚胺衍生物作为阴极界面材料应用于有机太阳能电池中，探究其光电性能。因其拥有特殊的结构而具有优异的热稳定性，光稳定性和化学稳定性。同时由于其分子良好的平面性，使分子间的π-π相互作用大大增强，电子迁移能力更强。此外，苝酰亚胺衍生物具有电子亲和力强，容易修饰，能级可调，合成简单以及良好的醇和水溶性的优点。