[发明专利]一种膜厚不敏感型电子传输层材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种膜厚不敏感型电子传输层材料及其制备和应用。本发明以苝酰亚胺和稳定自由基TEMPO为核心结构，通过有机合成，得到具有良好的可水醇溶性质的聚合物，为其作为太阳能电池电子传输层材料的核心应用提供保障。实验表明，在薄膜厚度(5‑100nm)的条件下，仍然保持理想的光电转换效率。本发明所提供的太阳能电池电子传输层材料具有对膜厚不敏感的特点，随着膜厚的改变，器件仍能保持稳定的性能。本发明的合成方法简单高效，且稳定性和重复性好，成本低、具有普适性，易于规模化生产。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种膜厚不敏感型电子传输层材料及其制备和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

有机太阳能电池具有价廉、质轻、可溶液加工等优点，在智能玻璃、可穿戴设备、物联网等领域具有极大的应用潜力。可溶液加工作为有机太阳能电池的最大优势之一，使其可通过大面积“卷对卷”制备工艺来有效降低生产成本，这也是实现其商业化的最佳途径。然而，“卷对卷”制备线程中的涂布或印刷技术很难将电子传输层的膜厚误差精准控制在纳米级别。因此，发展膜厚不敏感的电子传输层材料，解决电池效率对电子传输层的膜厚依赖性问题(膜厚在数十纳米范围内波动不影响电池性能)，是实现高性能有机太阳能电池大面积涂布制备的重要基础。

近年来，一批能级匹配、溶解性好的有机材料被应用于有机太阳能电池的电子传输层，主要包括共轭的n型有机半导体(如富勒烯衍生物、苝酰亚胺衍生物等)、聚电解质(聚芴类电解质、聚噻吩类电解质等)以及某些非共轭的中性聚合物(聚乙烯亚胺等)等。这类材料大部分可溶于水或醇类溶剂，后处理温度较低，具备有机材料的机械柔性，适用于低温、大面积的“卷对卷”制备工艺，比如目前广泛使用的界面材料PFNBr和PDINO。但是，基于这些有机电子传输材料的电池器件均存在不同程度的的膜厚依赖性问题(最佳工作厚度在几纳米到几十纳米之间，少部分能达到50nm)。一旦薄膜厚度增加，其较低的电导率和较高的LUMO(最低未占轨道)能级会造成较大的串联电阻和接触势垒，从而降低器件的光电转换效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种合成简单、价格低廉且薄膜厚度不敏感的电子传输层材料，并应用于有机太阳能电池器件，优化其性能参数，在薄膜厚度(5-100nm)的条件下，仍然保持理想的光电转换效率。

实现本发明的技术方案如下：

本发明提供一种具有稳定自由基的膜厚不敏感型有机太阳能电池电子传输层材料，其结构通式如式Ⅰ所示：

其中，R基团为氢原子和溴原子的任意一种；m为数字1-8中的任意一个。

本发明苝酰亚胺季铵盐型太阳能电池电子传输层材料的合成反应式如下所示。

上述制备方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴下将氢溴酸溶液缓慢加入到环氧溴丙烷中，室温反应得到化合物2即1,3-二溴-2-丙醇；

(2)在冰水浴的条件下将氢化钠加入到化合物3(4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)的四氢呋喃溶液中，室温反应，将溴乙酸溶于四氢呋喃后缓慢加入上述反应体系，继续反应，得到化合物4(TEMPO-COOH)；

(3)将化合物2和4置于反应容器中，以二甲氨基吡啶(DMAP)为催化剂，N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC)为缩合试剂，二氯甲烷为溶剂，在常温下反应一定时间，得到聚合单体5(TEMPO-Br)；