金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料及用于制备聚合物光伏电池制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一类在醇/水中可溶的酞菁衍生物及其应用，即提供一类以金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料以及这些界面修饰材料在制备高性能聚合物光伏电池中的应用，属于聚合物光伏电池技术领域。本发明专利技术所涉及的酞菁衍生物(Pc)可以在聚合物光伏器件方面得到应用，进一步用于制备光伏电池的阴极界面修饰层，该阴极界面修饰层处于光伏电池的活性层和阴极之间，能够有效地提高器件的能量转换效率。器件结构依次包括：附着在透光玻璃上的ITO作为阳极、PEDOT:PSS作为阳极修饰层、PCDTBT:PC71BM作为活性层，包含本发明专利技术所述的含有酞菁衍生物材料作为阴极界面修饰层，金属Al作为阴极。

【技术实现步骤摘要】
金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料及用于制备聚合物光伏电池
本专利技术属于聚合物光伏电池
，具体涉及醇/水溶性的金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料以及这些界面修饰材料在制备高性能聚合物光伏电池中的应用。
技术介绍
聚合物光伏电池由于可以应用喷涂打印工艺制作出成本低廉而且柔性基底的器件所以受到了极大的关注。当前，聚合物光伏电池的能量转换效率(PCE)应经突破9.0％，在材料设计、器件优化和界面工艺方面取得了很大的进步，但是在活性层和电极之间的阴极界面修饰层在激子传输和分离方面尤其重要，决定了器件的性能和稳定性。改良阴极界面修饰层，减小电荷收集/分离的障碍形成欧姆接触提升PCE近年来引起越来越多的关注。常用的阴极界面修饰材料包括氟化锂、金属氧化物和醇/水溶解的有机小分子和聚合物，相比于其它的阴极界面修饰材料，醇/水溶解的有机小分子和聚合物的优势是在器件制作过程中用非真空蒸镀而且对环境友好的方法，还有对不同的活性层和金属电极有普适性。因为溶解于醇/水的有机小分子或者聚合物可以避免破坏活性层。醇/水溶解的有机小分子和聚合物在聚合物光伏电池阴极界面修饰材料很有前景。相比于聚合物阴极界面修饰材料，有机小分子有着产物易于纯化和分子结构确定等优点，近年来发展非常迅速，2014年在EnergyEnviron.Sci杂志上李永舫等人报道了基于典型的n型半导体苝酰亚胺为核心的有机小分子阴极界面修饰材料，以PTB7：PC71BM为活性层，PCE超过8.0％，而且最重要的是阴极界面层厚度超过30nm还能保持较高的PCE(EnergyEnviron.Sci.，2014,7,1966–1973)。同年在Science杂志上ZachariahA.Page等人合成了基于富勒烯的醇/水溶解性的小分子阴极界面修饰材料，以PTB7：PC71BM为活性层，PCE超过8.5％，而且还研究了界面层厚度和金属电极普适性的问题(Science,2014,346,441–444)。本专利技术中我们以金属酞菁为核心合成出一类醇/水溶解性的衍生物，并且很好应用在聚合物光伏电池阴极界面修饰层中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一类在醇/水中可溶的酞菁衍生物及其应用，即提供一类以金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料及其在制备高性能聚合物光伏电池中的应用。本专利技术所涉及的以金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料，其通式如下所示：本专利技术所涉及的化合物合成路线如下所示：本专利技术所述的化合物可以用于制备聚合物光伏电池，具体的是用于制备光伏电池的阴极界面修饰层，该界面修饰层处于光伏电池的活性层和阴极之间。如图1所示，具体的器件结构顺次为：附着在透光玻璃上的ITO为阳极、PEDOT:PSS为阳极修饰层、PCDTBT:PC71BM为活性层，本专利技术所述的化合物为阴极界面修饰层，金属Al为阴极。附图说明：图1：应用本专利技术所述材料制备的光伏器件结构示意图；图2：应用本专利技术所述化合物制备的光伏器件I-V性能图。如图1所示，各部件名称为：透明玻璃基底1、附着在玻璃表面上的阳极ITO氧化物导电层2、PEDOT:PSS(聚3，4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐，购买于德国Baytron公司，型号：PVPAl4083)阳极修饰层3、器件活性层PCDTBT：PC71BM(PCDTBT：聚咔唑类衍生物，购买于加拿大1-Material公司，货号：YY6092C；PC71BM：富勒烯类衍生物，购买于美国ADS公司，货号：14A0021E1)4、包含本专利技术所述化合物的阴极界面修饰层5、金属Al阴极6。如图2所示，基于本专利技术化合物ZnPc[S(CH2)2N(CH3)3I]8的光伏器件其特性如下：开路电压为0.92V，短路电流密度为11.27mAcm-2，填充因子68.0％，经计算光电转化效率为7.06％。具体实施方式实施例1：化合物[SCH2N(CH3)2]2PN的合成：将化合物4，5-二氯邻苯二甲腈(2.0g，10.0mmol)，SCH2N(CH3)2HCl(2-二甲胺甲硫醇盐酸盐3.2g，25.0mmol)，碳酸钾(8.3g，80.0mmol)，无水二甲基亚砜100mL放置于250mL双口瓶中，氮气氛围中加热到50℃反应24小时，冷却到室温将溶液倒入300mL冰水中，过滤得到滤饼，然后用柱层析方法分离(硅胶，二氯甲烷/甲醇，体积比为15：1)得棕色粉末状目标产物(1.7g)，产率56.0％，质谱分析确定的分子离子质量为：306.5(计算值为：306.1)；理论元素含量(％)C14H18N4S2：C54.87，H5.92，N18.28，S20.92；实测元素含量(％)：C54.58，H6.18，N18.57，S20.88。上述分析结果表明，获得的产物为预计的产品。实施例2：化合物ZnPc[SCH2N(CH3)2]8的合成：将化合物[SCH2N(CH3)2]2PN(712.0mg，2.0mmol)，醋酸锌(550.0mg，3.0mmol)，1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)(304.0mg，2.0mmol)，正戊醇15mL放置于50mL双口瓶中，氮气氛围中加热回流25个小时，冷却到室温蒸去溶剂，然后用柱层析的方法分离(硅胶，二氯甲烷/甲醇，体积比为10：1)(110.8mg，产率17.2％)。质谱分析确定的分子离子质量为：1289.3(计算值为：1288.3)；理论元素含量(％)C56H72N16S8Zn：C52.09，H5.62，N17.36，S19.86；实测元素含量(％)：C52.45，H5.82，N17.26，S19.69。上述分析结果表明，获得的产物为预计的产品。实施例3：化合物CuPc[SCH2N(CH3)2]8的合成：将化合物[SCH2N(CH3)2]2PN(712.0mg，2.0mmol)，醋酸铜(550.0mg，3.0mmol)，1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)(304.0mg，2.0mmol)，正戊醇15mL放置于50mL双口瓶中，氮气氛围中加热回流28个小时，冷却到室温蒸去溶剂，然后用柱层析方法分离(硅胶，二氯甲烷/甲醇,体积比为10:1)(122.9mg，产率19.1％)。质谱分析确定的分子离子质量为：1288.5(计算值为：1287.3)；理论元素含量(％)C56H72N16S8Cu：C52.17，H5.63，N17.38，S19.89；实测元素含量(％)：C52.37，H5.84，N17.52，S19.88。上述分析结果表明，获得的产物为预计的产品。实施例4：化合物PdPc[SCH2N(CH3)2]8的合成：将化合物[SCH2N(CH3)2]2PN(712.0mg，2.0mmol)，醋酸钯(673.5mg，3.0mmol)，1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)(304.0mg，2.0mmol)，正戊醇15mL放置于50mL双口瓶中，氮气氛围中加热回流30个小时，冷却到室温蒸去溶剂，然后用柱层析方法分离(硅胶，二氯甲烷/甲醇体积比为10:1)(101.7mg，产率15.3％)。质谱分析确定的分子离子质量为：1331.5(计算值为：1330.3)；理论元素含量(％)C56H72N16S8Pd：C50.49，H5.45，N16.82，S19.25；实测元素含量(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类在醇/水中可溶的以金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料，其结构式如下所示：MPc[S(CH2)nN(CH3)3I]8n为1～6的整数，M为Zn、Cu、Pd、Ni、VO或TiO。

【技术特征摘要】
1.一类在醇/水中可溶的以金属酞菁为核心的阴极界面修饰材料在制备聚合物光伏电池中的应用，所述的阴极界面修饰材料其结构式如下所示：MPc[S(CH2)nN(CH3)3Il8n为1～6的整数，M为Cu、Pd、Ni或VO；或，n为1,3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王悦，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22