[发明专利]一种有机太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种具有异质结有机小分子器件阳极修饰技术，属于光电转换领域。

背景技术

太阳能电池是一种将光能转换为电能的光伏器件。从1954年贝尔实验室报道了效率为4%的无机太阳能电池开始，半个世纪以来，太阳能电池获得了飞速的发展，在全球范围内都掀起来一场“绿色能源革命”。目前，硅基薄膜太阳能电池规模化工业生产中非晶硅薄膜太阳能电池的最高转换效率已经达到10%以上。20世纪90年代以后，无机薄膜太阳能电池家族中又加添了有砷化镓、碲化镉等光伏器件。有机太阳能电池的研究始于1958年，Kearns 和Calvin 将镁酞菁染料(MgPc)夹在两个不同功函数的电极之间，制成”三明治”结构，从而得到了200mV的开路电压，但是其短路电流输出则非常低，所以其能量转换效率也相对较低。这种单层有机太阳能电池结构，在1986年被C.W.Tang采用双层异质结结构所替代(阳极/给体/受体/缓冲层/阴极)，得到了1%的能量转换效率。能量转换效率得到大幅提升的原因,即认为由双层异质结结构提供一个高效的激子拆分的界面所致，换言之，双层异质结构使得中性的电子-空穴对拆分成自由载流子变得更加的容易。但是，目前有机太阳能电池能量转换效率仍然比较低，实验室最高在8%左右，小批量生产一般为4%左右，是目前制约其发展的重要难题。近年来，有机太阳能电池越来越受到业界的关注。一方面是由于有机材料本身价格比较低廉、来源广泛、具有丰富的多样性；另外，加工过程相对传统硅基电池较为简单，器件制作的成本相对较低。在有机太阳能电池中，吸收太阳光首先产生具有一定束缚力的电子空穴对，即激子。激子对外呈电中性，必须进行激子拆分之后，才能有光电流、光电压输出。中国专利CN201010200494.X“公开了功能层为单层有机材料的有机太阳能电池”对一种没有异质结的有机太阳能电池进行改性，阳极有一层光敏层。其功能主要是对阳极界面的激子拆分，一方面要抑制阳极界面不需要的电荷注入，同时又依赖于这一激子拆分来获得光电流，而在实际操作过程很难掌控。有机太阳能电池（以下简称有机电池）的工作原理不同于硅基太阳能电池，有机电池吸收太阳光首先产生具有一定束缚力的电子空穴对，即激子。激子对外呈电中性，必须进行激子拆分之后，才能有光电流、光电压的输出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，采用阳极插入层修饰阳极界面，从而抑制阳极激子拆分，以提高载流子收集效率和能量转换效率。目的之二，选用宽禁带、低迁移率的半导体材料作为阳极修饰层，以获得异质结有机小分子太阳能电池。

为实现本发明任务，提出的技术解决方案是：基于有机小分子的异质结，由依次层叠的透明绝缘衬底、透明电极、电子给体-受体、缓冲层、高反射率电极构成，其特征在于透明电极上面有一用于抑制阳极界面激子拆分的阳极修饰层；该阳极修饰层上面由电子给体与电子受体的光敏层组成异质结结构，系产生光电流的重要区域。

阳极修饰层的厚度约0.5-5nm，插入在阳极与电子给体层之间，形成三角势垒，通过隧穿效应进行提高载流子的收集效率。

电子给体-受体的界面至少有二个光敏层，作为电子给体的阳极修饰层上面的为第一光敏层与其上的第二光敏层构成有机小分子异质结。第二光敏层是作为电子受体沉积在电子给体的第一光敏层上面。

阳极修饰层包括二氧化硅(SiO₂)、氟化锂(LiF)、二氧化钛(TiO₂)在内的宽禁带、低载流子迁移率薄膜材料。阳极修饰层是沉积在包括由透明氧化物、金属薄膜或碳纳米管导电薄膜的阳极上。

阳极修饰层上面的第一光敏层系电子给体材料,包括酞菁染料、并五苯、卟啉化合物、菁染料在内的空穴传输材料；还包括第二光敏层上的电子受体材料。第二光敏层上的电子受体还包括一种导电率很高的高分子水溶液聚合物在内的衍生物电子传输材料或者无机纳米材料PEDOT:PSS。

本发明还提供一种基于有机小分子的异质结的有机太阳能电池制备方法，清洗透明绝缘玻璃衬底；溅射或气相沉积导电薄膜；激光刻划或腐蚀电极图形样，为透明阳极；

其特征在于

透明电极上阳极修饰层的制备方法：包括

采用真空蒸镀在透明电极上生长阳极修饰层，还包括由温度、时间在内的控制沉积的薄膜厚度；

采用真空蒸镀在阳极修饰层上面生长光敏材料，作为太阳能电池吸收光产生光电流的主要区域。