[发明专利]具有有机层的光电元件

说明书

本发明涉及一种由单电池、串联电池或多电池组成的光电元件，其具有电极和反电极以及在所述电极和所述反电极之间的至少一个有机层，所述有机层包括具有至少一个取代基的通式EWG-D-EWG的化合物。

有机太阳能电池的研究与开发已经明显增加，特别是在过去十年中。对于称为“小分子”的，到目前为止报导的最大效率是5.7％[Jiangeng Xue，Soichi Uchida，Barry P.Rand，和Stephen R.Forrest，Appl.Phys.Lett.85(2004)5757]。小分子在本发明的上下文中被理解为表示非聚合物有机单分散分子，其质量范围为100-2000克/摩尔。到目前为止，这些小分子不能获得10-20％的效率，该效率是无机太阳能电池的典型效率。但是，有机太阳能电池与无机太阳能电池存在相同的物理限制，所以，至少在理论上，在相应的开发工作后期望获得类似的效率。

有机太阳能电池由一系列薄的有机材料层组成(每层通常具有1mm-1μm的厚度)，所述有机材料层优选是在减压下气相沉积的或者从溶液中旋涂的。电接触可以通过金属层、透明导电氧化物(TCO)和/或透明导电聚合物(PEDOT-PSS，PANI)实现。

太阳能电池将光能转换成电能。在本文中，术语“光活性的”被理解为光能到电能的转换。与无机太阳能电池相比，在有机太阳能电池中光不直接产生自由电荷载流子，而是首先形成激子，即电中性的激发态(结合的电子-空穴对)。仅在第二步中，这些激子分成自由电荷载流子，然后贡献电流。

这样的有机基元件相对于传统无机基元件(半导体如硅、砷化镓)的优点是在一些情况下光吸收效率非常高(高达2×10⁵cm^-1)，并且允许生产厚度仅为几个纳米的高效吸收层，因此可能生产具有低材料消耗和能量耗费的非常薄的太阳能电池。其它的技术方面是低成本、在较大量生产的情况下所使用的有机半导体材料非常便宜、在塑料膜上生产柔性大面积元件的可能性、以及几乎无限制的可能变化和有机化学物质的无限制的可得性。

由于在生产过程中不需要高温，所以可能在例如金属箔、塑料膜或聚合物织物的廉价基底上灵活且大面积地生产有机太阳能电池作为元件。这开辟了与传统太阳能电池保持接近的新的应用领域。由于各种不同有机化合物的几乎无限制的数量，可以针对其任务调整材料。

文献中已经提出的有机太阳能电池的一种可能的实施方案是具有以下层结构的pin二极管[Martin Pfeiffer，“Controlled doping of organic vacuumdeposited dye layers：basics and applications”，PhD thesis TU-Dresden，1999.]：

0.载体，基底，

1.下接触，通常是透明的，

2.一个或更多个p层，

3.一个或更多个i层，

4.一个或更多个n层，

5.上接触

在本文中，n和p分别指n型掺杂和p型掺杂，分别导致热平衡态中的自由电子和空穴的密度增大。在本文中，这样的层基本被理解为传输层。相比之下，术语i层是指未掺杂的层(本征层)。在本文中的一个或更多个i层可以由一种材料组成或由两种材料的混合物(称为互贯网络)组成。但是，与无机太阳能电池相比，由于相互吸引的较低衰减，在有机半导体中的电荷载流子对在吸光后不是自由形式的，而是形成准粒子，称为激子。为了使激子中存在的能量可以用作电能，该激子必须被分离成自由电荷载流子。因为在有机太阳能电池中不能获得用于激子分离的足够高的电场，所以激子分离在光活性界面上进行。光活性界面可以呈有机施主-受主界面的形式[C.W.Tang，Appl.Phys.Lett.48(1986)183]或者与无机半导体的界面的形式[B.O’Regan，M.，Nature 1991，353，737])]。激子扩散到这样的活性界面，在这里电子与空穴彼此分离。这可以在p(n)层与i层之间，或者在两个i层之间。在太阳能电池的建立的电场中，电子然后被传输到n区，空穴被传输到p区。传输层优选是具有宽带隙的透明的或基本透明的材料。宽带隙材料在这里是指其吸收最大值在＜450nm、优选＜400nm的波长范围内的材料。