[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

本发明属于有机太阳能电池（organic solar cell）OSC领域，具体涉及一种以单分子膜作为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为光伏电池。太阳能电池根据是否形成激子可分为非激子型（如无机硅基太阳能电池等）与激子型（如有机太阳能电池）两种。其中激子型太阳能电池具有制作简单、制备过程温度低、造价低廉、可以制作大面积柔性器件等优点。Kodak研究室的Tang报道了第一个光伏（photovoltaic）PV异质结激子型太阳能电池（C.W. Tang，“Two-layer organic photovoltaic cell”,Appl.Phys.Lett.1986,48,183）。激子型太阳能电池的基本结构包括阳极、光活性层（photoactive layer）、和阴极，光活性层进一步包括电子给体和电子受体。激子型太阳能电池将光能转换成电能可以分为三个主要过程：（1）光活性层吸收一定能量的光子产生电子空穴对即激子（exciton）；（2）激子在外加电场下或不同物质的界面处（异质结）分离成自由的光生载流子（电子和空穴）；（3）光生载流子被太阳能电池的两极所收集，接通外电路即有电流通过。为了增大给电子受体的接触面积，获得更多的光生载流子，将电子给体和电子受体两种材料混合构造了体异质结有机太阳能电池。其结构为基板/电子给体+电子受体混合材料/金属电极。由于无处不在的纳米尺度的界面大大增加了给电子受体的接触面积，激子的解离效率提高，使光电转换效率进一步提高，这是目前最主要的有机太阳能电池结构。

然而，有机太阳能电池，尤其是体异质结有机太阳能电池一般不具备有方向性的内建电场，因此电子和空穴没有特定的漂移运动方向，电子和空穴在光活性层的运动方向主要是浓度梯度造成的扩散。这样电极处的空穴和电子在浓度上是一样的。但是由于两个电极的功函数不同，空穴倾向于传导到功函数接近p型材料最高已占轨道HOMO能级的电极，而电子则倾向于传导到功函数接近n型材料最低未占轨道LUMO能级的电极，从而形成了向外输出的电流。以阳极铟氧化铟锡ITO为例，ITO的功函在4.8eV到5.0eV之间，因此扩散到ITO的载流子多数是空穴而少数是电子，扩散到ITO的空穴形成有效电流，扩散到ITO的电子则会淬灭一部分空穴，因此需要加入空穴传输层来阻挡电子。目前，常用于空穴传输层的材料是聚3，4－乙撑二氧噻吩PEDOT：聚苯乙烯磺酸盐PSS，但PEDOT：PSS具有酸性，对于阳极ITO有腐蚀作用，将严重影响有机太阳能电池的寿命。

而且，目前使用在阳极与光活性层之间的空穴传输层的材料多为有机或无机半导体材料，且必须具有一定的厚度（通常为数nm到数十nm）才可有效地阻挡电子，同时带来的后果是增大了器件的串联电阻。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种有机太阳能电池，该太阳能电池中运用与阳极的金属自组装形成的单分子膜作为空穴传输层，可得到比传统的以PEDOT：PSS作为空穴传输层的有机太阳能电池更高的光电转换效率。

本发明的一个目的在于提供一种有机太阳能电池。

本发明的有机太阳能电池从下至上依次包括：基板、阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极；其中，空穴传输层为含有巯基基团的有机物与阳极的金属自组装形成的单分子膜，巯基基团为巯基噻吩、巯基苯及二者衍生物中的一种或两种以上。

本发明的有机太阳能电池的基板的材料采用有玻璃、柔性塑料等透明材料。

本发明的有机太阳能电池的阳极的材料采用金、银、铜、铂、铁和镍等具有高功函数的金属及氧化铟锡ITO中的一种或两种以上。

有机物进一步包括有机小分子和聚合物。空穴传输层为含有巯基基团的有机小分子与阳极的金属自组装形成单分子膜；或者，巯基基团通过偶联、醚化、酯化等化学反应封端的聚合物与阳极的金属自组装形成单分子膜，巯基基团为巯基噻吩、巯基苯及二者衍生物中的一种或两种以上。由于本发明采用含巯基基团的材料形成的单分子膜作为空穴传输层，在降低器件串联电阻的同时，有效地阻挡电子的通过，可显著提高有机太阳能电池的光电转换效率；并且由于以无酸性的含巯基基团的材料形成的单分子膜取代了传统的具有酸性PEDOT：PSS，因此极大地提高了电池的寿命。

有机太阳能电池又可以分为有机小分子、聚合物和染料敏化太阳能电池。