一种有机太阳能电池及其制造方法技术

一种有机太阳能电池，包括依次层叠的阳极、光活性层和阴极，所述阳极与光活性层之间设有至少一层强电子受体掺杂空穴传输层，和/或所述阴极与光活性层之间设有至少一层电子给体掺杂电子传输层，所述强电子受体的LUMO能级与空穴传输材料的HOMO能级两者之差的绝对值小于0.3eV。所述电子给体的LUMO能级与电子传输材料的HOMO能级两者之差的绝对值小于0.3eV。本发明专利技术中的有机太阳能电池实现了电极的欧姆接触，内建电场得到增强，影响因子和短路电流大大增加。本发明专利技术还公开了该有机太阳能电池的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种有机太阳能电池，包括依次层叠的阳极、光活性层和阴极，所述阳极与光活性层之间设有至少一层强电子受体掺杂空穴传输层，和/或所述阴极与光活性层之间设有至少一层电子给体掺杂电子传输层，所述强电子受体的LUMO能级与空穴传输材料的HOMO能级两者之差的绝对值小于0.3eV。所述电子给体的LUMO能级与电子传输材料的HOMO能级两者之差的绝对值小于0.3eV。本专利技术中的有机太阳能电池实现了电极的欧姆接触，内建电场得到增强，影响因子和短路电流大大增加。本专利技术还公开了该有机太阳能电池的制备方法。【专利说明】
本专利技术涉及一种有机太阳能电池，尤其涉及一种具有强电子受体掺杂空穴传输层，和/或强电子给体掺杂电子传输层的有机太阳能电池，本专利技术还涉及这种有机太阳能电池的制造方法。
技术介绍
有机太阳能电池是由电子给体(D)材料和电子受体(A)材料构成的光活性层夹在透明导电玻璃(TCO)光阳极和低功函数金属阴极之间而构成的光电转换器件。由于其原料丰富、制备简单、成本较低、重量轻、可制成柔性器件等优点而在国内外广为研究。有机半导体材料由于介电常数较小，在光激发下不会直接生成自由载流子，而是生成电子-空穴束缚对即激子。激子必须在给/受体形成的异质结界面发生解离后才生成自由载流子。鉴于平面异质结光活性层给/受体界面有限，不利于激子解离，目前有机太阳能电池的光活性层多采用给/受体混合形成的体相异质结。由于体相异质结结构无处不在的给/受体界面非常有利于激子解离，互穿的网络两相材料有利于载流子的传输，已成为目前最常用的有机太阳能电池光活性层结构。然而，对有机太阳能电池来说，优化活性层的形貌要真正实现理想体相异质结的结构是极其困难的。理想的体相异质结结构要求DA材料互相贯穿的锯齿形结构:1.合适的纳米尺度DA两相分离以利于激子在复合之前到达给/受体界面而被充分解离；2.互相贯穿的连续载流子通道以利于载流子的输运。通过退火等处理，前者是可以实现的，但后者实际上却很难实现的。因为体相异质结活性层中的载流子迁移率较单一材料偏低，激子解离后生成的自由载流子在两相混合传输的过程中容易复合，这成为限制体相异质结有机太阳电池效率的重要因素。与平面异质结结构相比，体相异质结无处不在的异质结有利于生成的激子在有限的扩散长度之内到达界面而被充分解离。然而，激子解离后电子和空穴分别在对应的单一材料中传输，平面异质结则更具有优势。为了综合体相异质结和平面异质结两者的优势，人们提出了具有混合平面异质结D/D:A/A结构的有机太阳能电池。厚度为激子扩散长度量级的体相异质结D:A层作为光活性层，吸收光子产生并解离激子；D和A层作为载流子传输层分别传输空穴和电子，此种结构将激子解离和载流子传输分开来，从而减少了载流子的复合。但是必须指出目前混合平面异质结有机太阳能电池仍存在以下不足:1、本征有机半导体很小的载流子浓度和低的载流子迁移率使得其电导率很低，在能级匹配上也难以实现与电极的欧姆接触，这使得光伏器件的串联电阻较大，填充因子较小；2、器件内部贯穿体相异质结层的、源于电极费米能级差、驱动载流子输运的内建电场强度较弱，而且主要集中在活性层与电极的界面处，不利于载流子在两相混合的活性层中无复合地传输；3、以常规的给体材料做强电子受体空穴传输层，对于本征层具有强烈的光学掩蔽效应，不适合作为光学窗口层。以上不足使得混合平面异质结型有机太阳能电池器件的短路电流和填充因子都偏离预期，难以充分利用这一结构设计的优势。例如申请号为CN201110265675.5的中国专利技术专利申请《一种有机太阳能电池及其制备方法》(申请公布号为CN102280589A)公开了一种具有异质结有机小分子器件阳极修饰技术，其在透明电极上面有一阳极修饰层，该修饰层用于抑制阳极界面激子拆分。又如申请号为CN201210120956.6的中国专利技术专利申请《一种P-1-N型聚合物太阳能电池及其制备方法》(申请公布号为CN102646794A)包括依次层叠的衬底、透明导电金属氧化物阳极层、阳极修饰层、P型电子给体P层、由电子给体P和受体N共混而成的光电活性I层、N型电子受体N层、阴极修饰层(或者没有)、低功函阴极层、金属导线和负载装置。上述专利所使用的阳极修饰层或者阴极修饰层所选用的材料为一般的有机半导体材料，而一般有机半导体材料由于电子与空穴的迁移率相差几个数量级而呈现为本征的P或N型，但由于未人为掺杂，处于基态时其中自由载流子的浓度是很低的，而且有机半导体材料的载流子迁移率本身又很低，根据σ =ηθμ可以知道，未经掺杂的有机半导体的导电性很差。由于有限的载流子浓度，这样的本征半导体在形成双层平面异质PN结时耗尽层很宽，导致由电池电极的功函数差建立的内建电场很弱，器件的整流特性很差。这种整流特性依靠电极功函数差而不是P和N层费米能级差建立的内建电场来实现，与普遍的PN结自身作为整流器件原型的理念是相悖的。最近的研究表明内建电场主要分布于活性层与电极的界面处，而在活性层内部极其弱(Lee, J., Kong, J., Kim, H., Kang, S.0.，&Lee，K.(2011).Direct observation of internal potential distributions in a bulk heterojunctionsolar cell.Applied Physics Letters, 99, 243301.),而且强烈依赖于电极的功函数。所以激子解离后生成的光生载流子主要通过扩散运动到达对应的电极，内建电场的作用被大大减弱，造成光生载流子收集效率低下。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是另提供一种有效提高传输层载流子浓度的有机太阳能电池。本专利技术所要解决的又一个技术问题是提供一种转换效率有效提高的有机太阳能电池。本专利技术所要解决的又一个技术问题是提供一种有机太阳能电池的制造方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种有机太阳能电池，包括依次层叠的阳极、光活性层和阴极，所述阳极与光活性层之间具有至少一层强电子受体掺杂空穴传输层，和/或所述阴极与光活性层之间具有至少一层强电子给体掺杂电子传输层，其特征在于: 所述强电子受体掺杂空穴传输层中，强电子受体的最低未占轨道能级与空穴传输材料的最高占据轨道能级两者之差的绝对值小于0.3eV ；所述强电子给体掺杂电子传输层中，强电子给体的最高占据轨道能级与电子传输材料的最低未占轨道能级两者之差的绝对值小于0.3eV。在上述技术方案的太阳能电池中，空穴传输材料中掺杂有强电子受体，电子传输材料中掺杂有强电子给体，其中强电子受体与空穴传输材料之间发生基态电荷转移，而强电子给体与电子传输材料之间发生基态电荷转移。所述强电子受体掺杂空穴传输层中，强电子受体所占的质量分数不大于10 %，所述强电子给体掺杂电子传输层中，强电子给体所占质量分数不大于10 %。所述的空穴传输材料优选为酞菁铜(CuPc)、聚3-己基噻酚(P3HT)、N，N' - 二苯基-N，N' -二(3-甲基苯基)-1，1'-联苯-4,4' -二胺(TPD)、N，N，N' N'-四(4-甲氧基苯基)对二氨基联苯(MeO-Tro)、N，N' - 二苯基-N，N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机太阳能电池，包括依次层叠的阳极、光活性层和阴极，所述阳极与光活性层之间具有至少一层强电子受体掺杂空穴传输层，和/或所述阴极与光活性层之间具有至少一层强电子给体掺杂电子传输层，其特征在于：所述强电子受体掺杂空穴传输层中，强电子受体的最低未占轨道能级与空穴传输材料的最高占据轨道能级两者之差的绝对值小于0.3eV；所述强电子给体掺杂电子传输层中，强电子给体的最高占据轨道能级与电子传输材料的最低未占轨道能级两者之差的绝对值小于0.3eV。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：诸跃进，黄利克，胡子阳，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33