功能层为单层有机材料的有机太阳能电池制造技术

本发明专利技术提出一种功能层为单层有机材料的有机太阳能电池，其按连接顺序包括透明或不透明阳极、阳极界面改性层、单层有机材料功能层、阴极界面改性层、透明或不透明阴极，本发明专利技术提出的有机太阳能电池完全有别于Ｐ－Ｎ节型有机太阳能电池中利用两种有机半导体材料（受体材料和给体材料）来进行激子拆分，采用一种全新的工作原理：通过单层有机材料激子在经过改性的电极表面的拆分来实现光电转化，利用激子中的电子和空穴在界面的动力学差异过程进行光电转化，其中的单层有机半导体材料可以是小分子也可以是聚合物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有机光电器件，特别适用于有机太阳能电池。
技术介绍
顾名思义，有机太阳能电池就是采用有机半导体材料制备的太阳能电池。当光照 射到有机半导体材料上时，有机半导体中通常不会形成自由载流子，而是先形成电子-空 穴对(激子)。要利用有机材料得到光电流就必须使这些由光激发得到的激子被拆分开， 否则这些激子将通过辐射或非辐射的方式退激发。目前报道的最好的有机太阳能电池的能 量转换效率大约7%。这些有机太阳能电池的自由载流子是通过激子在给体(电子给体) 和受体(电子受体)材料形成的界面上的拆分来获取的。具有不同能级结构的两种有机材 料(给体和受体)的界面被认为是拆分激子的地方，这种由给体(P型材料，材料的主要载 流子为空穴)和受体(N型材料，材料的主要载流子为电子)形成的界面与无机太阳能电池 中的P/N节类似，比如酞菁铜(CuPc)和富勒烯(C6tl)形成的界面，如图1所示。在这种结构 中(这里被称为P-N节型有机太阳能电池)，给体(CuPc)的最高分子占有轨道(HOMO)和 最低分子未占有轨道(LUMO)的能量都比相应的受体(C6tl)的HOMO和LUMO高。激子在给 体_受体界面出的拆分是这样完成的=CuPc激子中的电子向C6tl的LUMO注入的同时在CuPc 的HOMO中留下空穴，或者C6tl激子中的空穴向CuPc的HOMO注入的同时在C6tl的LUMO中留 下电子。之所以可以产生这样的激子拆分过程是因为自由载流子(CuPc的HOMO中的空穴 和C6tl的LUMO中的电子)的能量总和比未拆分前的激子能量总和小。要获得有用的电流， 这些自由载流子必须被电极收集，即阳极收集空穴，阴极收集电子。实际上，上述的激子拆 分过程也可以看成是束缚在一起的电子和空穴在受体_给体界面的一个速率差异过程，即 CuPc的电子向C6tl的跃迁速率远大于空穴的跃迁速率(这里由于空穴面对一个很大的势垒， 实际上空穴的跃迁速率为零)。同理C6tl中的空穴向CuPc的速率跃迁远大于电子的跃迁速 率这里由于电子面对一个很大的势垒，实际上电子的跃迁速率为零)，使得C6tl中的激子在 界面被拆分了。因此如果在没有受体-给体材料的界面情况下，只要激子中的电子和空穴 的跃迁速率存在差异就可能拆分激子，从而被利用来进行光电转换。太阳能电池在光照的情况下会产生光伏响应。在外电路开路的情况下光生电压为 开路电压(V。。)，在外电路短路的情况下得到的电流为短路电流(Isc)。在有负载的情况下， 太阳能电池的输出功率等于负载上的电压降落(V)和通过负载的电流(I)的乘积，它小于 开路电压和短路电流的乘积。定义太阳能电池的最大输出功率和V。。IS。的比值为填充因子。
技术实现思路
本专利技术提出只采用单层的有机半导体材料作为功能层的一种有机太阳能电池，利 用激子中的电子和空穴在电极-有机界面的跃迁速率差异来进行激子拆分，最终实现光电 转化。要实现没有给体-受体界面情况下激子的拆分，必须要让激子中的电子和空穴在电极-有机界面的跃迁速率差异很大，而且可以在太阳光的照射下保持这种差异。该目标 的实现主要通过对电极表面的改性，使得激子中的电子和空穴在该改性后的表面上表现出 单向流动性，从而实现激子的拆分。为了让利用该原理的新型有机太阳能电池具有较高的 能量转换效率，必须满足有机材料的吸收尽量覆盖整个太阳光谱，有机材料产生的激子有 较长的寿命使之能够到达拆分界面。本专利技术就是基于以上的考虑，实现了利用单层有机材料作为功能层来进行光电转 化。这种利用激子中的电子和空穴在界面的动力学差异过程进行光电转化的新型有机太阳 能电池按连接顺序包括以下基本结构透明或不透明阳极根据需要加入的阳极界面改性层单层有机材料功能层根据需要加入的阴极界面改性层透明或不透明阴极所述阳极功函数比阴极功函数大，阳极可用透明材料，比如用ITO(氧化铟锡)或 FTO(掺氟的二氧化锡)，也可采用不透明材料比如金、钼等高功函数金属。所述阴极可用透明材料，比如用TiO2 ( 二氧化钛)或ZnO (氧化锌)，也可采用不透 明材料比如铝、铟等低功函数金属。阳极和阴极至少有一个是透明的。所述的阳极界面改性层用于向阳极注入空穴而阻挡电子，阴极界面改性层用于向 阴极注入电子而阻挡空穴。两者可同时具有，或者只具有其一。所述单层有机功能层是具备可以吸收太阳光的任何有机半导体材料，比如 CuPc (Copper phthalocyanine)、C60Λ pentacene 、poly (3-hexylthio-phene)(P3HT)、po Iy (MEH-PPV)、ZnPc (Zinc phthalocyanine)、F16ZnPc (perf luorinated hexadecaf luoro-phthalocyanineatozinc)坐 寸ο所述阳极界面改性层为具有让空穴通过同时阻挡电子的任何厚度小于10纳米的 无机或有机薄膜。比如 V2O5 或 NPB (N，N，-Bis (naphthalene-1-yl) -N, N，-bis (phenyl) benzidine)或 TPD (triphenylaminedimer)等。所述阴极界面改性层为具有让电子通过同时阻挡空穴的任何厚度小于10纳 米的无机或有机薄膜。比如 Cs2O3 或 PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole) gJc Alq3 (tris-8-hydroxy-quinolinato aluminum)等。本专利技术提出的有机太阳能电池完全有别于P-N节型有机太阳能电池中利用两种 有机半导体材料(受体材料和给体材料)来进行激子拆分，采用一种全新的工作原理通过 单层有机材料激子在经过改性的电极表面的拆分来实现光电转化。其中的单层有机半导体 材料可以是小分子也可以是聚合物。附图说明图1、传统P-N节型有机太阳能电池的结构和能级排列。图2a、功能层为单层有机材料的太阳能电池的结构和能级排列。在该电池中自由载流子的产生是通过从单层有机材料的HOMO向经过界面改性的阳极注入空穴，电子通过 单层有机材料的LUMO从阴极导出来实现的。图2b、功能层为单层有机材料的太阳能电池的结构和能级排列。在该电池中自由 载流子的产生是通过从单层有机材料的LUMO向经过界面改性的阴极注入电子，空穴通过 单层有机材料的HOMO从阳极导出来实现的。图3、功能层为单层C6tl的太阳能电池在光照和暗态下的电流-电压曲线。对比器 件(即没有阳极界面改性层的器件)的光照和暗态下的电流-电压曲线也一并给出。图4、功能层为单层C6tl的太阳能电池的量子效率。可以很明显地看出，器件的量 子效率和吸收谱对应。该器件在可见光区也有较大的光谱响应。图5、氟化钙衬底上热蒸发的48纳米的C6tl的紫外-可见吸收光谱。可以看到热 蒸发的C6tl薄膜在可见光区也存在吸收。具体实施例方式图2a和2b所示为本有机太阳能电池的实例，图3到图5列举了以C6tl作为单层有 机材料的实例器件的相关结果。图2a和图2b给出了基于上述考虑的单层有机材料作为活性功能层的有机太阳能 电池的结构和能级排列关系。这里与阳极相连的界面改性材料被称为阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
功能层为单层有机材料的有机太阳能电池，其特征在于该有机太阳能电池包括以下功能层：阳极单层有机材料功能层阴极所述单层有机功能层的材料选自Ｃ↓［６０］、Ｆ１６ＺｎＰｃ、Ｆ１６ＣｕＰｃ、ＣｕＰｃ、ＺｎＰｃ、Ｐ３ＨＴ、ＭＥＨ－ＰＰＶ、并五苯或其它吸收光谱覆盖紫外到可见光区的有机半导体材料，所述单层有机功能层材料的厚度与其激子扩散长度相当，在１０纳米到１００纳米范围之间；在所述阳极与单层有机材料功能层之间连接有阳极界面改性层，或者在所述阴极与单层有机材料功能层之间连接有阴极界面改性层；或者在阳极与单层有机材料功能层之间连接阳极界面改性层，同时在阴极与单层有机材料功能层之间连接有阴极界面改性层；所述阳极改性层的材料采用ＮＰＢ、ＴＰＤ、ＣｕＩ、Ｖ↓［２］Ｏ↓［５］或ＮｉＯ、ＭｏＯ↓［２］、Ａｇ↓［２］Ｏ等，厚度在１纳米到１０纳米之间；所述阴极改性层的材料采用ＰＴＣＢＩ、Ａｌｑ↓［３］、Ｃｓ↓［２］Ｏ↓［３］或ＳｎＯ↓［２］、ＷＯ↓［３］、ＢａＴｉＯ↓［３］等，厚度在１纳米到１０纳米之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋群梁，熊祖洪，陈丽佳，雷衍连，张勇，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]