專利名稱:多層有機(jī)薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明描述了多層有機(jī)薄膜太陽能電池,其包含彼此相鄰層疊的陰極層、活性電子受體層、活性電子供體層、導(dǎo)電陽極層和基板層,以及用于制造多層有機(jī)薄膜太陽能電池的方法。
背景技術(shù):
由有機(jī)電子材料組成的有機(jī)太陽能電池方興未艾,其具有提供廉價(jià)的光伏電的潛倉泛?;诎雽?dǎo)電性有機(jī)小分子和聚合物的多層結(jié)構(gòu)的激子太陽能電池已在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)為人所熟知,并且認(rèn)為其所具有的性質(zhì)有望獲得能夠廉價(jià)地且大規(guī)模地轉(zhuǎn)化太陽能的裝置。這些裝置通常由夾在電荷收集電極之間的電子供體和受體材料薄膜組成。在一個(gè)陰極層和另一個(gè)導(dǎo)電陽極層之間夾有至少兩個(gè)具有不同電子親和勢(shì)和電離勢(shì)的層。將具有最高電子親和勢(shì)和電離勢(shì)的層稱為受體層,將相鄰層稱為電子供體層。在有機(jī)太陽能電池中將光轉(zhuǎn)化為電流是一個(gè)四階段的過程,如圖5a和5b中描述的現(xiàn)有技術(shù)所示。光吸收導(dǎo)致形成束縛電子空穴對(duì)(激子),其擴(kuò)散至活性層之間的界面并在此被分成自由電荷載體。所述自由電荷載體通過漂流和擴(kuò)散在陽極與陰極間移動(dòng),并被電極層以電流收集。照射下,光子碰撞在有機(jī)半導(dǎo)體上形成激子。如果供體材料吸收光,則激子擴(kuò)散至異質(zhì)結(jié)界面,在此其可以通過從供體層的最低未占分子軌道(LUMO)至受體層的LUMO的電子轉(zhuǎn)移分成電子和空穴(如圖5b所示)。如果受體層吸收光,則通過相應(yīng)HOMO能級(jí)間的電子轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)電荷分離。分離電荷的漂流和擴(kuò)散導(dǎo)致陰極層和陽極層處的電荷收集。由于開發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)例如有機(jī)太陽能電池的絲網(wǎng)印刷、刮片(blading)和噴霧的柔性塑料電學(xué)材料,可以大規(guī)模進(jìn)行有機(jī)太陽能電池的生產(chǎn),從而降低生產(chǎn)成本。此類有機(jī)太陽能電池的可能的工業(yè)應(yīng)用是有望于進(jìn)一步開發(fā)的前提。如US4164431所公開的,近年采用的有機(jī)材料導(dǎo)致通過使用光導(dǎo)電性染料活性層來開發(fā)能量轉(zhuǎn)化效率提高的太陽能電池。雖然所使用的有機(jī)材料層的吸收性質(zhì)良好,但與基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的太陽能電池相比,有機(jī)太陽能電池中實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化效率迄今仍不能滿足要求。如EP1998386中所公開的,能夠通過將活性層分成多個(gè)供電子和受電子有機(jī)半導(dǎo)體膜堆疊體而提高能量轉(zhuǎn)化效率和載體可運(yùn)輸性。這些膜非常薄,厚度為IOnm或更低,以在激子分離后提供分離的電子和空穴的高運(yùn)動(dòng)性。由于受體層和活性層的不同薄膜的交互層疊的更復(fù)雜結(jié)構(gòu),生產(chǎn)采用交互層疊的太陽能電池較為困難。特別地,各薄膜的低厚度和 P-型和η-型有機(jī)半導(dǎo)體膜的厚度差異導(dǎo)致制造過程變得更加困難和耗時(shí)。由電極向有機(jī)半導(dǎo)體中的電荷注射很大程度上取決于活性層的HOMO或LUMO分子軌道的電極功函數(shù)和能級(jí)之間的能壘。該能壘通常通過選擇具有合適功函數(shù)的電極材料而降低?;瘜W(xué)摻雜是修飾界面的電子結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)跨異質(zhì)結(jié)面的電荷轉(zhuǎn)移的另一種方式。
根據(jù)W09907028,引入兩極有機(jī)單分子層作為太陽能電池的一個(gè)層可用于調(diào)整相鄰層的能級(jí)。該兩極有機(jī)單分子層還能夠?qū)⒖昭◤膶?dǎo)電陽極層轉(zhuǎn)移至供體層,同時(shí)阻止電子向電極的反向轉(zhuǎn)移。偶極距足以達(dá)到能級(jí)匹配的可應(yīng)用分子僅有數(shù)個(gè)。此外,常常需要對(duì)表面進(jìn)行功能化從而使極性分子的合適錨定基團(tuán)被結(jié)合至表面和使極性有機(jī)單分子層定向(orients)。這些分子常常不得不溶解在極性有機(jī)溶劑中,而極性有機(jī)溶劑可在制造太陽能電池時(shí)影響層下方。另一個(gè)不足是所產(chǎn)生的層厚度的可能變化,進(jìn)而可導(dǎo)致有機(jī)分子層具有難以實(shí)施的電學(xué)性質(zhì),例如絕緣分子層。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過調(diào)整有機(jī)太陽能電池的相鄰布置層的能級(jí)而產(chǎn)生具有改善的較高能量轉(zhuǎn)化效率的多層有機(jī)太陽能電池。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中,電子供體層和導(dǎo)電聚合物層之間電荷注入接觸的改善導(dǎo)致較高的能量轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明的太陽能電池實(shí)現(xiàn)了這些目的,并且通過使用形成柔性多層有機(jī)太陽能電池的價(jià)廉且可商購的有機(jī)原材料可以以簡(jiǎn)單且快速的方式被制造。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有改善的能量轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池的制造方法, 該方法簡(jiǎn)單且應(yīng)用快速。
以下結(jié)合附圖
對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實(shí)施方式進(jìn)行描述。圖I顯示了本發(fā)明的多層有機(jī)太陽能電池的一個(gè)實(shí)施方式的示意性截面圖。圖2示意性地顯示了放置在導(dǎo)電陽極層和活性層之間的帶電界面雙層的能量圖, 其中導(dǎo)致了 HOMO和LUMO能級(jí)的彎曲和能級(jí)調(diào)整。圖3a示意性地顯示了具有PED0T:PSS和花青(cyanine)的太陽能電池的勢(shì)能圖, 其中顯示PED0T:PSS和相鄰花青層的HOMO能級(jí)的大的能量差異。圖3b示意性地顯示了 PED0T:PSS層的調(diào)整的HOMO能級(jí)的勢(shì)能圖,所述調(diào)整是由于插入了中間匹配層而導(dǎo)致的。圖4示意性的顯示了與現(xiàn)有技術(shù)沒有中間匹配層的太陽能電池(虛線)相比,圖 3b的包含中間匹配層(無機(jī)或有機(jī)鹽層)的有機(jī)太陽能電池的IV性質(zhì),所述中間匹配層位于導(dǎo)電陽極層(PED0T:PSS)/供體層(CyP)的界面處。圖5a示意性地顯示了在現(xiàn)有技術(shù)的太陽能電池中由光誘導(dǎo)的電荷產(chǎn)生和分離, 其由I)激子形成;2)激子分散;3)激子分離;4)分離電荷的漂移和分散組成。圖5b示意性的顯示了圖5a的現(xiàn)有技術(shù)的相應(yīng)能量圖。圖6顯示了所使用的五種類型的花青的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的多層有機(jī)薄膜太陽能多層O包括具有不同電學(xué)性質(zhì)的不同的相鄰獨(dú)立有序?qū)?。在圖I描述的多層結(jié)構(gòu)中,示出陰極層1,與之相鄰放置的是有機(jī)受體層2。有機(jī)供體層3與受體層2相鄰放置,隨后是有機(jī)導(dǎo)電陽極層4和基板層5。
陰極層I通常由金屬制成并且因此導(dǎo)電。基板層5也導(dǎo)電但必須是透光的,對(duì)可見光具有一定的透光性。受體層2是η-型有機(jī)半導(dǎo)體層,而活性層3是ρ-型有機(jī)半導(dǎo)體層,帶隙由HOMO 和LUMO的間隔界定。用于受體層2的優(yōu)選材料為具有高電子親和勢(shì)的材料,例如富勒烯(例如C60)或富勒烯的混合物、不同的富勒烯衍生物、花青染料、蒽醌或茈衍生物。用于活性層3的優(yōu)選材料是花青染料(CyP),其用作電子供體?;ㄇ嗳玖鲜欠浅?qiáng)的吸光物,其作為鹵化銀的傳感器而長(zhǎng)期應(yīng)用于攝影領(lǐng)域?;ㄇ嗍菍儆诰奂兹步M的合成染料家族的非系統(tǒng)性命名?;ㄇ嘧鳛闊晒馊玖暇哂卸喾N用途,尤其是在生物醫(yī)學(xué)成像中。根據(jù)結(jié)構(gòu),其覆蓋了從IR至UV的光譜。在一個(gè)世紀(jì)前首次合成花青,并且文獻(xiàn)中報(bào)道了大量花青。圖6中描述了所使用的五種類型的花青,其中(I)表示Streptocyanines, (II)代表半青染料(Hemicyanines), (III)代表閉合鏈花青。在本發(fā)明的太陽能電池O中優(yōu)選使用 Cy3(IV)和Cy5(V)花青。在所使用的花青染料中,R基團(tuán)為短的脂肪族鏈。花青染料可以被容易地制造并純化??梢酝ㄟ^改變分子中聚甲炔基團(tuán)的長(zhǎng)度而調(diào)整花青染料的吸收范圍。特別地,花青染料的吸收可以擴(kuò)展至近紅外區(qū)。所有這些性質(zhì)使 CyP以及C60(有機(jī)太陽能電池的電子供體)成為合適的吸光物。導(dǎo)電陽極層4可以由形成光滑薄膜的材料制成,所述材料具有高導(dǎo)電性并且是透光的,例如,摻雜有聚苯乙烯磺酸鹽的導(dǎo)電性聚合物聚-3,4-乙撐二氧噻吩(縮寫為 PEDOT:PSS)。通過在常用的有機(jī)太陽能電池中使用已知材料,所使用的供體層3的HOMO能級(jí)通常遠(yuǎn)低于導(dǎo)電陽極層4的HOMO能級(jí)。然而,在使用花青染料作為供體層3和使用PED0T:PSS 作為陽極層4時(shí),Η0Μ0-Η0Μ0能隙大(圖3a)。此外,大的能量差異減慢了導(dǎo)電陽極層4和活性(花青)供體層3間的空穴轉(zhuǎn)移過程,導(dǎo)致陽極側(cè)差的電荷收集并導(dǎo)致低的填充因子和低的開路電壓。能級(jí)調(diào)整為了改善本發(fā)明的太陽能電池O的電荷收集性質(zhì),將中間匹配層X插于相鄰層之間,導(dǎo)致勢(shì)能的調(diào)整。將采用包含不動(dòng)的陽離子和陰離子的有機(jī)或無機(jī)鹽薄層的中間匹配層χ插入至特別是活性層3和導(dǎo)電陽極層4(用作ρ-型有機(jī)半導(dǎo)體)之間,可以對(duì)導(dǎo)電陽極層4和相鄰活性層3的HOMO能級(jí)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。為了調(diào)整能級(jí),將極其細(xì)小的鹽層χ插入至導(dǎo)電陽極層4 (尤其是導(dǎo)電聚合物)和相鄰活性層3(例如花青)之間。界面處不同的離子親和勢(shì)導(dǎo)致正界面電荷和負(fù)界面電荷, 從而產(chǎn)生電位偏移(potential offset)。由插入的中間匹配層χ誘導(dǎo)的導(dǎo)電陽極層4和活性層3間界面處的能量偏移描述于圖2。圖2的能量圖示意性地顯示了為了匹配相鄰層3、 4兩者的HOMO能級(jí)而在活性層3和導(dǎo)電陽極層4間的中間匹配層χ引起的電位彎曲偏移。多種有機(jī)或無機(jī)鹽均可使用并且適合構(gòu)建中間匹配層X。用于在導(dǎo)電陽極層4和活性層3之間引入鹽薄層的制造方法包括如下任意工序旋轉(zhuǎn)涂布、噴霧涂布、刮片、印刷方法,例如絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷。特別地,可以使用含有陰離子以及陽離子的鹽并實(shí)現(xiàn)能級(jí)調(diào)整,所述陰離子由硫酸根、鹵素離子、硝酸根、碳酸根、磷酸根、硼酸根、過氯酸根或由磺酸陰離子、羧酸陰離子或硫酸陰離子組成的有機(jī)部分組成,所述陽離子由鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋁、銨或R4N(其中R表示任何有機(jī)取代基)組成??捎糜谥虚g匹配層χ的鹽的典型實(shí)例包括NH4BF4、NaBF4, R4NBF4, NH4ClO4, NaClO4, R4NClO4, LiClO4(其中R表示任何烷基基團(tuán))以及花青鹽,其可溶于低沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑。 所述鹽的此類有機(jī)溶液可用于涂布工序。中間匹配層χ的有利厚度為從至少雙分子層 (molecular bilayer) ( < lnm)至 5nm 的范圍。選擇鹽層χ的陽離子和陰離子,從而使導(dǎo)電陽極層4和其中一個(gè)活性層3的HOMO 能級(jí)最佳匹配。能級(jí)匹配導(dǎo)致正電荷載體的有效收集并由此提高了轉(zhuǎn)化效率。如果將中間匹配層X置于受體層2和供體層3之間,則離子結(jié)產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng),其可轉(zhuǎn)變電子軌道能級(jí)、 阻止太陽能電池內(nèi)的電荷產(chǎn)生或者從空穴分離由光產(chǎn)生的電子并阻止其再結(jié)合,然而這些過程的細(xì)節(jié)僅略知一二。包括PED0T:PSS層和CyP/C60層的太陽能電池的結(jié)果在帶電界面的能量偏移可被降低從而大幅提高PED0T:PSS的接觸性質(zhì)。在使用標(biāo)準(zhǔn)的PED0T:PSS導(dǎo)電陽極層4的CyP/C60有機(jī)太陽能電池中,在界面處插入中間匹配層χ 提高了開路電壓、短路電流和填充因子,從而導(dǎo)致在標(biāo)準(zhǔn)太陽照射(AM I. 5,入射功率密度為lOOmW/cm2)下的能量轉(zhuǎn)化效率提高2. 5倍。花青作為活性層3的優(yōu)勢(shì)本發(fā)明人之前已經(jīng)將花青用作電子供體或受體。然而,迄今為止仍不能達(dá)到大于
I.2%的效率。然而,通過使用固體化學(xué)摻雜劑摻雜花青層和通過在陰極界面處插入緩沖層,在標(biāo)準(zhǔn)太陽照射條件下測(cè)定的效率升至2.6%。如之前的工作所顯示的,花青層的氧化摻雜大幅改善了裝置的所有優(yōu)值。摻雜不僅提高了花青層的導(dǎo)電性還改善了花青膜和 PED0T:PSS之間的電荷注入接觸。盡管有這些優(yōu)勢(shì),所述裝置的壽命卻被顯著降低。最近的這些結(jié)果顯示了該類型染料的全部潛能,其具有可溶、在整個(gè)太陽照射譜中強(qiáng)吸收的優(yōu)勢(shì)并且其易于大量合成。圖3a的勢(shì)能圖顯示在作為導(dǎo)電陽極層4的PED0T:PSS和作為活性層3的花青的 HOMO能級(jí)間的大間隙,圖3b中示出了中間匹配層χ導(dǎo)致的能級(jí)匹配。圖4示意性地顯示了,當(dāng)如圖3b示意性顯示的提供夾在PED0T:PSS導(dǎo)電層4和 CyP活性層3之間的作為中間匹配層χ的無機(jī)鹽層時(shí),對(duì)有機(jī)太陽能電池O的電流/電壓性質(zhì)的影響。通過使用相同的入射功率lOOmW/cm2,“經(jīng)鹽處理的”太陽能電池O的效率為 2.2%,而不采用中間匹配層χ的太陽能電池的效率為0.8%。因此,具有中間匹配層χ的太陽能電池O的填充因數(shù)(FF) (FF = O. 37)顯著高于未經(jīng)處理的太陽能電池的填充因數(shù)(FF =O. 25)。對(duì)PEDOT: PSS 的取代在常規(guī)的有機(jī)太陽能電池裝置結(jié)構(gòu)中,PED0T:PSS在大多數(shù)的供電子材料中用作導(dǎo)電陽極層4。遺憾的是,該材料不提供令人滿意的與采用花青的活性層3的電接觸。該缺陷清楚地體現(xiàn)在相當(dāng)?shù)?約O. 2)的填充因數(shù)中,這導(dǎo)致裝置性能的主要損失。為了優(yōu)化多層有機(jī)太陽能電池O的性能,優(yōu)選特征在于高功函數(shù)的導(dǎo)電陽極層
4。此陽極層4可以具體為聚苯胺(縮寫為PANI)、摻雜的聚苯胺(_5.4eV)、摻雜的聚吡咯 (-5. 5eV)、摻雜的聚噻吩、聚摻的雜對(duì)苯撐、摻雜的聚乙烯-咔唑(-5. 5eV)及其混合物。這些聚合物都是可商購的并且可以以不同的形式印制,例如利用噴墨印刷或膠版印刷。利用 PED0T:PSS和PANI的組合的測(cè)定也顯示好的結(jié)果。如上文所提及的,可用的材料必須具有高導(dǎo)電性并且所產(chǎn)生的導(dǎo)電陽極層4必須透光且可提供極薄層調(diào)節(jié)??赡苡糜诨鍖?的材料為導(dǎo)電且透光的材料,例如透光導(dǎo)電氧化物汀0)),如 Ga-In-O (5. 4eV)復(fù)合物和Zn-In-O (6. IeV)復(fù)合物或者氧化鎳(NiO,5.4eV)。也可以將碳納米管、石墨烯、支撐基板上的金屬網(wǎng)格或者甚至支撐基板上的PED0T:PSS用作基板層5。測(cè)定值顯示,當(dāng)使用純的聚苯胺(PANI)或含聚苯胺的化合物而非PED0T:PSS作為導(dǎo)電陽極層4時(shí),性能大幅提高。這是因?yàn)閾诫s的聚苯胺的高功函數(shù)和良好導(dǎo)電性有益于此類應(yīng)用。通過使用PANI,可以更容易地從陽極側(cè)提取正電荷。實(shí)驗(yàn)顯示,包含采用一個(gè) PEDOT: PPS和一個(gè)相鄰PANI層的含導(dǎo)電陽極層4的太陽能電池O產(chǎn)生令人滿意的能量轉(zhuǎn)化效率。在不同層界面包含多于一個(gè)中間匹配層χ的太陽能電池O的制造還提高了裝置的效率。由于插入了中間匹配層X而使離子電荷作用不限于空穴提取陽極(hole-extracting anode) /電子供體層,但可更常用于在純有機(jī)異質(zhì)結(jié)和在金屬/有機(jī)異質(zhì)結(jié)處調(diào)整能級(jí)偏移。因此,在陰極層I和受體層2之間和/或在受體層2和活性層3之間和/或在導(dǎo)電陽極層4和基板層5之間的中間匹配層χ對(duì)裝置效率具有正面影響。有機(jī)太陽能電池的一般制造方法所述制造方法可以被分成處于大氣條件下的第一部分和隨后處于真空條件下的
第二部分。在干凈的基板層5上,通過例如涂布沉積厚度大于5nm的至少一個(gè)導(dǎo)電陽極層4。 層4的最小厚度必須使基板層5由粗糙變光滑。任選地,隨后可以沉積作為另一個(gè)導(dǎo)電陽極層4的另一材料。在干燥過程后,涂布包含溶解于溶劑中的無機(jī)或有機(jī)鹽的中間匹配層X,并且在干燥后形成厚度在至少Inm至高達(dá)5nm的范圍內(nèi)的層。覆蓋中間匹配層X,還旋轉(zhuǎn)涂布最終厚度小于50nm(因?yàn)榛钚詫?會(huì)吸收過多的照射光)的活性層3。在這些環(huán)境條件下的制造步驟后,將層化的裝置置于真空下一段時(shí)間,之后通過例如升華或蒸發(fā)在活性層3上沉積厚度為30nm至IOOnm的受體層2。在受體層2頂部,使厚陰極層I熱蒸發(fā),以形成有機(jī)太陽能電池O的良好的導(dǎo)電陰極接觸。為了保護(hù)敏感性受體層2不被降解,在蒸發(fā)陰極層I之前,可以在受體層2上蒸發(fā)或涂布厚數(shù)納米的包含例如Alq3或氟化鋰或Ti02或向紅菲咯啉(bathophenanthroline) 或浴銅靈(bathocuproine)的阻擋層。任選在層化裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行真空下的沉積步驟。典型的制造方法用于制造IT0/PED0T:PSS/PANI/鹽層/花青/C60/Alq3/AI有機(jī)太陽能電池的一個(gè)試驗(yàn)過程詳細(xì)描述于下文。I)在臭氧等離子體內(nèi)清洗作為基板層5的氧化銦錫(ITO)玻璃基板,然后將其置于丙酮、乙醇和肥皂超聲浴中,最后在氮?dú)饬髦懈稍铩?)接著,在ITO基板頂部旋轉(zhuǎn)涂布(加速度3000rpm/s,最大速度5000rpm,涂布時(shí)間60秒)厚50nm的形成導(dǎo)電陽極層4的經(jīng)過濾(濾器尺寸為5 μ m)的摻雜有聚(3,4-乙烯二氧噻吩)的聚(苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)的層。旋轉(zhuǎn)涂布后,將裝置加熱至例如120°C持續(xù)15分鐘,然后將玻璃/IT0/PED0T:PSS裝置轉(zhuǎn)移至氮手套盒(水和含氧量低于 Ippm)中。3)作為第二導(dǎo)電陽極層4,旋轉(zhuǎn)涂布(例如加速度3000rpm/s,最大速度5000rpm, 涂布時(shí)間60秒)厚30nm的經(jīng)過濾(例如濾器尺寸為O. 45 μ m)的經(jīng)摻雜的PANI溶液(溶劑為2-丁酮)的層,然后空氣干燥。4)隨后,在第二導(dǎo)電陽極層4上,旋轉(zhuǎn)涂布(例如加速度3000rpm/s,最大速度 5000rpm,涂布時(shí)間60秒)經(jīng)過濾(例如濾器尺寸為O. 45 μ m)的含NH4+BF4_的乙腈溶液 (O. 5mg/5mL),形成中間匹配層X,所形成的鹽層χ的厚度為至少lnm。5)在中間匹配層χ上,旋轉(zhuǎn)涂布(例如加速度3000rpm/s,最大速度5000rpm,涂布時(shí)間60秒)經(jīng)過濾(濾器尺寸為O. 45 μ m)的例如IOOmg花青染料/12mL四氟丙醇的溶液,形成作為活性層3的厚30nm的花青層(CyP,l,l' - 二乙基_3,3,3',3'-四甲基羰花青六氟磷酸鹽)。6)在前述步驟后,使裝置保持在真空下(例如 3x 10_6mbar)至少2小時(shí),之后將作為受體層2的厚40nm的C6tl層升華在活性層3的頂部。
7)為了保護(hù)C6tl,將厚約2. 5nm的Alq3阻擋層升華至受體層2上。
8)最后,將厚度至少為例如60nm的厚鋁陰極層I熱蒸發(fā),所述陰極層I作為頂接觸為裝置提供不同的活性區(qū)。
為達(dá)到均勻的真空沉積結(jié)果,在真空沉積過程中旋轉(zhuǎn)裝置(2rpm)。
附圖標(biāo)記的列表
O有機(jī)太陽能電池
I陰極層
2(有機(jī))受體層
3 (有機(jī))供體層
4導(dǎo)電陽極層
5基板層
χ中間匹配層
權(quán)利要求
1.多層有機(jī)薄膜太陽能電池(0),其包含以各自的順序彼此相鄰層疊的陰極層(I)、受體層(2)、供體層(3)、導(dǎo)電陽極層(4)和基板層(5),其中至少一個(gè)有機(jī)或無機(jī)中間匹配層 (x)被放置在至少兩個(gè)相鄰放置的層(1,2,3,4,5)之間的異質(zhì)結(jié)界面上,其特征在于,所述中間匹配層(X)包含無機(jī)鹽或有機(jī)鹽,特別是選自以下組中的鹽NH4BF4、NaClO4, LiClO4, NaBF4, R4NBF4, NH4ClO4, R4NClO4 (其中R代表任意烷基基團(tuán))以及花青鹽。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述中間匹配層 (x)包含含有陰離子和陽離子的鹽,所述陰離子由硫酸根、鹵素離子、硝酸根、碳酸根、磷酸根、硼酸根、過氯酸根或由磺酸陰離子、羧酸陰離子或硫酸陰離子組成的有機(jī)部分組成,所述陽離子由鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋁、銨或R4N(其中R表示任何有機(jī)取代基) 組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述中間匹配層 (χ)的厚度至少對(duì)應(yīng)于雙單分子層的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述中間匹配層 (X)的厚度在Inm至5nm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(0),其特征在于,所述導(dǎo)電陽極層(4)包含以下物質(zhì)中的至少一種PED0T:PSS、摻雜的聚苯胺、摻雜的聚比咯、摻雜的聚噻吩、摻雜的聚對(duì)苯撐、摻雜的聚乙烯-咔唑及其混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述基板層(5) 包含以下物質(zhì)中的至少一種氧化銦錫(ITO)玻璃、Ga-In-O復(fù)合物、Zn-In-O復(fù)合物或 NiO、碳納米管、石墨烯、支撐基板上的金屬網(wǎng)格、支撐基板上的PEDOT: PSS。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述受體層(2) 包含具有高電子親和勢(shì)的有機(jī)分子,例如富勒烯(例如C60)、富勒烯的混合物和/或不同的富勒烯衍生物和/或花青染料和/或蒽醌和/或茈衍生物。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述活性層(3) 包含花青染料。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,陰極層(I)包含鋁,受體層⑵包含C6tl分子,活性層(3)包含花青,導(dǎo)電陽極層⑷包含聚苯胺、PED0T:PPS 或聚苯胺與PED0T:PPS的組合,并且中間匹配層(χ)插入在供體層(3)和導(dǎo)電陽極層(4) 之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,所述太陽能電池(O)包括厚度大于5nm的導(dǎo)電陽極層(4),厚度為Inm至5nm的相鄰的中間匹配層(χ),厚度小于50nm的相鄰的活性層(3),隨后為厚度為30nm至IOOnm的受體層(2),其被厚度大于60nm的陰極層(I)覆蓋。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O),其特征在于,將阻擋層,尤其是由三(8-羥基喹啉)鋁(Alq3)或氟化鋰(LiF)組成的阻擋層置于受體層(2)和陰極層 ⑴之間。
12.制造前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O)的方法,其特征在于,進(jìn)行如下連續(xù)的涂布工序a)在基板層(5)上涂布導(dǎo)電陽極層(4),然后b)在導(dǎo)電陽極層(4)上涂布包含無機(jī)鹽或有機(jī)鹽的中間匹配層(X),然后c)涂布活性層(3)以覆蓋中間匹配層(X),然后d)將受體層(2)沉積在活性層(3)上,然后e)沉積陰極層(I)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O)的方法,其特征在于,所述涂布工序步驟a)、b)和c)在環(huán)境條件下進(jìn)行,所述涂布工序步驟d)和e)在真空條件下進(jìn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的制造多層有機(jī)薄膜太陽能電池(O)的方法,其特征在于,可以在涂布步驟c)和/或涂布步驟d)之后進(jìn)行涂布步驟b)。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有多層結(jié)構(gòu)的高效有機(jī)太陽能電池(0),所述多層結(jié)構(gòu)由陰極層(1)、有機(jī)受體層(2)、有機(jī)供體層(3)、導(dǎo)電陽極層(4)和基板層(5)構(gòu)成,其中通過引入至少一個(gè)中間匹配層(x)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)層電子能級(jí)的調(diào)整。與由花青染料和合適的抗衡離子(例如六氟磷酸鹽)組成的活性層(3)的選擇結(jié)合,可以利用快速且簡(jiǎn)單的制造方法制造具有長(zhǎng)壽命的高性能有機(jī)太陽能電池。
文檔編號(hào)H01L51/42GK102598334SQ201080042737
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者弗蘭克·紐施, 羅蘭·哈尼, 范斌 申請(qǐng)人:瑞士材料試驗(yàn)研究所