專利名稱：利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)₂作為陰極緩沖層的有機太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于有機太陽能電池的材料和器件領域，具體是涉及一種利用熒光電子傳輸材料Zn (BTZ) 2作為陰極緩沖層的有機太陽能電池。
背景技術：
當今能源問題受到世界各國的高度關注。太陽能占地球總能量的99%，是地球上存量最多的能源資源。太陽能轉化為電能，可以通過光伏發(fā)電和光熱發(fā)電方式進行。與傳統(tǒng)的無機光伏電池相比，有機太陽能電池制備工藝簡單，具有制造面積大、廉價、簡易、柔性等優(yōu)點[1_3]。1986年Tang報道了單一給受體異質節(jié)有機光伏電池，光電轉換效率為0.95%[4]。因其具有潛在的廣闊應用前景，此后學術界和企業(yè)界便展開了對有機光伏電池的深入研究[5_9]。有機太陽能電池基本工作原理為:光從透明電極照到電子給受體材料上；產生光生激子(即束縛的電子空穴對)；激子在濃度梯度的作用下開始向電子給受體界面?zhèn)鬏敚诮缑嫣幮纬蓪\生電子空穴對；隨后在Offset (即給受體的LUMO的差值)的作用下解離成自由移動的載流子，由于陰極和陽極存在功函數(shù)差，在這個作用下電子和空穴分別傳輸?shù)讲煌碾姌O，形成電流[1°’11]。所以有機太陽能電池的能量轉換效率是由四個效率共同決定:光吸收效率；激子擴散效率；激子·解離效率；載流子收集效率[12]。本專利中以Zn (BTZ)2S陰極緩沖層材料，其厚度的增加不會提高光吸收效率；激子擴散效率只與給受體材料有關；激子解離效率由解離界面決定，故在本專利中對器件效率起主要作用的為載流子收集效率。陰極緩沖層有四個主要作用:阻擋激子，減少激子在陰極猝滅(也稱為激子阻擋層;光學間隔層:用來調節(jié)光場[14];鈍化層:保護受體[15];載流子傳輸層:傳輸載流子[16]。使用陰極緩沖層可以改善載流子傳輸和收集效率，從而提高電池能量轉換效率。目前陰極緩沖層大致分為三種類型:蒸鍍陰極對材料造成缺陷態(tài)，解離出的自由電子在缺陷態(tài)中跳躍被陰極收集[17];材料HOMO相對較高，電子與注入空穴復合形成電池_ ;材料LUMO較深，降低收集勢壘_。傳統(tǒng)器件通常使用BCP作為陰極緩沖層[17]。雖然BCP可以改善器件效率，但由于其本身寬帯隙及電阻的影響使得器件效率僅為1%左右JPiBCP容易結晶，玻璃化溫度較低，器件的壽命也較低[2°]。Zn(BTZ)2通常用于制備白光0LED[21]，但是迄今為止還沒有將其應用于小分子有機太陽能電池中的相關報道。本申請中所涉及的Zn(BTZ)2具有較高的電子遷移率@23]，較好的成膜性與穩(wěn)定性，且HOMO能級高于電子受體的HOMO能級，在電子給體/電子受體平面異質結處解離出的電子易與陰極注入的空穴進行復合，從而改善器件的能量轉換效率及壽命。該申請所涉及的有機太陽能電池，與普林斯頓大學理事會及南加利福尼亞大學的B.P.蘭德、S.R.弗萊斯特、M.E.湯普森等人已申報的國家發(fā)明專利“具有相反載流子激子阻擋層的有機雙異質結構的光伏電池”(申請?zhí)?200680027818)的區(qū)別在于激子阻擋層不同，并且金屬陰極材料也不同。本申請所用的陰極緩沖層即激子阻擋層材料為電子傳輸材料且為熒光材料，陰極為金屬鋁電極。B.P.蘭德、S.R.弗萊斯特、M.E.湯普森等人使用的是磷光材料Ru(acac)3，此材料為空穴傳輸材料，陰極為金屬銀電極。此磷光材料僅可以利用HOMO優(yōu)勢來傳遞載流子。金屬釕為貴金屬，儲量有限，這就使得器件制作成本變高。本申請使用的是無毒、合成簡單、儲量較為豐富、價格相對便宜的金屬鋅配合物，大大降低器件制作成本。此材料在厚度不同時，作用機理也不同，其卓越的電子傳輸性能和高質量的薄膜表面形態(tài)，可有效提高有機太陽能電池的能量轉換效率和壽命。
權利要求
1.一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)Jt為陰極緩沖層的有機太陽能電池，電池的結構依次是=ITO陽極、電子給體層、電子受體層、陰極緩沖層、陰極，其特征在于:陰極緩沖層材料是Zn (BTZ) 2。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機太陽能電池，其特征在于電子給體層可用酞菁類配合物如酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鉛等，厚度 15 20 nm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機太陽能電池，其特征在于電子受體層材料是用C6tl或者它的衍生物，厚度為35 40 nm。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機太陽能電池，其特征在于有機太陽能電池的陰極緩沖層的厚度為3 20 nm。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2緩沖層的有機太陽能電池，其特征在于Al作為陰極`，``厚度10(Tl50 nm。
全文摘要
本發(fā)明屬有機光電器件技術領域，涉及一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機太陽能電池。該有機太陽能電池的特點是采用Zn(BTZ)2為有機太陽能電池的陰極緩沖層。在緩沖層厚度較小時，由于蒸鍍金屬陰極對其造成的損害，電子可由缺陷態(tài)被陰極收集。加之此材料具有高的電子遷移率、良好的熱穩(wěn)定性及薄膜表面形態(tài)，使電池的光伏性能優(yōu)于傳統(tǒng)利用2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉(Bathocuproine，BCP)作為陰極緩沖層的電池性能。在緩沖層Zn(BTZ)2厚度較大時，因其最高占據(jù)分子軌道(HighestOccupiedMolecularOrbital,HOMO)能級高于受體的HOMO能級，故有利于CuPc/C60平面異質結處解離出的電子與陰極注入的空穴進行復合，從而改善電池的能量轉換效率。照射光源選用的是AM1.5G光強為100mW/cm2的太陽能模擬器，各有機層均采用真空升華沉積有機膜的方法制備，本發(fā)明可大幅度提高有機太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L51/44GK103247760SQ201210029619
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權日2012年2月10日
發(fā)明者劉春波, 劉洋, 徐占林, 蘇斌, 車廣波 申請人:吉林師范大學