大面積有機光伏電池的制作方法
【專利說明】大面積有機光伏電池
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求2012年6月25日提交的美國臨時申請第61/664, 058號的優(yōu)先權(quán)，其 全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦咨助研究的陳沭
[0004] 本發(fā)明是用能源部授予的DE-EE0005310和空軍科學(xué)研究辦公室授予的FA-9550-10-1-0339下的政府資助進行的。政府在本發(fā)明中具有一定的權(quán)利。
[0005] 聯(lián)合研究協(xié)議
[0006] 本公開的主題是由以下各方中的一個或多個、代表以下各方中的一個或多個 和/或與以下各方中的一個或多個合作，按照大學(xué)-企業(yè)聯(lián)合研究協(xié)議完成的：密歇 根大學(xué)（UniversityofMichigan)和全球光子能源公司（GlobalPhotonicEnergy Corporation)。該協(xié)議在做出本公開的主題之日和之前就已生效，并且正是由于在所述協(xié) 議范圍內(nèi)采取的活動才做出的。
[0007] 本公開內(nèi)容總體涉及通過使用大面積的有機分子層，制造有機光伏（OPV)器件諸 如太陽能電池的方法。
[0008] 光敏光電器件將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電。太陽能電池是專門用來產(chǎn)生電能的一類光敏 光電器件。
[0009] 為了產(chǎn)生內(nèi)生電場，常用的方法是并置兩層材料，所述材料具有適當(dāng)選擇的傳導(dǎo) 性，特別是就其分子的量子能態(tài)分布方面進行適當(dāng)選擇的傳導(dǎo)性。這兩種材料的界面叫做 光伏結(jié)。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體理論中，用于形成PV結(jié)的材料一般被稱為n-或P-型的。在這里 n-型表示多數(shù)載流子的類型是電子。這可以看做是所述材料具有很多處于相對自由的能態(tài) 的電子。P-型表示多數(shù)載流子的類型是空穴。這種材料具有很多處于相對自由的能態(tài)的空 穴。背景的類型即非光生的大多數(shù)載流子濃度主要取決于缺陷或雜質(zhì)的非故意摻雜。雜質(zhì) 的類型和濃度決定了處于導(dǎo)帶最小和價帶最大能量之間的帶隙內(nèi)的費米能或費米能級的 值。費米能表征的是分子的量子能態(tài)的統(tǒng)計學(xué)占據(jù)情況，所述分子的量子能態(tài)由占據(jù)概率 等于1/2時的能量值所表示。接近導(dǎo)帶最小能量的費米能表示電子是主要載流子。接近價 帶最大能量的費米能表示空穴是主要載流子。因此，費米能是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要特征性能， 并且原型PV結(jié)通常是p-n界面。
[0010] OPV器件由于它們的低成本太陽能轉(zhuǎn)換的潛力是具有前景的可再生和綠色的能 源。
[0011] 當(dāng)適合用于光器件的有機材料用適當(dāng)?shù)墓庹丈鋾r，光子被材料的分子組分吸收， 結(jié)果是產(chǎn)生了分子組分的激發(fā)態(tài)：電子從分子的H0M0(最高占據(jù)分子軌道）狀態(tài)躍遷到 LUMO(最低未占據(jù)分子軌道）狀態(tài)，或者空穴從LUMO狀態(tài)躍遷到H0M0狀態(tài)。從而產(chǎn)生了激 子即電子-空穴對狀態(tài)。這個激子狀態(tài)具有電子和空穴再結(jié)合之前的自然壽命。為了產(chǎn)生 光電流，電子-空穴對的組分必須分離?？梢酝ㄟ^并置具有不同導(dǎo)電性能的兩層材料來實 現(xiàn)該分離。層之間的界面形成光電壓異質(zhì)結(jié)，它應(yīng)該具有不對稱導(dǎo)電特性，即，它應(yīng)該能夠 優(yōu)選在一個方向上支持電子的電荷傳輸。
[0012] 已經(jīng)引入了新的概念和方法以提高OPV器件的性能，和現(xiàn)有技術(shù)的OPV器件實現(xiàn) 接近商業(yè)開發(fā)所需門檻的功率轉(zhuǎn)換效率值。然而，基板（例如ITO涂布的玻璃）上的顆粒 特別是在大面積的電池中可能會導(dǎo)致電極之間的電短路，電極之間的電短路減少產(chǎn)率。為 了開發(fā)在商業(yè)上有吸引力的OPV模塊，增大電池面積的同時保持高產(chǎn)率和性能是非常重要 的。
[0013] 在一個實施方式中，本公開內(nèi)容提供了一種多層的太陽能器件，包括：基板；有源 區(qū),包括沉積在基板表面上的至少一種供體材料和至少一種受體材料,其中供體和受體材 料包括有機分子，并且其中在沉積供體和受體材料之前將顆粒從基板表面上除去。
[0014] 在另一個實施方式中，本公開內(nèi)容提供了一種多層太陽能器件，包括：預(yù)清洗基 板，具有基本上無顆粒的表面；和有源區(qū)，包括沉積在基板表面上的至少一種供體材料和至 少一種受體材料，其中所述供體和受體材料包括有機分子。
[0015] 在另一個實施方式中，本公開內(nèi)容提供了一種多層太陽能器件，包括：預(yù)清洗基 板，具有基本上無顆粒的表面；兩個電極，成重疊的關(guān)系設(shè)置在該預(yù)清洗基板的表面上；和 有源區(qū),包括至少一種供體材料和至少一種受體材料,其中該供體和受體材料包括位于該 兩個電極之間的有機分子。
[0016] 本公開內(nèi)容的另一個實施方式涉及一種光伏器件的制造方法，包括：提供基板； 通過使基板的表面暴露于至少一種化合物的流束來清洗所述基板的表面，該至少一種化合 物包括選自超臨界相、氣相、固相和液相的一個或更多個相；然后在基板的表面上沉積有機 有源層。
[0017] 在本公開內(nèi)容的另一個實施方式中，光伏器件的制造方法包括：提供第一電極層； 通過使第一電極層暴露于至少一種化合物的流束來清洗第一電極層，該至少一種化合物包 括選自超臨界相、氣相、固相和液相的一個或更多個相；提供第二電極層，其中在第一電極 層和第二電極層之間沉積有機有源層。
[0018] 在另一個實施方式中，本公開內(nèi)容提供了一種光伏器件的制造方法，包括：提供基 板；通過使基板的表面暴露于至少一種化合物的流束來清洗所述基板的表面，該至少一種 化合物包括選自超臨界相、氣相、固相和液相的一個或更多個相；在基板的表面上成重疊的 關(guān)系沉積兩個電極，其中在所述兩個電極之間沉積有機有源層。
[0019] 在另一個實施方式中，本公開內(nèi)容提供了一種光伏器件的制造方法，包括：提供第 一電極層；通過使第一電極層暴露于至少一種化合物的流束來清洗第一電極層，該至少一 種化合物包括選自超臨界相、氣相、固相和液相的一個或更多個相；提供第二電極層；在第 一電極層和第二電極層之間沉積有機有源層，并且其中有機層的厚度使得其相對于沒有用 至少一種化合物的流束清洗第一電極層而獲得的產(chǎn)率提高了產(chǎn)率。
[0020] 圖1示出CO2雪清洗（a)之前和（b)之后的氧化銦錫涂布的玻璃基板表面的代表 性原子力顯微照片，和（C)在兩個不同處理后的表面上的粒子高度的統(tǒng)計信息。
[0021] 圖2示出（a)采用C6tl受體的SubPc(空心方塊和虛線）和DPSQ(實心方塊和實線） 基OPV電池的串聯(lián)電阻（RsA)和填充因子（FF) ;(b)具有不同面積的SubPc和DPSQOPV器 件的短路電流（Jsc)和功率轉(zhuǎn)換效率（nP)。使用與（a)中相同的線符號。
[0022] 圖 3 示出具有不同有源區(qū)的IT0/Mo03(15nm)/DPSQ(13nm)/C6(l(40nm)/BCP(8nm)/ Al器件的暗電流密度相對于電壓（J-V)的曲線。
[0023]圖4示出假設(shè)RsA= 50Q?cm2計算的暗J-V曲線和可變的Rp插入：FF與分流電 阻之間計算的關(guān)系。
[0024] 圖5示出6. 25cm2的器件黑暗中和在1倍太陽光強、AMI. 5G照明下的J-V曲線， 示出了輔助電極的效果。
[0025] 圖6示出三個器件在1倍太陽光強、AMI. 5G照明下的電流密度相對于電壓的曲線： 在圖注中器件A、B和C分別由方形、圓形和三角形代表。
[0026]A:(控制器件）：ITO/M〇03 (IOnm)/SubPc(13nm) /C6〇 (40nm)/BCP(8nm)/Al
[0027]B：IT0/PED0T：PSS(50nm) /MoO3 (5nm)/SubPc(13nm) /C60 (40nm)/BCP(8nm)/Al
[0028]C：IT0/Mo03 (30nm)/SubPc(13nm) /C60 (40nm)/BCP(8nm)/Al
[0029] 圖7示出具有不同有源面積并且具有雪加上溶劑清洗的基板的具有ITO/ MoO3 (IOnm)/SubPc(13nm)/C6tl (40nm)/BCP(8nm)/Al結(jié)構(gòu)的器件在 1 倍太陽光強、AMI. 5G照 明下的電流密度相對于電壓的曲線。
[0030] 圖8示出具有不同有源面積并且具有僅用雪清洗的基板的具有IT0/M〇03(10nm)/ SubPc(13nm)/C6tl (4