給體與受體垂直相分離的有機(jī)太陽能電池及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種給體與受體垂直相分離的有機(jī)太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)的有機(jī)太陽能電池從下至上依次包括：基板、陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和陰極。本發(fā)明專利技術(shù)的有機(jī)太陽能電池的光活性層中的給體或受體的材料為采用帶有可聚合基團(tuán)的有機(jī)材料，在紫外光引發(fā)可聚合基團(tuán)的光聚合時，受體的濃度由陰極一側(cè)向陽極遞減，并且給體的濃度由陽極一側(cè)向陰極遞減，實現(xiàn)了給體與受體垂直相分離，既有利于形成雙連續(xù)通道，保證載流子的傳輸，同時也可產(chǎn)生具有方向的內(nèi)建電場，有利于電子空穴對奮力，并增大短路電流，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于有機(jī)太陽能電池(organic solar cell) OSC領(lǐng)域,特別涉及一種實現(xiàn)電子給體與電子受體垂直相分離的有機(jī)太陽能電池及其制備方法。
技術(shù)介紹
太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，又稱為光伏電池。太陽能電池根據(jù)是否形成激子可分為非激子型(如無機(jī)硅基太陽能電池等)與激子型(如有機(jī)太陽能電池)兩種。其中激子型太陽能電池具有制作簡單、制備過程溫度低、造價低廉、可以制作大面積柔性器件等優(yōu)點。Kodak研究室的Tang報道了第一個光伏(photovoltaic) PV 異質(zhì)結(jié)激子型太陽能電池(C. ff. Tang, ^Two-layer organic photovoltaic cell”，Appl. Phys. Lett. 1986,48，183)。激子型太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)包括陽極、光活性層(photoactive layer)、和陰極,光活性層進(jìn)一步包括電子給體和電子受體。良好的pn結(jié)界面接觸對于pn結(jié)器件非常重要，比如二極管、光伏電池、電致發(fā)光器件等。當(dāng)P型半導(dǎo)體與η型半導(dǎo)體接觸不好時，界面處可能存在大量界面態(tài)，形成界面墊壘，晶體的能帶結(jié)構(gòu)及電荷傳輸都會受到影響。由于導(dǎo)電機(jī)制的不同，有機(jī)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與電子傳輸性能均沒有無機(jī)半導(dǎo)體理想，甚至沒有完整的能帶。光照時，電子給體材料的最高已占軌道Η0Μ0能級的電子躍遷到最低未占軌道LUMO能級，形成電子空穴對(激子)，有機(jī)分子和分子之間相互作用比較小，范德華力、激子的束縛能比較大，一般為0. I - leV，激子只有在較大電場中才能克服束縛能形成電子和空穴。在有機(jī)太陽能電池中電子給體分子D和電子受體分子A的界面提供了這個電場，只有通過遷移到達(dá)A — D界面的激子才能分離，產(chǎn)生光電流。激子會以共振能量轉(zhuǎn)移方式(Forster能量轉(zhuǎn)移)或電子交換(Dexter能量轉(zhuǎn)移)方式進(jìn)行擴(kuò)散傳輸。有機(jī)半導(dǎo)體中分子的排列雜亂無章，非長程有序，激子的擴(kuò)散長度一般僅有10-20nm，一旦超過激子的傳輸距離，激子便發(fā)生復(fù)合。因此，在雙層有機(jī)光伏器件中，薄的P、η半導(dǎo)體厚度是非常必要的，然而，這樣的結(jié)果就是太陽能不能被充分利用。對于吸光系數(shù)為105/cm的有機(jī)材料，需要IOOnm的厚度才可吸收絕大部分光能。激子的擴(kuò)散長度小與吸收太陽能所需的厚度大之間形成矛盾，為了解決該矛盾，Yu等提出體相異質(zhì)結(jié)(G. Yu, K. Pakbaz, A. J. Heeger, “Semiconducting polymer diodes: Large size,lowcost photodetectors with excellent visible-ultravio let sensitivity，，，Appl.Phys. Lett. 1994, 64, 3422-3424)的概念，即把兩種有機(jī)半導(dǎo)體混合起來作為活性層，這樣兩種物質(zhì)可以充分地接觸，使光生激子在較短的距離內(nèi)就可以傳輸?shù)絇n結(jié)界面，同時總的厚度不會對器件效果造成很大的影響。這種結(jié)構(gòu)中，為了使電子及空穴順利地傳輸?shù)絻蓸O，兩種材料需要形成雙連續(xù)通道，這對材料特性提出了特殊的要求，包括材料的相容性等。后來Gunes等人提出了手指交叉狀太陽能電池結(jié)構(gòu)(S. Gunes, H.Neugebauer, N. S. Sariciftci, “Conjugated polymer-based organic solar cells，，, Chem.Rev. 2007，107，1324-1338)，這種結(jié)構(gòu)更有利于載流子的傳輸。然而，實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)只能通過實驗室級別的微納加工方法獲得，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中是不現(xiàn)實的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提供一種實現(xiàn)電子給體與電子受體材料垂直相分離的有機(jī)太陽能電池，運用紫外光引發(fā)光聚合產(chǎn)生電子給體或電子受體的濃度的梯度分布，實現(xiàn)電子給體與電子受體的垂直相分離，得到比相應(yīng)的不含光可聚合基團(tuán)材料的太陽能電池更高的光電轉(zhuǎn)換效率。本專利技術(shù)的一個目的在于提供一種給體與受體垂直相分離的有機(jī)太陽能電池。本專利技術(shù)的給體與受體垂直相分離的有機(jī)太陽能電池從下至上依次包括基板、陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和陰極；其中，光活性層中的電子給體或電子受體的·材料為帶有丙烯酸酯基團(tuán)、甲基丙烯酸酯基團(tuán)、環(huán)氧基團(tuán)、烯丙基醚基團(tuán)等中的一種或兩種以上可聚合基團(tuán)的有機(jī)材料?；宓牟牧喜捎糜胁Ａ?、柔性塑料等透明材料。陽極的材料采用金、銀、銅、鉬、鐵和鎳等具有高功函數(shù)的金屬及錫氧化物ITO中的一種或兩種以上。光活性層中的電子給體和電子受體的主體為有機(jī)小分子或者聚合物，電子給體或電子受體的主體通過化學(xué)反應(yīng)引入丙烯酸酯基團(tuán)、甲基丙烯酸酯基團(tuán)、環(huán)氧基團(tuán)、烯丙基醚基團(tuán)等中的一種或兩種以上可聚合基團(tuán)。電子傳輸層的材料采用金屬氟化物、氧化物型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系化合物和有機(jī)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系化合物中的一種。陰極的材料可以是鋁、鎂銀合金、鋰鋁合金、鈣鋁合金等具有低功函數(shù)的金屬中的一種。本專利技術(shù)的有機(jī)太陽能電池中各層結(jié)構(gòu)可以采用真空蒸鍍、溶液旋涂、印刷(包括噴墨打印、絲網(wǎng)印刷)等中的一種方法或者多種方法混合制備。本專利技術(shù)的有機(jī)太陽能電池中的光活性層的材料采用帶有可聚合基團(tuán)的有機(jī)材料，在紫外光引發(fā)可聚合基團(tuán)的光聚合時，由于有機(jī)材料具有天然的紫外吸收特性，在沿紫外光傳播方向上，紫外光被有機(jī)材料所吸收，且隨著紫外光傳播方向上強(qiáng)度不斷減弱，可聚合基團(tuán)的聚合速度也相應(yīng)地不斷減弱，在光強(qiáng)較強(qiáng)的一側(cè)，可聚合基團(tuán)更快地消耗并聚合成為聚合物，而在紫外光強(qiáng)度弱的一側(cè)聚合速度較慢，可聚合基團(tuán)消耗的速度也較慢，導(dǎo)致可聚合基團(tuán)存在垂直方向上的梯度，可聚合基團(tuán)將由紫外光強(qiáng)度更弱的一側(cè)向光強(qiáng)的一側(cè)遷移，光聚合的結(jié)果形成聚合物的垂直方向上的沿紫外光傳播方向的濃度遞減。若電子給體的材料采用帶有可聚合基團(tuán)的有機(jī)材料，則紫外光從陽極一側(cè)照射，引起電子給體有機(jī)材料的光聚合，使得電子給體的濃度由陽極一側(cè)向陰極遞減，同時使得電子受體的濃度由陰極一側(cè)向陽極遞減；若電子受體的材料采用帶有可聚合基團(tuán)的有機(jī)材料，則紫外光照射陰極，引起電子受體的有機(jī)材料的光聚合，使得電子受體的濃度由陰極一側(cè)向陽極遞減，同時使得電子給體的濃度由陽極一側(cè)向陰極遞減。從而，實現(xiàn)了電子給體與電子受體垂直相分離，既有利于形成雙連續(xù)通道，保證載流子的傳輸，同時也可產(chǎn)生具有方向的內(nèi)建電場，有利于電子空穴對奮力，并增大短路電流，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)所帶有的可聚合基團(tuán)的不同，聚合機(jī)理可以是紫外光引發(fā)的自由基聚合或陽下·琢-Av閑丁水口。根據(jù)聚合機(jī)理的不同，可選擇添加或者不添加相應(yīng)的光引發(fā)劑。若采用自由及聚合機(jī)理，可選擇添加的光引發(fā)劑為艷加固(Irgacure)184或艷加固651 ;若采用陽離子聚合機(jī)理，可選擇添加的光引發(fā)劑為三苯基氧膦等。本專利技術(shù)的另一個目的在于提供一種給體與受體垂直相分離的有機(jī)太陽能電池的制備方法。本專利技術(shù)的給體與受體垂直相分離的太陽能電池的制備方法包括以下步驟 I)提供基板和陽極；2)形成空穴傳輸層；3)形成具有可聚合基團(tuán)的光活性層，并進(jìn)行紫外光照射引發(fā)光聚合，以實現(xiàn)電子給體和電子受體的垂直相分離；4)在光活性層上形成電子傳輸層；5)在電子傳輸層上形成陰極。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種有機(jī)太陽能電池，其特征在于，所述有機(jī)太陽能電池從下至上依次包括：基板（1）、陽極（2）、空穴傳輸層（3）、光活性層（4）、電子傳輸層（5）和陰極（6）；其中，光活性層（4）中的電子給體或電子受體的材料為帶有丙烯酸酯基團(tuán)、甲基丙烯酸酯基團(tuán)、環(huán)氧基團(tuán)、烯丙基醚基團(tuán)等中的一種或兩種以上可聚合基團(tuán)的有機(jī)材料。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張立培，陳志堅，肖立新，龔旗煌，
申請(專利權(quán))人：北京大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：