[發(fā)明專利]一種有機(jī)太陽能電池

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910067082.0
• 申請(qǐng)日: 2009-06-08
• 公開（公告）號(hào): CN101567423A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆東航;于波;黃麗珍;陳為超;喬小蘭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H01L51/42
• 分類號(hào): H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 長(zhǎng)春科宇專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 馬守忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種給體材料的晶體晶格與誘導(dǎo)層材料的晶體晶格間存在弱外延關(guān)系的有機(jī)太陽能電池。

背景技術(shù)

近年來，伴隨著有機(jī)半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，以有機(jī)半導(dǎo)體為主要材料的電子器件如有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)太陽能電池和有機(jī)薄膜晶體管等具有應(yīng)用潛力。有機(jī)材料加工便利、原材料來源廣泛，因而有機(jī)器件預(yù)期成本低廉。1986年美國(guó)的應(yīng)用物理快報(bào)(C.W.Tang，Applied?Physics?Letters?48，183(1986))報(bào)道了一種采用雙層有機(jī)異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)的光伏電池，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.95％。由于光生激子只能在兩種有機(jī)半導(dǎo)體界面處分離，限制了這種雙層結(jié)構(gòu)器件性能的進(jìn)一步提高。1995年美國(guó)的科學(xué)雜志(G.Yu，J.Gao，J.C.Hummelen，F(xiàn).Wudl，A.J.Heeger，Sciences?270，1789(1995))報(bào)道了一種體異質(zhì)結(jié)電池，將給體和受體兩種半導(dǎo)體共混形成互穿網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，增加了兩種半導(dǎo)體的界面面積，進(jìn)一步提高器件的效率。經(jīng)過此后十多年研究，研究人員認(rèn)識(shí)到有機(jī)半導(dǎo)體光吸收厚度(～100納米)遠(yuǎn)大于光生激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度(～10納米)是限制有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的根本因素。相比于平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)不但提供更大的兩相界面面積，并且縮短激子達(dá)到界面的距離，極大提高激子的利用率，因此研究人員通過優(yōu)化薄膜形貌制備更接近理想的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池(K.M.Coakley?and?M.D.McGehee，Chemistry?of?Materials?16，4533(2004))。另一方面，由于激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度都與晶體薄膜的品質(zhì)相關(guān)，因此研究者通過改善晶體薄膜品質(zhì)的方法，提高薄膜載流子遷移率的同時(shí)，達(dá)到提高激子擴(kuò)散長(zhǎng)度的目的。

在聚合物體系中，多將構(gòu)成太陽能電池的給-受材料共溶在同一種溶劑中，利用旋涂等方法使其成膜，然后采用退火或溶劑處理等方法使兩種材料之間結(jié)晶度提高并發(fā)生微相分離，形成體相異質(zhì)結(jié)。

在小分子體系有機(jī)太陽能電池中，多采用將構(gòu)成太陽能電池的兩種材料真空共沉積的方法形成體相異質(zhì)結(jié)。由于構(gòu)成體異質(zhì)結(jié)的兩種小分子材料分子體積較小，真空共沉積時(shí)很難形成連續(xù)相，大量光生載流子因缺乏連續(xù)的導(dǎo)出通道而無法從器件內(nèi)導(dǎo)出，復(fù)合損失，減小短路電流和填充因子，導(dǎo)致器件性能降低。2005年英國(guó)自然材料(FanYang，Max?Shtein，Stephen?R?Forrest，Nature?Materials?4，37(2005))報(bào)道了采用有機(jī)氣相沉積(OVPD)方法在作為陽極的ITO襯底上制備酞菁銅納米晶，并在此基礎(chǔ)上制備了有機(jī)小分子體異質(zhì)結(jié)太陽能電池(專利：CN1961436A)。2007年德國(guó)先進(jìn)材料(Fan?Yang，Kai?Sun，Stephen?R?Forrest，Advanced?Materials?19，4166(2007))報(bào)道了同樣采用OVPD方法將構(gòu)成太陽能電池的兩種材料進(jìn)行交替沉積形成納米晶體異質(zhì)結(jié)。OVPD是利用載氣將受熱升華的小分子運(yùn)輸?shù)浇咏覝氐幕咨侠鋮s結(jié)晶形成固態(tài)薄膜。該方法的優(yōu)點(diǎn)是薄膜連續(xù)性好，形貌易于控制。但由于需要載氣輸運(yùn)以及精確控制載氣流速，導(dǎo)致成本昂貴，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差。另外，由于基底溫度較低(一般在50℃以下)，構(gòu)成薄膜的晶粒尺寸較小，遷移率較低，限制了器件性能的進(jìn)一步提高。

另一方面，研究人員試圖提高有機(jī)小分子薄膜沉積時(shí)的襯底溫度或采用退火方法制備結(jié)晶性更好的薄膜，但由于高結(jié)晶度增加薄膜的粗糙度(W.Geens，T.Aernouts，&?G.J.Hadziioannou，Thin?Solid?Film，403-404，438(2002))，從而導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)針孔、器件出現(xiàn)短路現(xiàn)象(P.Peumans，S.Uchida，S.R.Forrest，Nature?425，158(2003))，此外退火處理增加了器件制備的復(fù)雜性以及成本，因而無法得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。因此如何制備具有理想體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)以及高質(zhì)量、高遷移率的有機(jī)半導(dǎo)體薄膜成為提高有機(jī)太陽能電池的關(guān)鍵。