[發明專利]一種基于界面復合產生自由載流子的新型有機太陽能電池

無效

• 申請號: 200910103561.3
• 申請日: 2009-04-09
• 公開（公告）號: CN101521261A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發明（設計）人: 宋群梁;熊祖洪
• 申請（專利權）人: 西南大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46
• 代理公司: 重慶華科專利事務所
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及有機光電器件，特別適用于有機太陽能電池。

背景技術

太陽能電池是將太陽輻射的光能轉換為電能的器件。太陽能電池用來向 負載，如電燈、計算機等提供電能。在實際應用中還涉及電能儲存裝置，這 樣才能在沒有陽光照射的情況下對負載持續不斷地提供電能。太陽能電池在 光照的情況下會產生光伏響應。在外電路開路的情況下光生電壓為開路電壓 (V_OC)，在外電路短路的情況下得到的電流為短路電流(I_SC)。在有負載的情 況下，太陽能電池的輸出功率等于負載上的電壓降落(V)和通過負載的電流 (I)的乘積，它小于開路電壓和短路電流的乘積。定義太陽能電池的最大輸 出功率和V_OCI_SC的比值為填充因子。

顧名思義，有機太陽能電池就是采用有機半導體材料制備的太陽能電池。 目前報道的最好的有機太陽能電池的能量轉換效率大約5％，疊層的有機太陽 能電池的能量轉換效率大約7％。這些有機太陽能電池的自由載流子是通過激 子在給體(電子給體)和受體(電子受體)材料形成的界面上的拆分來獲取 的。當光照射到有機半導體材料上時，有機半導體中通常不會形成自由載流 子，而是先形成電子-空穴對(激子)。要利用有機材料得到光電流就必須使這 些由光激發得到的激子被拆分開，否則這些激子將通過輻射或非輻射的方式 退激發。具有不同能級結構的兩種有機材料(給體和受體)的界面被認為是 拆分激子的地方，這種由給體(P型材料，材料的主要載流子為空穴)和受體 (N型材料，材料的主要載流子為電子)形成的界面與無機太陽能電池中的 P/N節類似，比如酞菁銅(CuPc)和富勒烯(C60)形成的界面，如圖1所示。 在這種結構中，給體(CuPc)的最高分子占有軌道(HOMO)和最低分子未 占有軌道(LUMO)的能量都比相應的受體(C60)的HOMO和LUMO高。 激子在給體-受體界面出的拆分是這樣完成的：CuPc激子中的電子向C60的 LUMO注入的同時在CuPc的HOMO中留下空穴，或者C60激子中的空穴向 CuPc的HOMO注入的同時在C60的LUMO中留下電子。之所以可以產生這 樣的激子拆分過程是因為自由載流子(CuPc的HOMO中的空穴和C60的 LUMO中的電子)的能量總和比未拆分前的激子能量總和小。要獲得有用的 電流，這些自由載流子必須被電極收集，即陽極收集空穴，陰極收集電子。 實際上，激子在界面處除了存在上述的通過拆分過程產生自由載流子外，還 有一個獲得自由載流子的可能途徑：CuPc激子中的電子和C60激子中的空穴 復合，在CuPc和C60中分別留下自由的空穴和自由的電子。但是由于激子在 給體-受體界面的拆分過程具有壓倒性的優勢，通過界面復合產生自由載流子 的過程被忽略了。

發明內容

本發明提出一種不同于界面拆分獲取自由載流子的新型有機太陽能電 池，它通過界面復合來產生自由載流子。

要通過界面復合來產生可測量的自由載流子，首先必須盡量抑制通過界 面拆分產生自由載流子的數量，該目標可以通過仔細選擇組合有機半導體材 料來實現。其次，通過界面復合獲得的自由載流子必須要能夠夠盡快被電極 收集，否則自由載流子之間產生的復合將使得測量不可行。由于自由載流子 的產生是通過界面復合來實現的，因此所選取的形成界面的兩種材料必須要 在可見光區域有良好的吸收并且有吸收光譜的重疊。

本發明就是基于以上的考慮，實現了利用界面復合來產生自由載流子， 從而提出一種基于界面復合產生自由載流子的新型有機太陽能電池，按連接 順序包括以下功能層：

透明陽極

根據需要加入的陽極緩沖層材料

和陽極相連(如有陽極緩沖層則和該緩沖層相連)的有機空穴傳輸層

和陰極相連(如有陰極緩沖層則和該緩沖層相連)的有機電子傳輸層

根據需要加入的陰極緩沖層材料

陰極

所述有機空穴傳輸層的HOMO和LUMO比有機電子傳輸層的HOMO和 LUMO都低；所述陽極功函數比陰極功函數大。

所述的陰極緩沖層在有機電子傳輸層和陰極之間，陽極緩沖層在有機空 穴傳輸層和陽極之間。