[發明專利]超分子型有機太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201010173642.3
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101859873A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 陳潤鋒;鄭超;黃維
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L51/44
• 分類號: H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及一種超分子型有機太陽能電池結構及其制備方法。其中，超分子材料發電層由給體、受體雙嵌段分子結構單元，通過連接單元、組裝單元或光敏單元等分子結構單元連接形成小分子或高分子材料，再經自組裝過程制備得到。通過旋涂、蒸鍍等工藝方法制備形成超分子型有機太陽能電池。

背景技術

當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力，而太陽能電池便是一個很好的應用。太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。

目前，我國已成為全球主要的太陽能電池生產國。太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。其中硅太陽能電池是目前發展最成熟的，在應用中居主導地位。但是在目前階段，它的成本還很高，發出1kw電需要投資上萬美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。但是，從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光-電轉換裝置的發明，各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規模地利用太陽能開辟廣闊的前景。

以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優勢，從而對大規模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。目前這種有機材料制造的電池克服的最大問題就是提高能效，因為它采用了吸光材料。這種材料具有電荷分離和傳輸電荷等功能，并將它們以一種可控的形態“送到”太陽能電池的活性層中。光照產生的電子空穴對，在自建電場作用下的運動，就是形成光生伏特效應的原因。太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。

與硅類似，有機光電(OPV)電池中的活性層也是由電子供體和電子接收體組成的。然后活性層再被陽極(銦錫氧化物)和陰極(鋁)包圍在中間。有機太陽能電池的工作原理與無機太陽能電池略有不同：太陽光通過透明的ITO玻璃進入有機層，光敏分子在吸收光子后，其電子由HOMO躍遷到LUMO，產生緊密結合的電子-空穴對(Frenkle激子，結合能為0.2～0.4eV)，而無機材料則產生松散結合的電子-空穴對(Wannier激子，結合能為數個毫eV)，Frenkle激子不會如Wannier激子一樣靠晶格振動等熱能就分離成自由的電子和空穴，只有當其擴散到電子給體與受體界面的p-n結處，發生電子轉移，Frenkle激子解離產生自由的電子和空穴，然后電子和空穴借助正負極材料不同功函引起的內建電場和其濃度梯度差，以跳越的方式(hopping)在分子間傳輸(與無機材料的帶內傳輸不同)，分別由受體和給體傳輸到相應的電極表面，最后被電極收集，產生光電流。

正是由于有機太陽能電池中產生的是緊束縛的Frenkle激子，不能自發解離，以及電荷傳輸的“hopping”機制等導致有機材料載流子遷移率較低等因素，以至于有機太陽能電池光電轉換效率低(比無機太陽能電池要低約1個數量級)。

實際上，采用有機原料制成的太陽能電池能夠提高能效的關鍵就在于它們具有低電容率的特性，所以電子在其中流動的距離相對無機太陽能電池較短。不過在其制造過程中也遇到了問題。為了使電子供體和接收體之間的電子傳遞更加高效，有機太陽能電池中這兩者的厚度都要在10納米左右。但是通常為了保證最大限度的吸收光，一般的有機材料厚度都要求大于100納米。

因此，要提高有機光伏電池的轉化效率，需要開發低能隙(1.2～1.7eV)材料；提高載流子遷移率和開路電壓；調控給體和受體材料的微結構，增加激子分離界面面積等，以及開發適應新型材料的的太陽能電池結構。

本發明即是在考慮以上因素的基礎上，利用雙嵌段超分子材料構建發電層，形成給體、受體的納米級分相，增加界面面積，使得光生激子在有效擴散范圍內及時分離。為達到此目的，本發明采用三層膜結構，實現垂直電極表面的載流子高效傳輸。提出了具有較高光電轉換效率的超分子型有機太陽能電池結構及其制備方法。

發明內容