[發明專利]利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機太陽能電池

無效

• 申請號: 201210029619.6
• 申請日: 2012-02-10
• 公開（公告）號: CN103247760A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 劉春波;劉洋;徐占林;蘇斌;車廣波
• 申請（專利權）人: 吉林師范大學
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/44;H01L51/42
• 代理公司: 吉林省長春市新時代專利商標代理有限公司 22204
• 代理人: 石岱

技術領域

本發明屬于有機太陽能電池的材料和器件領域，具體是涉及一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)₂作為陰極緩沖層的有機太陽能電池。

背景技術

當今能源問題受到世界各國的高度關注。太陽能占地球總能量的99%，是地球上存量最多的能源資源。太陽能轉化為電能，可以通過光伏發電和光熱發電方式進行。與傳統的無機光伏電池相比，有機太陽能電池制備工藝簡單，具有制造面積大、廉價、簡易、柔性等優點^[1-3]。1986年Tang報道了單一給受體異質節有機光伏電池，光電轉換效率為0.95%^[4]。因其具有潛在的廣闊應用前景，此后學術界和企業界便展開了對有機光伏電池的深入研究^[5-9]。有機太陽能電池基本工作原理為：光從透明電極照到電子給受體材料上；產生光生激子(即束縛的電子空穴對)；激子在濃度梯度的作用下開始向電子給受體界面傳輸，在界面處形成孿生電子空穴對；隨后在Offset(即給受體的LUMO的差值)的作用下解離成自由移動的載流子，由于陰極和陽極存在功函數差，在這個作用下電子和空穴分別傳輸到不同的電極，形成電流^[10,11]。所以有機太陽能電池的能量轉換效率是由四個效率共同決定：光吸收效率；激子擴散效率；激子解離效率；載流子收集效率^[12]。本專利中以Zn(BTZ)₂為陰極緩沖層材料，其厚度的增加不會提高光吸收效率；激子擴散效率只與給受體材料有關；激子解離效率由解離界面決定，故在本專利中對器件效率起主要作用的為載流子收集效率。陰極緩沖層有四個主要作用：阻擋激子，減少激子在陰極猝滅(也稱為激子阻擋層)^[13]；光學間隔層：用來調節光場^[14]；鈍化層：保護受體^[15]；載流子傳輸層：傳輸載流子^[16]。使用陰極緩沖層可以改善載流子傳輸和收集效率，從而提高電池能量轉換效率。目前陰極緩沖層大致分為三種類型：蒸鍍陰極對材料造成缺陷態，解離出的自由電子在缺陷態中跳躍被陰極收集^[17]；材料HOMO相對較高，電子與注入空穴復合形成電池^[18]；材料LUMO較深，降低收集勢壘^[19]。傳統器件通常使用BCP作為陰極緩沖層^[17]。雖然BCP可以改善器件效率，但由于其本身寬帯隙及電阻的影響使得器件效率僅為1%左右；加上BCP容易結晶，玻璃化溫度較低，器件的壽命也較低^[20]。Zn(BTZ)₂通常用于制備白光OLED^[21]，但是迄今為止還沒有將其應用于小分子有機太陽能電池中的相關報道。本申請中所涉及的Zn(BTZ)₂具有較高的電子遷移率^[22,23]，較好的成膜性與穩定性，且HOMO能級高于電子受體的HOMO能級，在電子給體/電子受體平面異質結處解離出的電子易與陰極注入的空穴進行復合，從而改善器件的能量轉換效率及壽命。

該申請所涉及的有機太陽能電池，與普林斯頓大學理事會及南加利福尼亞大學的B·P·蘭德、S·R·弗萊斯特、M·E·湯普森等人已申報的國家發明專利“具有相反載流子激子阻擋層的有機雙異質結構的光伏電池”(申請號：200680027818)的區別在于激子阻擋層不同，并且金屬陰極材料也不同。本申請所用的陰極緩沖層即激子阻擋層材料為電子傳輸材料且為熒光材料，陰極為金屬鋁電極。B·P·蘭德、S·R·弗萊斯特、M·E·湯普森等人使用的是磷光材料Ru(acac)₃，此材料為空穴傳輸材料，陰極為金屬銀電極。此磷光材料僅可以利用HOMO優勢來傳遞載流子。金屬釕為貴金屬，儲量有限，這就使得器件制作成本變高。本申請使用的是無毒、合成簡單、儲量較為豐富、價格相對便宜的金屬鋅配合物，大大降低器件制作成本。此材料在厚度不同時，作用機理也不同，其卓越的電子傳輸性能和高質量的薄膜表面形態，可有效提高有機太陽能電池的能量轉換效率和壽命。

發明內容

為了解決背景技術中無機太陽能電池制備工藝復雜、成本高、不適合應用于大面積和柔性襯底、有機太陽能電池低的能量轉換效率及低壽命等問題。本發明的目的是把一種具有較高電子遷移率及其HOMO能級高于受體的HOMO能級的熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)₂應用在有機太陽能電池中，提高器件能量轉換效率及壽命，器件易于制備。?