[發明專利]有機化合物以及使用其的太陽能電池

無效

• 申請號: 201310050646.6
• 申請日: 2013-02-08
• 公開（公告）號: CN103360580A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 巖永寬規;小野昭彥;相賀史彥
• 申請（專利權）人: 株式會社東芝
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01L51/46
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 過曉東

相關申請的交叉引用

本申請基于在2012年3月28日提交的在先日本專利申請第2012-074491號并要求其優先權，其全部內容援引加入本文。

技術領域

本發明的實施方案涉及有機化合物以及使用其的太陽能電池裝置。

背景技術

有機薄膜太陽能電池可以通過非真空法生產，從而具有以低成本通過諸如印刷的簡單涂布法大規模生產的優點，這與諸如硅太陽能電池的基于無機材料的太陽能電池以及例如CIGS型化合物半導體太陽能電池相反。而且，由于為薄膜形式，其可以用作樹脂等撓性基材上的裝置。另外，還由于其重量輕，因而可以利用其撓性而將其設計為具有高度的自由度。由于所述優勢，有機薄膜太陽能電池被期望是下一代太陽能電池。然而，目前，其轉換效率和工作壽命相比于傳統太陽能電池差，因此有必要開發新裝置結構和/或材料。

在開發的早期階段，實驗性生產的有機薄膜太陽能電池是pn-異質結(平面異質結)型有機半導體，包含p-和n-型有機半導體。然而，由于其中的激子擴散長度(exciton?diffusion?length)短至約十納米，因而生產的載體僅僅在pn-結界面到若干打納米的深度的區域范圍中，因此其具有非常低的轉換效率。

為了改善上述太陽能電池的轉換效率，開發了本體異質結(BHJ)技術，其中將p-和n-型有機半導體混合，以使納米級的pn-結界面可以在整個薄膜中分散。所述技術被認為是一個突破，給予轉換效率顯著的改善。圖1顯示本體異質結型太陽能電池的示意性截面圖，其包含基材10、陽極11、空穴輸送層14、活性層(光電轉換層)13、電子輸送層15、和陰極12。另外，圖2顯示概念圖，用于解釋本體異質結型太陽能電池的工作原理。

在有機薄膜太陽能電池中，光電轉換過程經歷下列步驟：

(1)通過有機分子進行光吸收和產生激子，

(2)激子的遷移和擴散，

(3)激子的電荷分離，以及

(4)向兩個電極輸送電荷。

在步驟(1)中，p-和n-型有機半導體吸收光，從而產生激子20。所述步驟中的生產效率在以下表示為“η1”。隨后在步驟(2)中，產生的激子通過擴散遷移到D/A異質結界面。所述步驟中的擴散效率在以下表示為“η2”。由于具有一定壽命，激子僅可以遷移與擴散長度等長的距離。在隨后的步驟(3)中，到達pn-異質結界面的激子隨后分離為電子21和空穴22(即，自由載體)。所述步驟中的分離效率在以下表示為“η3”。最后，在步驟(4)中，自由載體通過p-或n-型有機半導體材料單獨輸送至電極，而后引入到外部電路。所述步驟中的輸送效率在以下表示為“η4”。

因此，基于施加的光子的載體的外部提取效率η_IQE可以表示為式：η_IQE=η1·η2·η3·η4。所述值相應于太陽能電池的量子效率。

因此，為了增加有機薄膜太陽能電池的光電轉換效率，有必要對步驟(1)-(4)的每一步進行改進。

具體而言，在步驟(1)中，活性層需要盡可能有效率地吸收入射光子，優選以100%的比率。

在步驟(2)和(3)中，有機半導體材料需要增強載體的移動性，以確保pn-結。

而且，在步驟(4)中，需要形成這樣的引導到電極的載體通路，以使到每個電極的距離可以縮短，還需要降低作為阱的缺陷。如果可以滿足這些需求，那么光電轉換效率可以改善。

因此，如果生產的有機薄膜太陽能電池能夠滿足上述需求，那么可以實現高效的裝置。然而，只要生產基于實際可用的材料和成膜法，那么所述需求就難以充分滿足。例如，目前在活性層中采用的有機p-型半導體聚合物具有如此窄的吸收譜寬，以至于其僅僅吸收特別小波長范圍內的光。這在目前是改善有機薄膜太陽能電池效率的大阻礙。

附圖概述

圖1顯示依據本發明的實施方案的有機薄膜太陽能電池的示意性截面圖。

圖2顯示用于解釋太陽能電池的工作原理的概念圖。

詳細描述

現在將參考附圖解釋實施方案。

依據本發明的實施方案的有機化合物具有聚合物結構，所述聚合物結構包含由式(I)表示的重復單元：

-[A-D]-?????(I)

其中

A是由下式表示的結構：

D是選自以下結構的結構：