[發(fā)明專利]一種有機太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310143889.4
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103280530A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方俊鋒;閔超;張文俊;酒同鋼;吳玉雷;李曉冬;劉菁
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種有機太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)

有機太陽能電池具有柔性、成本低、加工工藝簡單，適宜大面積制作等顯著特點，在新能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

有機太陽能電池（OPV）通常由多層結(jié)構(gòu)組成，包括陽極材料、活性層材料、陰極材料。在光照作用下，活性層材料吸收光子，同時生成空穴和電子，空穴從活性層材料的HOMO軌道注入到陽極材料，電子從活性層材料的LUMO軌道注入到陰極材料，在電池的陽極和陰極間產(chǎn)生電勢差。

在OPV正向器件中，常用的陽極材料通常為透明導(dǎo)電的氧化銦錫（ITO），它的功函約為4.8eV，常用的陰極材料通常為金屬鋁（Al），它的功函約為4.2eV，而常用的活性層材料的HOMO能級在5.2-5.8eV，LUMO能級在2.7-3.4eV。在OPV反向器件中，ITO作為陰極材料，Al作為陽極材料。

為了使在活性層中產(chǎn)生的電子更好的從LUMO軌道注入到陰極材料，陰極材料的功函必須很好的與活性層材料的LUMO能級相匹配。很明顯，不論是Al還是ITO，作為陰極材料，它的功函都太高，與發(fā)光層材料或活性層材料的LUMO能級存在較大的勢壘，不利于電子的注入。

為了增強電子的注入，通常是在發(fā)光層或活性層與陰極之間添加一層陰極界面修飾層。傳統(tǒng)的器件用LiF、CsF等做陰極界面修飾層，或者采用Ca、Ba等低功函金屬做電極材料。雖然以上方法可以取得較好的器件性能，但是，使用以上無機材料作界面層或電極材料需要通過真空蒸鍍的方法實現(xiàn)成膜，工藝復(fù)雜，而且Ca、Ba等低功函金屬性質(zhì)活潑，對氧氣和水汽非常敏感，需要非常嚴格的器件封裝工藝并會影響器件的穩(wěn)定性。

雖然之前人們也有人嘗試使用可溶液加工的聚合物材料作為有機太陽能電池的陰極界面修飾（Adv.Funct.Mater.2010,20,1977–1983;Appl.Phys.Lett.2010,97,223305;），但是所使用的聚合物材料化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合成和提純困難。

因此，找到一種結(jié)構(gòu)簡單、廉價易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可溶液加工、電子注入和傳輸性能優(yōu)異的材料作為有機太陽能電池的陰極界面修飾方面的應(yīng)用具有巨大的實用價值。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種加工工藝簡單、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的有機太陽能電池。

一種有機太陽能電池，包括陽極、陰極及夾在所述的陽極和陰極之間的活性層，所述的活性層和陰極之間還設(shè)有陰極界面層，所述的陰極界面層由非共軛有機兩性離子化合物構(gòu)成。

與常規(guī)的陰極界面材料相比，兩性離子化合物的熔點高、電化學(xué)窗口寬、由于分子內(nèi)部兩端帶正電荷的基團和帶負電荷的基團對陰極的作用不一樣，陰極界面層的引入有效地改善了活性層與陰極之間的接觸，使串聯(lián)電阻降低，有效提高了電池效率。

但由于非共軛鏈的電荷傳輸能力差，所以非共軛鏈過長，反而會導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大。因此，作為優(yōu)選，所述的陰極界面層的材料的分子結(jié)構(gòu)如S3所示：

該非共軛有機兩性離子化合物易溶于甲醇或水等極性溶劑，難溶于甲苯、氯仿、二氯甲烷等非極性溶劑；然而，有機太陽能電池中常用的活性層的材料一般易溶于甲苯、氯仿、二氯甲烷等非極性溶劑，難溶于甲醇或水等極性溶劑。因此，在器件制備過程中，通過溶液法在活性層和陰極之間插入由該非共軛有機兩性離子化合物組成的陰極界面層時，陰極界面層與活性層不會發(fā)生界面混溶，從而增強器件穩(wěn)定性和延長器件壽命。

研究表明，由于陽極與活性層的能級不匹配，它們之間有很高的勢壘高度，導(dǎo)致空穴注入效率較低，因此，作為優(yōu)選，所述的活性層和陽極之間還設(shè)有緩沖層。引入該緩沖層對陽極進行修飾，主要是提高其功函數(shù)，使其表面平整、平滑以擴大陽極與活性層的接觸面積，從而實現(xiàn)降低空穴注入勢壘、提高注入效率的目的。

進一步優(yōu)選，所述的緩沖層的材料為PEDOT：PSS或MoO₃。該緩沖層同陽極共同作為空穴收集極，提高空穴注入能力。

本發(fā)明還提供了所述的有機太陽能電池的制備方法，包括如下步驟：

（1）清洗陽極，用氮氣吹干，經(jīng)UV-Ozone處理；所述的陽極為ITO玻璃;

（2）在步驟（1）得到的陽極上旋涂PEDOT：PSS溶液，然后干燥處理，使形成緩沖層；

（3）將PTB7和PC₇₀BM配成氯苯溶液作為活性層溶液，在步驟（2）得到的緩沖層上旋涂該活性層溶液，形成活性層；