[發明專利]大面積有機光伏電池

在審

• 申請號: 201380039813.5
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN104603967A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 史蒂芬·R·福里斯特;王娜娜;杰拉米·齊默爾曼
• 申請（專利權）人: 密歇根大學董事會
• 主分類號: H01L51/00
• 分類號: H01L51/00;H01G9/20;H01L51/42;H01L51/44
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 劉慧;楊青

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年6月25日提交的美國臨時申請第61/664,058號的優先權，其全部內容通過引用并入本文。

關于聯邦資助研究的陳述

本發明是用能源部授予的DE-EE0005310和空軍科學研究辦公室授予的FA-9550-10-1-0339下的政府資助進行的。政府在本發明中具有一定的權利。

聯合研究協議

本公開的主題是由以下各方中的一個或多個、代表以下各方中的一個或多個和/或與以下各方中的一個或多個合作，按照大學-企業聯合研究協議完成的：密歇根大學(University?of?Michigan)和全球光子能源公司(Global?Photonic?Energy?Corporation)。該協議在做出本公開的主題之日和之前就已生效，并且正是由于在所述協議范圍內采取的活動才做出的。

本公開內容總體涉及通過使用大面積的有機分子層，制造有機光伏(OPV)器件諸如太陽能電池的方法。

光敏光電器件將電磁輻射轉換為電。太陽能電池是專門用來產生電能的一類光敏光電器件。

為了產生內生電場，常用的方法是并置兩層材料，所述材料具有適當選擇的傳導性，特別是就其分子的量子能態分布方面進行適當選擇的傳導性。這兩種材料的界面叫做光伏結。在傳統的半導體理論中，用于形成PV結的材料一般被稱為n-或p-型的。在這里n-型表示多數載流子的類型是電子。這可以看做是所述材料具有很多處于相對自由的能態的電子。p-型表示多數載流子的類型是空穴。這種材料具有很多處于相對自由的能態的空穴。背景的類型即非光生的大多數載流子濃度主要取決于缺陷或雜質的非故意摻雜。雜質的類型和濃度決定了處于導帶最小和價帶最大能量之間的帶隙內的費米能或費米能級的值。費米能表征的是分子的量子能態的統計學占據情況，所述分子的量子能態由占據概率等于1/2時的能量值所表示。接近導帶最小能量的費米能表示電子是主要載流子。接近價帶最大能量的費米能表示空穴是主要載流子。因此，費米能是傳統半導體的主要特征性能，并且原型PV結通常是p-n界面。

OPV器件由于它們的低成本太陽能轉換的潛力是具有前景的可再生和綠色的能源。

當適合用于光器件的有機材料用適當的光照射時，光子被材料的分子組分吸收，結果是產生了分子組分的激發態：電子從分子的HOMO(最高占據分子軌道)狀態躍遷到LUMO(最低未占據分子軌道)狀態，或者空穴從LUMO狀態躍遷到HOMO狀態。從而產生了激子即電子-空穴對狀態。這個激子狀態具有電子和空穴再結合之前的自然壽命。為了產生光電流，電子-空穴對的組分必須分離。可以通過并置具有不同導電性能的兩層材料來實現該分離。層之間的界面形成光電壓異質結，它應該具有不對稱導電特性，即，它應該能夠優選在一個方向上支持電子的電荷傳輸。

已經引入了新的概念和方法以提高OPV器件的性能，和現有技術的OPV器件實現接近商業開發所需門檻的功率轉換效率值。然而，基板(例如ITO涂布的玻璃)上的顆粒特別是在大面積的電池中可能會導致電極之間的電短路，電極之間的電短路減少產率。為了開發在商業上有吸引力的OPV模塊，增大電池面積的同時保持高產率和性能是非常重要的。

在一個實施方式中，本公開內容提供了一種多層的太陽能器件，包括：基板；有源區，包括沉積在基板表面上的至少一種供體材料和至少一種受體材料，其中供體和受體材料包括有機分子，并且其中在沉積供體和受體材料之前將顆粒從基板表面上除去。

在另一個實施方式中，本公開內容提供了一種多層太陽能器件，包括：預清洗基板，具有基本上無顆粒的表面；和有源區，包括沉積在基板表面上的至少一種供體材料和至少一種受體材料，其中所述供體和受體材料包括有機分子。

在另一個實施方式中，本公開內容提供了一種多層太陽能器件，包括：預清洗基板，具有基本上無顆粒的表面；兩個電極，成重疊的關系設置在該預清洗基板的表面上；和有源區，包括至少一種供體材料和至少一種受體材料，其中該供體和受體材料包括位于該兩個電極之間的有機分子。

本公開內容的另一個實施方式涉及一種光伏器件的制造方法，包括：提供基板；通過使基板的表面暴露于至少一種化合物的流束來清洗所述基板的表面，該至少一種化合物包括選自超臨界相、氣相、固相和液相的一個或更多個相；然后在基板的表面上沉積有機有源層。