[發明專利]一種有機太陽能電池及其制造方法

在審

• 申請號: 201410077907.8
• 申請日: 2014-03-05
• 公開（公告）號: CN103855306A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 諸躍進;黃利克;胡子陽
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司 33102
• 代理人: 景豐強

技術領域

本發明涉及一種有機太陽能電池，尤其涉及一種具有強電子受體摻雜空穴傳輸層，和/或強電子給體摻雜電子傳輸層的有機太陽能電池，本發明還涉及這種有機太陽能電池的制造方法。

背景技術

有機太陽能電池是由電子給體(D)材料和電子受體(A)材料構成的光活性層夾在透明導電玻璃(TCO)光陽極和低功函數金屬陰極之間而構成的光電轉換器件。由于其原料豐富、制備簡單、成本較低、重量輕、可制成柔性器件等優點而在國內外廣為研究。有機半導體材料由于介電常數較小，在光激發下不會直接生成自由載流子，而是生成電子-空穴束縛對即激子。激子必須在給/受體形成的異質結界面發生解離后才生成自由載流子。鑒于平面異質結光活性層給/受體界面有限，不利于激子解離，目前有機太陽能電池的光活性層多采用給/受體混合形成的體相異質結。由于體相異質結結構無處不在的給/受體界面非常有利于激子解離，互穿的網絡兩相材料有利于載流子的傳輸，已成為目前最常用的有機太陽能電池光活性層結構。

然而，對有機太陽能電池來說，優化活性層的形貌要真正實現理想體相異質結的結構是極其困難的。理想的體相異質結結構要求DA材料互相貫穿的鋸齒形結構：1.合適的納米尺度DA兩相分離以利于激子在復合之前到達給/受體界面而被充分解離；2.互相貫穿的連續載流子通道以利于載流子的輸運。通過退火等處理，前者是可以實現的，但后者實際上卻很難實現的。因為體相異質結活性層中的載流子遷移率較單一材料偏低，激子解離后生成的自由載流子在兩相混合傳輸的過程中容易復合，這成為限制體相異質結有機太陽電池效率的重要因素。

與平面異質結結構相比，體相異質結無處不在的異質結有利于生成的激子在有限的擴散長度之內到達界面而被充分解離。然而，激子解離后電子和空穴分別在對應的單一材料中傳輸，平面異質結則更具有優勢。為了綜合體相異質結和平面異質結兩者的優勢，人們提出了具有混合平面異質結D/D:A/A結構的有機太陽能電池。厚度為激子擴散長度量級的體相異質結D:A層作為光活性層，吸收光子產生并解離激子；D和A層作為載流子傳輸層分別傳輸空穴和電子，此種結構將激子解離和載流子傳輸分開來，從而減少了載流子的復合。但是必須指出目前混合平面異質結有機太陽能電池仍存在以下不足：1、本征有機半導體很小的載流子濃度和低的載流子遷移率使得其電導率很低，在能級匹配上也難以實現與電極的歐姆接觸，這使得光伏器件的串聯電阻較大，填充因子較小；2、器件內部貫穿體相異質結層的、源于電極費米能級差、驅動載流子輸運的內建電場強度較弱，而且主要集中在活性層與電極的界面處，不利于載流子在兩相混合的活性層中無復合地傳輸；3、以常規的給體材料做強電子受體空穴傳輸層，對于本征層具有強烈的光學掩蔽效應，不適合作為光學窗口層。以上不足使得混合平面異質結型有機太陽能電池器件的短路電流和填充因子都偏離預期，難以充分利用這一結構設計的優勢。

例如申請號為CN201110265675.5的中國發明專利申請《一種有機太陽能電池及其制備方法》(申請公布號為CN102280589A)公開了一種具有異質結有機小分子器件陽極修飾技術，其在透明電極上面有一陽極修飾層，該修飾層用于抑制陽極界面激子拆分。又如申請號為CN201210120956.6的中國發明專利申請《一種P-I-N型聚合物太陽能電池及其制備方法》(申請公布號為CN102646794A)包括依次層疊的襯底、透明導電金屬氧化物陽極層、陽極修飾層、P型電子給體P層、由電子給體P和受體N共混而成的光電活性I層、N型電子受體N層、陰極修飾層(或者沒有)、低功函陰極層、金屬導線和負載裝置。