[發明專利]一種基于有機/無機梯度擴散界面層的有機光伏電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201910217647.2
• 申請日: 2019-03-21
• 公開（公告）號: CN109873081B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 李明光;陳潤鋒;李靜;黃維
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48;H01L51/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于有機/無機梯度擴散界面層的有機光伏電池及其制備方法，該有機光伏電池從下至上依次包括透明襯底層、金屬陰極層、梯度擴散復合界面層、有機活性層、空穴傳輸層及金屬陽極層，其中，梯度擴散復合界面層中的材料包括無機金屬氧化物及有機半導體分子；制備時依次在各層上制備相應的層即可。本發明有機光伏電池的光電轉化效率相比于傳統金屬氧化物以及有機/無機雙層界面層電池顯著提高，其一方面能夠鈍化無機界面材料的表面缺陷，降低物理缺陷導致的電荷復合幾率，另一方面通過構筑具有梯度擴散結構的有機無機復合界面層，能夠降低活性層與界面層能級差過大帶來的電荷界面傳輸問題。

技術領域

本發明屬于有機光伏電池領域，尤其涉及一種基于有機/無機梯度擴散界面層的有機光伏電池及其制備方法。

背景技術

隨著人類對能源需求的不斷增大，傳統的不可再生化石能源已經不能完全滿足人們對可持續發展的需求。為了解決日益嚴峻的能源問題以及環境問題，以太陽能為代表的清潔可再生能源越來越受到人們的廣泛關注。盡管基于硅基的無機太陽能電池目前已經實現產業化，但同時制造過程中所產生的污染與能耗問題則與人類的可持續發展的目標相悖。因此，研究和發展高效、穩定且低成本的新型太陽能電池對于推動人類和社會的發展具有重要意義。

有機光伏電池(OSCs)由于具有可印刷、價格低廉、質輕以及易彎曲等優勢，常常被看作下一代光伏器件。近些年來，得益于新型有機半導體材料(包括給體材料與受體材料)的設計、器件物理結構的優化以及活性層形態的合理調控，OSCs的光電轉化效率(PCEs)取得了大幅提高。目前PSCs的單節器件的最高PCE已達到15％，而疊層器件的最高PCE值則達到了17％以上。盡管新型活性層材料的出現不斷刷新著OSCs的最高器件效率，但最佳的光伏器件效率幾乎都離不開器件界面結構的優化。有機光伏電池的光電轉化過程一般包含以下幾個步驟：光吸收產生激子、激子擴散至給體/受體界面、激子分離形成自由電荷、自由電荷的傳輸以及收集過程。在有機光伏電池中，有機光活性層與無機金屬電極之間的界面接觸情況會直接影響活性層中產生的自由電荷向相應電極的傳輸與收集過程。因此，人們通過設計各類界面層材料來改善二者的界面性質，提高載流子的傳輸與收集效率，從而實現PSCs器件性能的進一步提高。

綜合以上研究現狀，為了優化傳統無機金屬氧化物界面層的傳輸性質，同時改善活性層與界面層的物理接觸，構筑具有新型結構的復合界面層對于進一步提升有機光伏電池的器件效率具有重要的意義。

發明內容

發明目的：本發明的第一目的時提供一種能夠顯著提高光電轉化效率、基于有機/無機梯度擴散界面層的高性能的有機光伏電池；

本發明的第二目的是提供該有機光伏電池的制備方法。

技術方案：本發明基于有機/無機梯度擴散界面層的有機光伏電池，從下至上依次包括透明襯底層、金屬陰極層、梯度擴散復合界面層、有機活性層、空穴傳輸層及金屬陽極層；其中，所述梯度擴散復合界面層中的材料包括無機金屬氧化物與有機半導體分子。

本發明采用無機金屬氧化物與有機半導體分子構筑具有梯度擴散界面結構的復合界面層，兩種材料形成的復合薄膜沒有清晰的兩相界面，在兩種材料的接觸區形成擴散區域，不僅改善了無機金屬電極與有機活性層之間的界面接觸，同時也避免了在界面層中引入新的有機/無機界面，從而減少了界面勢壘和缺陷，能夠有效調控載流子的傳輸通道，降低載流子陷阱捕獲幾率等；同時所形成的兩組分的濃度擴散結構有助于構筑瀑布式能級梯度，從而進一步促進載流子的傳輸能力的提高，最終提高有機光伏器件的光電轉化效率。

優選的，本發明采用的無機金屬氧化物包括氧化鋅或氧化鈦，有機半導體分子包括富勒烯衍生物小分子、非富勒烯小分子或有機雙極性分子；其中，無機金屬氧化物靠近金屬陰極層，有機半導體分子靠近有機活性層。本發明所采用的金屬氧化物與有機半導體分子的能級結構相匹配，金屬氧化物比有機半導體分子需具有更高的電子親和勢。

優選的，本發明有機活性層的材料由p型有機半導體材料及n型有機半導體材料共混組成。