專利名稱：一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī) 太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
目前，有機(jī)太陽(yáng)能電池(OPV)由于其材料來(lái)源廣泛、成本低、重量輕、可大面積生 產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和公司的廣泛關(guān)注。據(jù)美國(guó)能源部預(yù)測(cè)，如果OPV的能量轉(zhuǎn) 換效率能夠超過(guò)10%，壽命在10年以上，便可以投入商業(yè)化生產(chǎn)。近年來(lái)OPV的能量轉(zhuǎn)換 效率提高的比較快，從2007年首次超過(guò)6%，到2010年10月達(dá)到8. 3%，但OPV的效率距 大規(guī)模商業(yè)化的要求還有一段距離。在傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池中，入射光子被吸收后，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在常溫 下可直接生成自由移動(dòng)的電子和空穴載流子，然后電子和空穴分別傳輸?shù)疥帢O和陽(yáng)極被收 集。而在OPV中，有機(jī)材料常溫下被光激發(fā)并不能直接生成可自由移動(dòng)的電子和空穴載流 子，而是生成了束縛的電子-空穴對(duì)即激子，然后激子擴(kuò)撒到給體、受體的界面(D/A界面) 發(fā)生解離，解離后的電子空穴分別被陰極、陽(yáng)極收集。要想利用有機(jī)材料產(chǎn)生光電流，必須 使光激發(fā)產(chǎn)生的激子擴(kuò)散到D/A界面。但是有機(jī)材料的單線態(tài)激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度太短，僅為 IOnm左右，也就是說(shuō)只有在靠近D/A界面處較短范圍內(nèi)產(chǎn)生的激子才能被利用，而距離D/A 界面較遠(yuǎn)處產(chǎn)生的激子就被浪費(fèi)掉，從而制約了 OPV效率的提高。有機(jī)材料激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和激子的壽命有關(guān)。和單線態(tài)激子相比，三線態(tài)激子壽 命比它長(zhǎng)好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此三線態(tài)激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度比單線態(tài)激子更長(zhǎng)；因此，如果能將三 線態(tài)激子引入到OPV中，將會(huì)提高有源層的厚度和對(duì)光的吸收，從而提高OPV的效率；但是 光激發(fā)熒光給體材料產(chǎn)生的是單線態(tài)激子，因此可以通過(guò)使用磷光材料將其轉(zhuǎn)化為三線態(tài) 激子。Yang Yang等[Adv. Mater. 2005，17，2841]直接采用磷光材料八乙基卟啉鉬(PtOEP) 作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體，結(jié)合受體材料C6tl制備了一個(gè)器件，磷光材料PtOEP將光激發(fā) 產(chǎn)生單線態(tài)激子經(jīng)過(guò)系間竄越到達(dá)三線態(tài)激子，提高了激子的擴(kuò)散距離，從而增加了 OPV 對(duì)光的俘獲；但是由于磷光材料PtOEP對(duì)太陽(yáng)光的吸收較弱，而且空穴的遷移率較低，所以 影響了該器件效率的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是利用磷光材料的敏化作用來(lái)提高OPV的效率，提出了一種具有摻雜磷光 材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池。本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的器件，可以將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)離D/A界面處原本浪費(fèi)的單線態(tài)激 子轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散距離較長(zhǎng)的三線態(tài)激子，然后三線態(tài)激子擴(kuò)散到D/A界面解離成自由載流 子，從而提高了 OPV的效率。本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的器件，由陽(yáng)極、空穴傳輸層、給體層、受體層、電子傳輸層和陰極 組成，其特征在于在空穴傳輸層和給體層之間還制備有一層摻雜磷光材料的給體層。該發(fā)明的結(jié)構(gòu)通過(guò)采用將磷光材料摻入距離D/A界面較遠(yuǎn)的給體材料中，在提高激子的利用的效率的同時(shí)，既結(jié)合了給體材料較好的光吸收特性和載流子傳輸性能，又減 弱了摻雜對(duì)載流子遷移率的影響。本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的器件，使有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電流來(lái)源于兩個(gè)通道，一是離D/ A界面較近的給體層，光激發(fā)產(chǎn)生的單線態(tài)激子擴(kuò)散到D/A界面解離成自由載流子；二是通 過(guò)在遠(yuǎn)離D/A界面的摻雜磷光材料的給體層，利用磷光材料的敏化作用，將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中浪 費(fèi)的單線態(tài)激子通過(guò)一系列能量轉(zhuǎn)移過(guò)程轉(zhuǎn)化為三線態(tài)激子，利用三線態(tài)激子擴(kuò)散距離較 長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，最終到達(dá)D/A解離界面解離成自由載流子；磷光敏化的具體原理如下光激發(fā)下 產(chǎn)生的單線態(tài)激子通過(guò)共振能量轉(zhuǎn)移傳遞給磷光材料的單線態(tài)上面，然后通過(guò)系間竄越到 達(dá)磷光材料的三線態(tài)，最后通過(guò)交換能量轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移到給體的三線態(tài)上面。本發(fā)明的有益效果是由于采用了兩個(gè)通道利用激子，使原來(lái)遠(yuǎn)離D/A解離界面 的浪費(fèi)的激子轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散距離較長(zhǎng)的三線態(tài)激子，從而有益于有機(jī)太陽(yáng)能電池短路電流和 效率的提高。襯底材料是玻璃、硅或者柔性襯底聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或者聚甲基丙烯酸甲 脂；陽(yáng)極為IT0、FT0或者金屬Ag，Au, Al等，也可以使用任何電極材料且不限于此?？昭▊鬏攲佑煽昭▊鬏敳牧匣蛘逷型材料[tetraf Iuorotetracyanoquinodimeth ane (F4-TCNQ)、P型氧化物如氧化鉬、氧化錸等，可以使用任何P型材料且不限于此]摻雜 (摻雜的濃度從-30wt%不等)的空穴傳輸材料組成，空穴傳輸材料包括聚二氧乙基噻吩/聚對(duì)苯乙烯磺酸PEDOT PSS4,4 ‘ ,4 ‘‘ -Tris (N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino) triphenylamine(m-MTDATA),Phthalocyanine，酞箐銅 CuPC，N, N, N，，N， -Tetrakis (4-methoxyphenyl) benzidine (MeO-TPD)等，可以使用任何空穴傳輸材料且不限于此。摻雜磷光材料的給體層所用的磷光材料為金屬有機(jī)配合物，包括Bis(2-benzo[b]thiophen-2-yl-pyridine)(acetylacetonate)iridium(III) [Ir (btp) (acac)2]，Tris (l-phenyli-soquinoline) iridium(III) [Ir (piq) 3],Bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonate)-iridium(III)[Ir(ppy)(acac)]乙酰丙酮二 [2-(2，-氟代苯基)苯并噻吩]合銥(III) [ (F-BT)2-Ir (acac)]，乙酰丙酮二 (2-苯基一異喹啉)合銥(III), Ir (piq)2 (acac),三(2-苯基吡啶)合銥(III)Ir (ppy) 3，等，可以使用任何磷光材料且不限于此。摻雜磷光材料的給體層中磷光材料的摻雜濃度的為3wt % -15wt %，以利于給體、 磷光材料間的能量轉(zhuǎn)移。給體材料為酞箐鋅ZnPC，Phthalocyanine,酞箐銅CuPC，tris [4 -(5-phenylthiophen-2-yl) phenyl] amine (TPTPA) , N, N' -di(l-naphthyl)-N,N' -diphenylbenzidine (NPD)等，可以使用任何給體材料且不限 于此。受體層所用的材料為富勒烯-60 [Ful Ierene-C6tl (C6tl)]，
4
富勒烯-70[Fullerene-C7tl(C70)]Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA)等，可以使用任何受 體材料且不限于此。所用的電子傳輸材料包括2,2 ‘ ,2 ‘‘ -(1,3,5-Benzinetriyl) -tris (1-phenyl-l-H-benzimidazole) (TPBi)，2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-l,10-phenanhroline(BCP)，4，7-二苯基-1，10-鄰菲咯啉，BPhen 等，可以使用任何電子傳輸材料且不限于此。陰極為Al，Au，Ag或者為L(zhǎng)iF/Al，LiF/Au，LiF/Ag等復(fù)合陰極，可以使用任何電極 材料且不限于此。上述提及的材料除(F-BT)2-IHacac)由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所李斌課題組合成 外(合成方法參考 Journal of Physics D =Applied Physics 41，(2008) 245101.)，其他 材料均可從臺(tái)灣激光科技公司買(mǎi)到(公司網(wǎng)址:http://www. lumtec. com, tw)。


圖1 本發(fā)明所述的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為陽(yáng)極，2為空穴傳輸層，3為摻雜磷光材料的給體層，4為給體層，5為受體 層，6為電子傳輸層，7為陰極。圖2 實(shí)施例1制備的器件A、器件B的電流-電壓曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 OPV的制備是在多源有機(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行，詳細(xì)過(guò)程如下[1]實(shí)驗(yàn)中的襯底材料選用ITO導(dǎo)電玻璃。首先將ITO玻璃襯底用丙酮、乙醇棉球 反復(fù)擦洗；[2]將擦洗干凈的ITO襯底放入干凈的燒杯中依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲10 分鐘；再放在烘箱中烘干。最后將干燥清潔的ITO玻璃襯底進(jìn)行紫外處理10分鐘；[3]將處理好的襯底置于多源有機(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)中(參見(jiàn)中國(guó)專利 ZL03110977.2，“用于有機(jī)電致發(fā)光鍍膜機(jī)的增鍋式蒸發(fā)源”)，蒸發(fā)系統(tǒng)的真空腔體中包含 有機(jī)蒸發(fā)區(qū)(8個(gè)蒸發(fā)源)和金屬蒸發(fā)區(qū)O個(gè)蒸發(fā)源)，兩區(qū)之間及各個(gè)蒸發(fā)源之間相互隔 絕，避免了相互污染。系統(tǒng)的真空度可以達(dá)到10_5Pa，在薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中系統(tǒng)的真空度維 持在3X10_4pa左右。材料生長(zhǎng)的厚度和生長(zhǎng)速率由美國(guó)IL-400型膜厚控制儀進(jìn)行控制， 有機(jī)材料生長(zhǎng)速率控制在0.4A/S。光源采用Oriel公司生產(chǎn)的太陽(yáng)能模擬器，器件的電流電 壓特性采用Keithley-2400電流-電壓測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。所有的電流_電壓測(cè)試都是在室 溫大氣環(huán)境中進(jìn)行的。[4]制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的結(jié)構(gòu)為器件A IT0/PED0T PSS (30nm) /NPD IOwt % (F-Bt) 2Ir (acac) (15nm) /NPD (5nm) / C60 (40nm) /Bphen (8nm) /LiF (0. 8nm) /Al (IOOnm)
器件B IT0/PED0T PSS (30nm) /NPD (20nm) /C60 (40nm) /Bphen (8nm) /LiF (0. 8nm) / Al (IOOnm)器件A是采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，器件B為傳統(tǒng)的有機(jī)太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)。器件A，B的 電流-電壓曲線如圖2所示。從圖中可以明顯看出，器件A的電流密度明顯比器件B的大， 分別為3. 54mA/cm2和2. 42mA/cm2，器件A的能量轉(zhuǎn)換效率和器件B相比，提高了 50%。本實(shí)例中有關(guān)縮寫(xiě)名稱的含義如下ITO 氧化銦錫；PEDOT PSS 聚二氧乙基噻吩/聚對(duì)苯乙烯磺酸；NPD :N, N' _di (1-naphthyl)-N, N' -diphenylbenzidine ；C6tl :富勒烯-60;(F-Bt)2Ir(acac)乙酰丙酮二 [2_(2，-氟代苯基)苯并噻吩]合銥(III)；Bphen :4，7_ 二苯基 _1，10-鄰菲咯啉；LiF:氟化鋰。
權(quán)利要求
1.一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，由陽(yáng)極、空穴傳輸層、給體層、受 體層、電子傳輸層和陰極組成，其特征在于在空穴傳輸層和給體層之間還制備有一層摻雜 磷光材料的給體層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征 在于磷光材料為 Ir(btp) (acac)2]、Ir(piq)3] > [Ir(ppy) (acac) ]、(F-BT)2_Ir (acac)]、 Ir (piq)2(acac)或 Ir (ppy)3。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在 于摻雜磷光材料的給體層中磷光材料的摻雜濃度的為3wt% -15wt%。
4.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在 于給體層材料為酞箐鋅ZnPC、Phthalocyanine、酞箐銅CuPC、TPTPA或NPD。
5.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在 于受體層材料為C6tl、C70或PTCDA。
6.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特 征在于空穴傳輸層材料為聚二氧乙基噻吩/聚對(duì)苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、m-MTDATA、 Phthalocyanine、酞箐銅CuPC或MeO-TPD，或是P型材料摻雜的上述材料。
7.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在 于電子傳輸層材料為T(mén)PBi、BCP、4，7-二苯基-1，10-鄰菲咯啉或BPhen，或是N型材料摻 雜的上述材料。
8.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在 于襯底材料是玻璃、硅、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲脂。
9.如權(quán)利要求1所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，其特征在 于陽(yáng)極為 ITO、FT0、Ag、Au 或 Al，陰極為 Al、Au、Ag、LiF/Al、LiF/Au 或 LiF/Ag。
10.如權(quán)利要求1-10任何一項(xiàng)所述的一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能 電池，其特征在于器件結(jié)構(gòu)為 IT0/PED0T PSS/NPD IOwt % (F-Bt)2Ir (acac) /NPD/C60/ Bphen/LiF/Al。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有摻雜磷光材料給體層的有機(jī)太陽(yáng)能電池。本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的器件，由陽(yáng)極、空穴傳輸層、給體層、受體層、電子傳輸層和陰極組成，其特征在于在空穴傳輸層和給體層之間還制備有一層摻雜磷光材料的給體層。磷光材料為Ir(btp)(acac)2]、Ir(piq)3]、[Ir(ppy)(acac)]、(F-BT)2-Ir(acac)]、Ir(piq)2(acac)或Ir(ppy)3，磷光材料的摻雜濃度的為3wt％～15wt％。該發(fā)明的結(jié)構(gòu)通過(guò)采用將磷光材料摻入距離D/A界面較遠(yuǎn)的給體材料中，在提高激子的利用的效率的同時(shí)，既結(jié)合了給體材料較好的光吸收特性和載流子傳輸性能，又減弱了摻雜對(duì)載流子遷移率的影響。
文檔編號(hào)H01L51/42GK102097593SQ201010572408
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者劉式墉, 李斌, 段羽, 趙毅, 陳平 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)