本發(fā)明屬于光電轉(zhuǎn)換器件技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種非摻雜高效率有機(jī)光伏電池。
背景技術(shù)：
有機(jī)太陽能電池的研究始于1958年，kearns和calvin將鎂酞菁染料(mgpc)夾在兩個(gè)不同功函數(shù)的電極之間，制成“三明治”結(jié)構(gòu)，從而得到了200mv的開路電壓，但是其短路電流輸出則非常低，所以其能量轉(zhuǎn)換效率也相對較低。這種單層有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，在1986年被c.w.tang采用雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)所替代，得到了1％的能量轉(zhuǎn)換效率。能量轉(zhuǎn)換效率得到大幅提升的原因即是認(rèn)為雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)提供一個(gè)高效的激子拆分的界面，也即是說雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)使得中性的電子-空穴對拆分成自由載流子變得更加的容易。但是由于雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)電池中只存在一個(gè)異質(zhì)結(jié)界面，而常見的有機(jī)材料的激子擴(kuò)散長度均較短，遠(yuǎn)小于其光學(xué)吸收長度，那些遠(yuǎn)離異質(zhì)結(jié)界面的光生激子無法解離形成光電流，這大大限制了有機(jī)光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率。為此，人們開發(fā)出基于兩種材料摻雜的給受體異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)大大增加了異質(zhì)結(jié)的界面，可以有效促進(jìn)激子的解離，但是電池的結(jié)構(gòu)也更加的復(fù)雜。同時(shí)，電池的性能受兩種給受體材料的混合比例影響較大，需要精確控制給體或者受體的摻雜比例，增加了器件制備的難度，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明就是要克服背景技術(shù)中雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)光伏電池中激子解離界面少，電池效率低和混合體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電池器件制備工藝復(fù)雜的問題，提出一種新型的非摻雜高效率有機(jī)光伏電池。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服背景技術(shù)中現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，該光伏電池中設(shè)置了劈裂層，增加了激子解離界面，同時(shí)避免了復(fù)雜的摻雜工藝。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，其特征在于所述的非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，包括透明絕緣襯底、在透明絕緣襯底上依次層疊形成的透明陽極電極層、陽極修飾層、基質(zhì)層、陰極修飾層、陰極電極層，以及設(shè)置在基質(zhì)層中的第一劈裂層、第二劈裂層、、、第n劈裂層(n為大于等于1的整數(shù))所組成；所述的劈裂層每層的厚度為2～5nm；所述的第一劈裂層距離陽極修飾層的距離大于5nm；所述的第n修飾層距離陰極修飾層的距離大于5nm；相鄰劈裂層的距離大于5nm。
進(jìn)一步的，所述的透明絕緣襯底的材質(zhì)為石英玻璃、硅酸鹽玻璃、高硅氧玻璃、鈉鈣玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚酯；所述透明絕緣襯底的厚度為1.1～1.5mm。
進(jìn)一步的，所述的透明陽極電極層是材質(zhì)為氧化銦錫、氧化鋅鋁、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、金、鋁、銀或碳納米管的導(dǎo)電薄膜；所述透明陽極電極層的厚度為80～120nm。
進(jìn)一步的，所述的陽極修飾層為高功函數(shù)透明金屬氧化物，包括moo3、woo3、v2o5，厚度2-10nm。
進(jìn)一步的，所述的基質(zhì)層為富勒烯，包括c60和c70，厚度40～100nm。
進(jìn)一步的，所述的劈裂層為tpd、tapc、cbp、npb、2-tnata中的一種或幾種。
進(jìn)一步的，所述的陰極修飾層為bcp、bphen或lif，厚度1-10nm。
進(jìn)一步的，所述陰極電極層的材質(zhì)為ag、al、ca-al合金、mg-ag合金、ito；所述陰極電極層的厚度為80～120nm。
本發(fā)明中所述的劈裂層厚度極薄，在2～-5nm，激子解離后，劈裂層與陽極之間的電子以及劈裂層與陰極之間的空穴，既可以通過能級輸運(yùn)，也可以通過遂川的方式越過劈裂層，并最終被各自的電極所收集。本發(fā)明通過在受體基質(zhì)層中設(shè)置劈裂層，增加激子解離界面。每增加一個(gè)劈裂層，就會(huì)增加兩個(gè)激子解離界面。與傳統(tǒng)的雙層異質(zhì)結(jié)電池比較，激子的解離界面大大增多，提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。與體異質(zhì)結(jié)電池比較，避免了復(fù)雜的摻雜工藝，電池結(jié)構(gòu)更加簡單，適宜于有機(jī)光伏電池的工業(yè)化生產(chǎn)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的非摻雜高效率有機(jī)光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
請參閱圖1，顯示發(fā)明實(shí)施例的一種非摻雜高效率有機(jī)光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。
一種非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，其特征在于所述的非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，包括透明絕緣襯底、在透明絕緣襯底上依次層疊形成的透明陽極電極層、陽極修飾層、基質(zhì)層、陰極修飾層、陰極電極層，以及設(shè)置在基質(zhì)層中的第一劈裂層、第二劈裂層、、、第n劈裂層(n為大于等于1的整數(shù))所組成；所述的劈裂層每層的厚度為2～5nm；所述的第一劈裂層距離陽極修飾層的距離大于5nm；所述的第n修飾層距離陰極修飾層的距離大于5nm；相鄰劈裂層的距離大于5nm。、
上述透明絕緣襯底的材質(zhì)優(yōu)選為石英玻璃、硅酸鹽玻璃、高硅氧玻璃或鈉鈣玻璃等透明玻璃，或者聚氯乙烯(pvc)、聚碳酸酯(pc)或聚酯(pet)等透明絕緣塑膠，其厚度優(yōu)選為1.1～1.5mm。
上述透明陽極電極層的材質(zhì)優(yōu)選為氧化銦錫(ito)，其厚度優(yōu)選為80～200nm。由于該透明陽極電極層采用透明的導(dǎo)電材質(zhì)或者金屬薄膜構(gòu)成，且厚度薄，因此既能起到電極的作用，又不影響太陽光的透過。該透明陽極電極層也即是非摻雜高效率有機(jī)光伏電池的陽極，并可采用光刻腐蝕方法將其腐蝕成條紋圖樣，從而形成條紋圖樣電極。
上述陽極修飾層優(yōu)選為高功函數(shù)無機(jī)金屬氧化物材料，例如采三氧化鉬(moo3)、三氧化鎢(woo3)或五氧化二釩(v2o5)中的至少一種，該陽極修飾層的厚度優(yōu)選為2～10nm。由于陽極修飾層，在可見光區(qū)域近乎沒有光吸收，因而其對太陽光的損耗很小，可以忽略不計(jì)，所以大部分太陽光仍為光敏層所吸收。陽極修飾層的存在是對透明陽極電極層進(jìn)行修飾，提高透明陽極電極層的功函數(shù)。增加電池的內(nèi)建電場，促進(jìn)電極對解離的電子和空穴的收集。
上述基質(zhì)層優(yōu)選為富勒烯，包括c60和c70等，其厚度優(yōu)選為40～100nm。該基質(zhì)層作為吸收光產(chǎn)生光電流的主要光敏區(qū)域，其作用是光敏層吸收光子能量之后，產(chǎn)生具有一定束縛力的電子～空穴對，也就是激子，激子呈電中性。激子在劈裂層與基質(zhì)層的界面電場作用下被拆分成自由載流子，該自由載流子在基質(zhì)層中分別向兩個(gè)電極漂移，從而形成光電流輸出。
上述劈裂層為tpd、tapc、cbp、npb、2-tnata中的一種或幾種。
上述陰極修飾層為bcp、bphen或lif，厚度1-10nm。
上述陰極電極層由ag、al、ca-al合金、mg-ag合金等金屬薄膜，該陰極電極層的厚度為80～120nm。該陰極電極層也即是單層有機(jī)太陽能電池的陰極。
傳統(tǒng)雙層有機(jī)太陽能電池之所以效率不高，其主要原因是電池中的光生激子不能得到有效的拆分。激子拆分這一過程主要發(fā)生在給體和受體界面處。然而在雙層有機(jī)太陽能電池中，只存在一個(gè)激子拆分的給體～受體界面。絕大多數(shù)不能擴(kuò)散到此界面處的激子會(huì)發(fā)生復(fù)合，對于光生電流毫無作用，這也是雙層有機(jī)太陽能電池效率較低的最主要的原因?；诖死碚?，本實(shí)施例在基質(zhì)層中設(shè)置一個(gè)或者多個(gè)劈裂層，增加了激子解離的界面數(shù)，提供了更多的激子解離區(qū)域，增大了電池的光電流和能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)使用c70作為基質(zhì)層時(shí)，本實(shí)施例非摻雜有機(jī)光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)2％以上，而對于雙層有機(jī)太陽能電池來說，由于缺少有效的激子拆分界面，因而其效率普遍都很低，如現(xiàn)有的沒有設(shè)置劈裂層的有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率在1％以下。當(dāng)使用c60作為基質(zhì)層時(shí)，本實(shí)施例非摻雜有機(jī)光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)1％以上，而對于雙層有機(jī)太陽能電池來說，由于缺少有效的激子拆分界面，因而其效率普遍都很低，沒有設(shè)置劈裂層的有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率在0.5％以下。相對現(xiàn)有的雙層有機(jī)太陽能電池而言，本實(shí)施例有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高顯著。
本實(shí)施例單層有機(jī)太陽能電池的工作原理如下：當(dāng)太陽光射到從透明絕緣襯底后，由于透明絕緣襯底為透明、透明陽極電極層采用透明的導(dǎo)電材質(zhì)，同時(shí)陽極修飾層為透明，因而其對太陽光的損耗很小，可以忽略不計(jì)，因此，絕大部分太陽光透過透明絕緣襯底、透明陽極電極層和電場增強(qiáng)層射到基質(zhì)層上，并被基質(zhì)層所吸收，基質(zhì)層吸收太陽光的光子能量之后，產(chǎn)生具有一定束縛力的電子～空穴對，也就是激子。激子在距離其最近的劈裂層與基質(zhì)層的界面處解離為自由電子和空穴，由于透明陽極電極層和陰極電極層之間存在功函數(shù)差，從而有機(jī)太陽能電池器件的內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)建電場。自由電子和空穴在上述的內(nèi)建電場作用下，在光敏層中分別向透明陽極電極層和陰極電極層漂移，從而形成光電流輸出。
下面給出幾個(gè)本發(fā)明的具體實(shí)施例，應(yīng)該了解以下實(shí)施例只是本發(fā)明的具體應(yīng)用，并不用于限定本發(fā)明。
實(shí)施例一
非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，器件結(jié)構(gòu)為：透明絕緣襯底glass1.2mm/透明陽極電極層ito200nm/陽極修飾層moo35nm/c7015nm/第一劈裂層tapc5nm/c7015nm/第二劈裂層tapc5nm/c7015nm/第三劈裂層tapc5nm/c7015nm/陰極修飾層bphen5nm/陰極電極al100nm，其中基質(zhì)層為60nm的c70，電池中設(shè)置有三個(gè)劈裂層，即n=3，可以形成6個(gè)有機(jī)異質(zhì)結(jié)界面供激子解離，第一劈裂層距離moo3陽極修飾層的距離大于5nm，第三劈裂層距離bphen陰極修飾層的距離大于5nm，第一劈裂層與第二劈裂層間的距離大于5nm，第二劈裂層與第三劈裂層之間的距離大于5nm。
實(shí)施例二
非摻雜高效率有機(jī)光伏電池，器件結(jié)構(gòu)為：透明絕緣襯底glass1.2mm/透明陽極電極層ito200nm/陽極修飾層moo35nm/c6010nm/第一劈裂層npb2nm/c6010nm/第二劈裂層npb2nm/c6010nm/第三劈裂層npb2nm/c6010nm/第四劈裂層npb2nm/c6010nm/陰極修飾層bcp10nm/陰極電極ag80nm，其中基質(zhì)層為40nm的c60，電池中有四個(gè)劈裂層，即n=4，可以形成8個(gè)有機(jī)異質(zhì)結(jié)界面供激子解離。
實(shí)施例三
n=1，glass1.2mm/透明陽極電極層ito200nm/陽極修飾層moo35nm/c7025nm/第一劈裂層tpd5nm/c7025nm/陰極修飾層bcp10nm/陰極電極ag80nm，其中基質(zhì)層為50nm的c70，電池中的劈裂層為5nm的tpd，可以形成2個(gè)有機(jī)異質(zhì)結(jié)界面供激子解離。
實(shí)施例四
n=2，glass1.2mm/透明陽極電極層ito200nm/陽極修飾層moo35nm/c6020nm/第一劈裂層cbp2nm/c6020nm/第二劈裂層cbp2nm/c6020nm/陰極修飾層bcp10nm/陰極電極ag80nm，其中基質(zhì)層為60nm的c60層，電池中的劈裂層為5nm的tpd，有2個(gè)劈裂層，可以形成4個(gè)有機(jī)異質(zhì)結(jié)界面供激子解離。