CN101179109B - 采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池 - Google Patents

采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池，有机异质结薄膜作为中间电极的优点是避免金属粒子的引入而导致的光生激子的淬灭，在异质结界面处电子-空穴有效复合而几乎没有能量损失，与有机光活性层有比较好的电接触减小内电阻，提高器件效率。

Description

采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池
技术领域
本发明涉及一种采用有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池。
背景技术
近年来，有机光伏器件在廉价光伏电池方面显现出应用潜力，能量转换效率是光伏电池实际应用的一个重要指标。1986年美国的应用物理快报(C.W.Tang，Applied Physics Letters 48，183(1986))报道了一种采用双层有机薄膜结构的有机光伏电池，能量转换效率接近1％。经过近十年的努力，人们认识到限制有机光伏器件效率进一步提高的主要原因是有机材料的激子扩散长度(一般不高于10nm)远小于材料的光吸收长度(一般在100nm左右)。1995年美国的科学杂志(G.Yu，J.Gao，J.C.Hummelen，F.Wudl，A.J.Heeger，Sciences 270，1789(1995))报道了一种采用两种有机材料共混的方法来克服上述矛盾，实现了单色光下能量转化效率超过2％的光伏电池。该方法是控制两种材料在比较厚的膜内实现纳米尺寸的两相分离，形成两种材料各自相连续，彼此之间相互贯穿的体异质结，极大提高了两相的界面面积，缩短了激子到达两相界面的距离，从而提高电池的转换效率。另外一种解决上述矛盾的方法是将多个电池采用串联或并联方式连接在一起，上层电池没有吸收完全的光可以被下层电池继续利用，这就是叠层光伏电池。1990年日本的化学快报(M.Hiramoto，M.Suezaki，M.Yokoyama，Chemistry Letters，1990，327)首先报道了利用Au作为中间电极制备的第一块叠层有机光伏电池。目前叠层有机光伏电池普遍采用金属或金属氧化物作为中间层，导致光透过性差，光生激子在金属附近淬灭，限制了器件效率的进一步提高。2006年美国的应用物理快报(X.J.Yan，J.Wang，H.B.Wang，H.Wang，D.H.Yan，Applied Physics Letters 89，053510(2006))报道了利用酞菁铜(CuPc)和氟代酞菁铜(F16CuPc)异质结效应的高电导率特性改善有机薄膜晶体管的金属半导体电接触性质，2007年美国的应用物理杂志(S.L.Lai，M.Y.Chan，M.K.Fung，C.S.Lee，S.T.Lee，Journal of Applied Physics 101，014509(2007))报道了采用这种酞菁铜和氟代酞菁铜双层异质结作为叠层有机发光二极管的中间电极，叠层发光二极管的电流发光效率显著提高。但是，酞菁铜和氟代酞菁铜异质结双层膜直接用于金属酞菁-富勒烯(C60)叠层有机光伏电池一般会导致电池开路电压和填充因子显著降低，不能发挥出叠层有机光伏电池的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池，克服现有技术中光透过性质差、光生激子在中间层附近淬灭和开路电压及填充因子损失的问题，同时可以显著提高电池效率。
本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池构成有三种。
如附图1所示，本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第一种的构成为：透明基板1、透明电极2、第一电池的第一半导体层3、第一电池的第二半导体层4、第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7、第二电池的第一半导体层8、第二电池的第二半导体层9和金属电极10；透明基板1、透明电极2、第一电池的第一半导体层3、第一电池的第二半导体层4、第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7、第二电池的第一半导体层8、第二电池的第二半导体层9和金属电极10顺次连接；其中，第一电池的第一半导体层3和第一电池的第二半导体层4构成第一电池，第二电池的第一半导体层8和第二电池的第二半导体层9构成第二电池，第一中间电极层5、第二中间电极层6和第三中间电极层7构成连接第一电池和第二电池的中间电极；
所述的第一电池的第一半导体层3是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的任意一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；
所述第一电池的第二半导体层4是富勒烯(C60)、二苯并咪唑苝(PTCBI)、酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于60纳米；
所述第二电池的第一半导体层8是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于50纳米；
所述第二电池的第二半导体层9是富勒烯(C60)、二苯并咪唑苝(PTCBI)、酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的的任意一种，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；
所述的第一中间电极层5是酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的一种，其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第二中间电极层6是酞菁氧锡(SnOPc)、酞菁锡二氯(SnCl2Pc)、十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)、十六氟代酞菁氧钛(F16TiOPc)、十六氟代酞菁氧钒(F16VOPc)、十六氟代酞菁铟氯(F16InClPc)、十六氟代酞菁锰氯(F16MnClPc)、十六氟代酞菁锡二氯(F16SnCl2Pc)、十六氟代钛二氯(F16TiCl2Pc)、十六氟代酞菁铝氯(F16AlClPc)、十六氯代酞菁锡二氯(Cl16SnCl2Pc)、十六氯代酞菁氧钛(Cl16TiOPc)、十六氯代酞菁氧钒(Cl16VOPc)、十六氯代酞菁铟氯(Cl16InClPc)和十六氟代酞菁铜(F16CuPc)中的任意一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第三中间电极层7是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的任意一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米。
如附图3所示，本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第二种的构成为：透明基板1、透明电极2、第一电池的第一半导体层3、第一电池的第二半导体层4、第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7、第二电池的第二半导体层9和金属电极10；透明基板1、透明电极2、第一电池的第一半导体层3、第一电池的第二半导体层4、第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7、第二电池的第二半导体层9和金属电极10顺次连接；其中，第一电池的第一半导体层3和第一电池的第二半导体层4构成第一电池，第一中间电极层5、第二中间电极层6和第三中间电极层7构成连接第一电池和第二电池的中间电极，第三中间电极层7同时作为第二电池的第一半导体层，第三中间电极层7和第二电池的第二半导体层9构成第二电池；
所述第一电池的第一半导体层3是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；
所述第一电池的第二半导体层4是富勒烯(C60)、二苯并咪唑苝(PTCBI)、酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于60纳米；
所述的第一中间电极层5是酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第二中间电极层6是酞菁氧锡(SnOPc)、酞菁锡二氯(SnCl2Pc)、十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)、十六氟代酞菁氧钛(F16TiOPc)、十六氟代酞菁氧钒(F16VOPc)、十六氟代酞菁铟氯(F16InClPc)、十六氟代酞菁锰氯(F16MnClPc)、十六氟代酞菁锡二氯(F16SnCl2Pc)、十六氟代钛二氯(F16TiCl2Pc)、十六氟代酞菁铝氯(F16AlClPc)、十六氯代酞菁锡二氯(Cl16SnCl2Pc)、十六氯代酞菁氧钛(Cl16TiOPc)、十六氯代酞菁氧钒(Cl16VOPc)、十六氯代酞菁铟氯(Cl16InClPc)和十六氟代酞菁铜(F16CuPc)中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第三中间电极层7是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述第二电池的第二半导体层9是富勒烯(C60)、二苯并咪唑苝(PTCBI)、酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米。
与本发明的第一种构成相比，第二种构成将第三中间电极层7同时用于第二电池的第一半导体，简化制备工艺。
如附图5所示，本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第三种的构成为：透明基板1、透明电极2、第一电池的第一半导体层3、第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7、第二电池的第一半导体层8、第二电池的第二半导体层9和金属电极10；透明基板1、透明电极2、第一电池的第一半导体层3、第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7、第二电池的第一半导体层8、第二电池的第二半导体层9和金属电极10顺次连接；其中，第一中间电极层5、第二中间电极层6和第三中间电极层7构成连接第一电池和第二电池的中间电极，同时，第一中间电极层5作为第一电池的第二半导体与第一电池的第一半导体层3构成第一电池；第二电池的第一半导体层8和第二电池的第二半导体层9构成第二电池；
所述第一电池的第一半导体层3是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；
所述第二电池的第一半导体层8是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于50纳米；
所述第二电池的第二半导体层9是富勒烯(C60)、二苯并咪唑苝(PTCBI)、酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；
所述的第一中间电极层5是酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯(SnCl2Pc)中的一种；其厚度应大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第二中间电极层6是酞菁氧锡(SnOPc)、酞菁锡二氯(SnCl2Pc)、十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)、十六氟代酞菁氧钛(F16TiOPc)、十六氟代酞菁氧钒(F16VOPc)、十六氟代酞菁铟氯(F16InClPc)、十六氟代酞菁锰氯(F16MnClPc)、十六氟代酞菁锡二氯(F16SnCl2Pc)、十六氟代钛二氯(F16TiCl2Pc)、十六氟代酞菁铝氯(F16AlClPc)、十六氯代酞菁锡二氯(Cl16SnCl2Pc)、十六氯代酞菁氧钛(Cl16TiOPc)、十六氯代酞菁氧钒(Cl16VOPc)、十六氯代酞菁铟氯(Cl16InClPc)和十六氟代酞菁铜(F16CuPc)中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第三中间电极层7是酞菁镍(NiPc)、酞菁亚铁(FePc)、酞菁锡(SnPc)、酞菁铜(CuPc)、酞菁钴(CoPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铅(PbPc)、酞菁氧钒(VOPc)、酞菁氧钛(TiOPc)、酞菁铁氯(FeClPc)、酞菁钛二氯(TiCl2Pc)、酞菁铟氯(InClPc)、酞菁锰氯(MnClPc)、酞菁镓氯(GaClPc)、酞菁钛二氟(TiF2Pc)、酞菁锡二氟(SnF2Pc)、酞菁铟氟(InFPc)和酞菁锗二氯(GeCl2Pc)中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米。
与本发明的第一种构成相比，第三种构成将中间第一电极层5同时用于第一电池的第二半导体，简化制备工艺。
本发明的又一个目的是提供采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的制备方法。
1)采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的第一种的结构的叠层有机光伏电池的制备方法的步骤和条件如下：
按照每一层的所给出的材料，所使用的真空沉积设备其真空腔体本底真空8.0×10-4，衬底温度在室温到120度之间，沉积速率每分钟10纳米，在透明电极2上采用真空蒸镀的方法沉积第一电池的第一半导体层3，其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；在第一电池的第一半导体层3上采用真空蒸镀的方法沉积第一电池的第二半导体层4，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于60纳米，在第一电池的第二半导体层4上采用真空蒸镀的方法依次沉积构成中间电极的第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7三层有机异质结薄膜，每层厚度均大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；在第三中间电极层7上采用真空蒸镀的方法沉积第二电池的第一半导体层8，其厚度大于或等于10纳米，小于或等于50纳米；在第二电池的第一半导体层8上采用真空蒸镀的方法沉积第二电池的第二半导体层9，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；在第二电池的第二半导体层9上采用真空蒸镀的方法制备金属电极10。
2)采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的第二种的结构的叠层有机光伏电池的制备方法的步骤和条件如下：
按照每一层的所给出的材料，所使用的真空沉积设备其真空腔体本底真空8.0×10-4Pa，衬底温度在室温到120度之间，沉积速率每分钟10纳米，在透明电极2上采用真空蒸镀的方法沉积第一电池的第一半导体层3，其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；在第一电池的第一半导体层3上采用真空蒸镀的方法沉积第一电池的第二半导体层4，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于60纳米，在第一电池的第二半导体层4上采用真空蒸镀的方法依次沉积构成中间电极的第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7三层有机异质结薄膜，每层厚度均大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；在第三中间电极层7上采用真空蒸镀的方法沉积第二电池的第二半导体层9，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；在第二电池的第二半导体层9上采用真空蒸镀的方法制备金属电极10。
3)采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的第三种的结构的叠层有机光伏电池的制备方法的步骤和条件如下：
按照每一层的所给出的材料，所使用的真空沉积设备其真空腔体本底真空8.0×10-4Pa，衬底温度在室温到120度之间，沉积速率每分钟10纳米，在透明电极2上采用真空蒸镀的方法沉积第一电池的第一半导体层3，其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；在第一电池的第一半导体层3上采用真空蒸镀的方法依次沉积构成中间电极的中间第一电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7三层有机异质结薄膜，每层厚度均大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；第三在中间电极层7上采用真空蒸镀的方法沉积第二电池的第一半导体层8，其厚度大于或等于10纳米，小于或等于50纳米；在第二电池的第一半导体层8上采用真空蒸镀的方法沉积第二电池的第二半导体层9，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；在第二电池的第二半导体层9上采用真空蒸镀的方法制备金属电极10。
本发明的有益效果：采用有机异质结薄膜为中间电极，由于有机异质结薄膜具有电子和空穴分立传输的特点，在异质结界面处可以有效地进行电子-空穴的复合而几乎没有能量损失，同时与有机活性层有比较好的电接触，有利于叠层有机光伏电池性能的提高。
本发明的优点是电池性能显著提高，制备工艺简单。该器件可以广泛地应用于低成本和高效率的光伏电池和宽光谱敏感的传感器等领域。
附图说明
图1是采用三层有机半导体异质结作为中间电极的叠层有机光伏电池结构示意图。其中，1是透明基板，2是透明阳极，3是第一电池的第一半导体层，4是第一电池的第二半导体层，5是第一中间电极层，6是第二中间电极层，7是第三中间电极层，8是第二电池的第一半导体层，9是第二电池的第二半导体层，10是金属阴极。图1也是摘要附图。
图2是采用图1结构的叠层有机光伏电池的电流-电压特性曲线。其中，透明阳极为ITO，第一和第二电池的第一半导体层为酞菁锌(ZnPc)，第一和第二电池的第二半导体层为富勒烯(C60)，第一中间电极层5为酞菁锡二氯(SnCl2Pc)，第二中间电极层6为十六氟代酞菁铜(F16CuPc)，第三中间电极层7为酞菁铜(CuPc)，金属阴极为Al。
图3是采用三层有机半导体异质结作为中间电极的叠层有机光伏电池第二种结构示意图。其中，1是透明基板，2是透明阳极，3是第一电池的第一半导体层，4是第一电池的第二半导体层，5是第一中间电极层，6是第二中间电极层，7是第三中间电极层，9是第二电池的第二半导体层，10是金属阴极。
图4是采用图3结构的叠层有机光伏电池的电流-电压特性曲线。其中，透明阳极为ITO，第一电池的第一半导体层为CuPc，第一和第二电池的第二半导体层为C60，第一中间电极层5为SnOPc，第二中间电极层6为F16AlClPc，第三中间电极层7为ZnPc兼有第二电池的第一半导体层的功能，金属阴极为Al。
图5是采用三层有机半导体异质结作为中间电极的叠层有机电池第三种结构示意图。其中，1是透明基板，2是透明阳极，3是第一电池的第一半导体层，5是第一中间电极层，6是第二中间电极层，7是第三中间电极层，8是第二电池的第一半导体层，9是第二电池的第二半导体层，10是金属阴极。
图6是采用图5结构的叠层有机光伏电池的电流-电压特性曲线。其中，透明阳极为ITO，第一电池和第二电池的的第一半导体层为酞菁镍(NiPc)，第一中间电极层5为SnCl2Pc兼有第一电池的第二半导体层的功能，第二中间电极层6为Cl16CuPc，第三中间电极层7为CoPc，第二电池的第二半导体层为SnCl2Pc。
实施例1
所用酞菁镍(NiPc)，酞菁锡(SnPc)，酞菁铜(CuPc)，酞菁钴(CoPc)，酞菁锌(ZnPc)，酞菁铅(PbPc)，酞菁氧钒(VOPc)，酞菁氧钛(TiOPc)，酞菁铁氯(FeClPc)，酞菁钛二氯(TiCl2Pc)，酞菁锡二氯(SnCl2Pc)，酞菁铟氯(InClPc)，十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)，酞菁锰氯(MnClPc)，酞菁镓氯(GaClPc)，酞菁氧锡(SnOPc)，酞菁钛二氟(TiF2Pc)，酞菁锡二氟(SnF2Pc)，酞菁铟氟(InFPc)，酞菁锗二氯(GeCl2Pc)，十六氟代酞菁氧钛(F16TiOPc)，十六氟代酞菁氧钒(F16VOPc)，十六氟代酞菁铟氯(F16InClPc)，十六氟代酞菁锰氯(F16MnClPc)，十六氟代酞菁锡二氯(F16SnCl2Pc)，十六氟代酞菁钛二氯(F16TiCl2Pc)，十六氟代酞菁铝氯(F16AlClPc)，十六氯代酞菁锡二氯(Cl16SnCl2Pc)，十六氯代酞菁氧钛(Cl16TiOPc)，十六氯代酞菁氧钒(Cl16VOPc)，十六氯代酞菁铟氯(Cl16InClPc)，十六氟代酞菁铜(F16CuPc)、富勒烯(C60)和二苯并咪唑苝(PTCBI)为商业产品，二次升华提纯后使用。ITO玻璃为商业产品，清洗后使用。金属铝为商业产品，直接使用。
器件结构采用本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第一种的构成。
器件具体加工方法如下：
在ITO玻璃2上采用真空蒸镀的方法依次沉积第一电池的第一半导体层3、第一电池的第二半导体层4；在第一电池上的第二半导体层4上采用真空蒸镀的方法依次沉积第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7；在第三中间电极层7上采用真空蒸镀的方法依次沉积第二电池的第一半导体层8和第二电池的第二半导体层9；在第二电池的第二半导体层9上采用真空蒸镀的方法，利用漏板沉积一层面积3.14平方厘米100纳米厚的铝(Al)作为金属阴极10形成如图1所示结构的叠层电池。
其中，本底真空8x10-4Pa，衬底温度从室温到120℃，蒸镀速率为每分钟10纳米；第一电池的第一半导体层3为酞菁锌(ZnPc)，厚度10纳米；第一电池的第二半导体层4是富勒烯(C60)，厚度20纳米；第一中间电极层5是酞菁锡二氯(SnCl2Pc)，厚度2纳米；第二中间电极层6是十六氟代酞菁铜(F16CuPc)，厚度3纳米；第三中间电极层7是酞菁铜(CuPc)，厚度5纳米；第二电池的第一半导体层8是酞菁锌(ZnPc)，厚度10纳米，第二电池的第二半导体层9是富勒烯(C60)，厚度20纳米。
为了便于比较，在ITO玻璃表面采用同样条件制备了采用ZnPc为第一半导体层、C60为第二半导体层、Al为金属阴极的单电池。
图2是在ITO玻璃表面采用ZnPc为第一和第二电池的第一半导体层、C60为第一和第二电池的第二半导体层、SnCl2Pc为第一中间电极层5、F16CuPc为第二中间电极层6、CuPc为第三中间电极层7、Al为金属阴极的叠层有机光伏电池在暗态下和模拟太阳光源照射下的电流-电压曲线。在大气质量(AM)1.5，光强度100mW/cm2模拟太阳光源下，器件的开路电压为1.02V，短路电流密度为3.0mA/cm2，填充因子为0.5，能量转换效率为1.53％。与单电池比较，开路电压0.54V，短路电流密度3.9mA/cm2，填充因子0.53，能量转换效率1.1％，效率提高40％以上。因此，三层有机异质结薄膜构成的中间电极能够克服现有技术中光透过性质差、光生激子在中间层附近淬灭和开路电压及填充因子损失的问题，同时可以显著提高电池效率。
表一给出依照实施例1制备的本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第一种构成的器件的结构和性能，从表一中可以看出，三层有机异质结薄膜构成的中间电极能够实现高效率的叠层有机光伏电池。
表一：采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的结构和性能
Figure G2007101935571D00101
Figure G2007101935571D00111
续表一
实施例2
所用材料同实施例1。
器件结构采用本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第二种的构成。
器件具体加工方法如下：在ITO玻璃2上采用真空蒸镀的方法依次沉积第一电池的第一半导体层3、第一电池的第二半导体层4；在第一电池的第二半导体层4上采用真空蒸镀的方法依次沉积第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7，其中，第三中间电极层7同时作为第二电池的第一半导体；在第三中间电极层7上采用真空蒸镀的方法依次第二电池的第二半导体层9；在第二电池的第二半导体层9上采用真空蒸镀的方法，利用漏板沉积一层面积3.14平方厘米100纳米厚的铝(Al)作为金属阴极10形成如图3所示结构的叠层有机光伏电池。
其中，本底真空8x10-4Pa，衬底温度从室温到120℃，蒸镀速率为每分钟10纳米；透明阳极为ITO，第一电池的第一半导体层为CuPc，厚度10纳米，第一和第二电池的第二半导体层为C60，厚度分别为20纳米和30纳米，第一中间电极层5为SnOPc，厚度5纳米，第二中间电极层6为F16AlClPc，厚度2纳米；第三中间电极层7为ZnPc，厚度30纳米兼有第二电池的第一半导体层的功能。
图4是实施例2所对应的叠层有机光伏电池在暗态及模拟太阳光源照射下的电流-电压曲线。在大气质量(AM)1.5，光强度100mW/cm2模拟光源下，器件的开路电压为1.04V，短路电流密度为3.65mA/cm2，填充因子为0.48，能量转换效率为1.8％。
表二给出依照实施例2制备的本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第二种构成的器件的结构和性能。
表二：采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的结构和性能
Figure G2007101935571D00121
Figure G2007101935571D00131
实施例3
所用材料同实施例1。
器件结构采用本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第三种的构成。
器件具体加工方法如下：在ITO玻璃2上采用真空蒸镀的方法沉积第一电池的第一半导体层3；在第一电池的第一半导体层3上采用真空蒸镀的方法依次沉积第一中间电极层5、第二中间电极层6、第三中间电极层7；其中，第一中间电极层5同时作为第一电池的第二半导体层；在第三中间电极上7上采用真空蒸镀的方法依次沉积第二电池的第一半导体层8和第二电池的第二半导体层9；在第二电池的第二半导体层9上采用真空蒸镀的方法，利用漏板沉积一层面积3.14平方厘米100纳米厚的铝(Al)作为金属阴极10形成如图5所示结构的叠层有机光伏电池。
其中，本底真空8x10-4Pa，衬底温度从室温到120℃，蒸镀速率为每分钟10纳米；透明阳极为ITO，第一和第二电池的第一半导体层为NiPc，厚度分别为20纳米和35纳米；第一中间电极层5为SnCl2Pc兼有第一电池的第二半导体层的功能，厚度为30纳米；第二中间电极层6为Cl16CuPc，厚度2纳米；第三中间电极层7为CoPc，厚度5纳米；第二电池的第二半导体层为SnCl2Pc，厚度50纳米。
图6是实施例3所对应的叠层有机光伏电池在暗态及模拟太阳光源照射下的电流-电压曲线。在大气质量(AM)1.5，光强度100mW/cm2模拟太阳光源下，器件的开路电压为0.62V，短路电流密度为1.2mA/cm2，填充因子为0.37，能量转换效率为0.28％。
表三给出依照实施例3制备的本发明提供的采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的第三种构成的器件的结构和性能。
表三：采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池的结构和性能
Figure G2007101935571D00141
本发明不限于上述实施例。一般来说，本发明所公开叠层有机光伏电池可以加工形成两个或多个有机电池的串联或并联。使用基于本发明的叠层有机光伏电池可以在室温到120℃范围内加工。

Claims (3)

1.采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池，其特征是，其构成有：透明基板(1)、透明电极(2)、第一电池的第一半导体层(3)、第一电池的第二半导体层(4)、第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)、第三中间电极层(7)、第二电池的第一半导体层(8)、第二电池的第二半导体层(9)和金属电极(10)；透明基板(1)、透明电极(2)、第一电池的第一半导体层(3)、第一电池的第二半导体层(4)、第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)、第三中间电极层(7)、第二电池的第一半导体层(8)、第二电池的第二半导体层(9)和金属电极(10)顺次连接；其中，第一电池的第一半导体层(3)和第一电池的第二半导体层(4)构成第一电池，第二电池的第一半导体层(8)和第二电池的第二半导体层(9)构成第二电池，第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)和第三中间电极层(7)构成连接第一电池和第二电池的中间电极；
所述的第一电池的第一半导体层(3)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯，酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的任意一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；
所述第一电池的第二半导体层(4)是富勒烯、二苯并咪唑苝、酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于60纳米；
所述第二电池的第一半导体层(8)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于50纳米；
所述第二电池的第二半导体层(9)是富勒烯、二苯并咪唑苝、酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的的任意一种，其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；
所述的第一中间电极层(5)是酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的一种，其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第二中间电极层(6)是酞菁氧锡、酞菁锡二氯、十六氯代酞菁氯铝、十六氟代酞菁氧钛、十六氟代酞菁氧钒、十六氟代酞菁铟氯、十六氟代酞菁锰氯、十六氟代酞菁锡二氯、十六氟代钛二氯、十六氟代酞菁铝氯、十六氯代酞菁锡二氯、十六氯代酞菁氧钛、十六氯代酞菁氧钒、十六氯代酞菁铟氯和十六氟代酞菁铜中的任意一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第三中间电极层(7)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的任意一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米。
2.采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池，其特征是，其构成有：透明基板(1)、透明电极(2)、第一电池的第一半导体层(3)、第一电池的第二半导体层(4)、第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)、第三中间电极层(7)、第二电池的第二半导体层(9)和金属电极(10)；透明基板(1)、透明电极(2)、第一电池的第一半导体层(3)、第一电池的第二半导体层(4)、第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)、第三中间电极层(7)、第二电池的第二半导体层(9)和金属电极(10)顺次连接；其中，第一电池的第一半导体层(3)和第一电池的第二半导体层(4)构成第一电池，第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)和第三中间电极层7构成连接第一电池和第二电池的中间电极，第三中间电极层(7)同时作为第二电池的第一半导体层，第三中间电极层(7)和第二电池的第二半导体层(9)构成第二电池；
所述第一电池的第一半导体层(3)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；
所述第一电池的第二半导体层(4)是富勒烯、二苯并咪唑苝、酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于60纳米；
所述的第一中间电极层(5)是酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第二中间电极层(6)是酞菁氧锡、酞菁锡二氯、十六氯代酞菁氯铝、十六氟代酞菁氧钛、十六氟代酞菁氧钒、十六氟代酞菁铟氯、十六氟代酞菁锰氯、十六氟代酞菁锡二氯、十六氟代钛二氯、十六氟代酞菁铝氯、十六氯代酞菁锡二氯、十六氯代酞菁氧钛、十六氯代酞菁氧钒、十六氯代酞菁铟氯和十六氟代酞菁铜中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第三中间电极层(7)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述第二电池的第二半导体层(9)是富勒烯、二苯并咪唑苝、酞菁氧锡(SnOPc)和酞菁锡二氯中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米。
3.采用三层有机异质结薄膜作为中间电极的叠层有机光伏电池，其特征是，其构成有：透明基板(1)、透明电极(2)、第一电池的第一半导体层(3)、第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)、第三中间电极层(7)、第二电池的第一半导体层(8)、第二电池的第二半导体层(9)和金属电极(10)；透明基板(1)、透明电极(2)、第一电池的第一半导体层(3)、第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)、第三中间电极层(7)、第二电池的第一半导体层(8)、第二电池的第二半导体层(9)和金属电极(10)顺次连接；其中，第一中间电极层(5)、第二中间电极层(6)和第三中间电极层(7)构成连接第一电池和第二电池的中间电极，同时，第一中间电极层(5)作为第一电池的第二半导体与第一电池的第一半导体层(3)构成第一电池；第二电池的第一半导体层(8)和第二电池的第二半导体层(9)构成第二电池；
所述第一电池的第一半导体层(3)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于30纳米；
所述第二电池的第一半导体层(8)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的一种；其厚度大于或等于10纳米，小于或等于50纳米；
所述第二电池的第二半导体层(9)是富勒烯、二苯并咪唑苝、酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的的任意一种；其厚度大于或等于20纳米，小于或等于100纳米；
所述的第一中间电极层(5)是酞菁氧锡和酞菁锡二氯中的一种；其厚度应大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第二中间电极层(6)是酞菁氧锡、酞菁锡二氯、十六氯代酞菁氯铝、十六氟代酞菁氧钛、十六氟代酞菁氧钒、十六氟代酞菁铟氯、十六氟代酞菁锰氯、十六氟代酞菁锡二氯、十六氟代钛二氯、十六氟代酞菁铝氯、十六氯代酞菁锡二氯、十六氯代酞菁氧钛、十六氯代酞菁氧钒、十六氯代酞菁铟氯和十六氟代酞菁铜中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米；
所述的第三中间电极层(7)是酞菁镍、酞菁亚铁、酞菁锡、酞菁铜、酞菁钴、酞菁锌、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁铁氯、酞菁钛二氯、酞菁铟氯、酞菁锰氯、酞菁镓氯、酞菁钛二氟、酞菁锡二氟、酞菁铟氟和酞菁锗二氯中的一种；其厚度大于或等于2纳米，小于或等于30纳米。
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