CN102024906A - 一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构 - Google Patents

一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有机光电器件技术领域，公开了一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，该结构由下至上依次包括：透明衬底；沉积在该衬底上的阳极；沉积在该阳极上的缓冲层；沉积在该缓冲层上的有机电子给体层；沉积在该有机电子给体层上的有机电子受体层；以及沉积在该有机电子受体层上的阴极。其中，阳极采用ITO或FTO，缓冲层采用氧化物掺杂有机材料，氧化物为MoO3、ReO3等低温材料，有机电子给体层采用CuPc或ZnPc，有机电子受体层采用C60或PTCDA或PTCBI，阴极采用铝或者镁银合金。除了阳极和阴极外各层可采用真空蒸镀，喷涂，打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。本发明可改善有机太阳能电池的稳定性。

Description

一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构
技术领域
本发明涉及有机光电器件技术领域，具体涉及一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，该结构采用金属氧化物掺杂有机材料作为缓冲层，在不降低有机太阳能电池的能量转换效率的前提下改善电池的稳定性。
背景技术
目前，市场上的太阳能电池产品以无机材料为主，主要是基于硅晶片、碲化镉以及III-V族化合物等半导体材料。这类电池性能稳定，寿命长，但是制作成本高，工艺复杂，材料要求苛刻，而且有可能会造成后续污染，使得这类太阳能电池无法大面积推广。有机太阳能电池所用材料来源广泛、价格低廉、制备工艺简单，易获得大面积，使得降低电池成本成为可能，而且可采用柔性衬底，便于携带。
有机太阳能电池的能量转换效率低的原因在于电池工作原理以及有机半导体材料的基本性质。当光照射到有机太阳能电池后，光子被有机半导体层吸收，激发电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对(激子)。这些激子只有扩散到由p型材料和n型材料组成的p-n结处才能分离成自由的载流子，有机材料的激子扩散长度只有10nm左右，因此仅仅在给体-受体界面周围20nm处的激子才能分离。此外，有机材料的载流子迁移率很低，一般在10-8～10-2cm2/V·s之间，载流子在输运过程中易发生复合或被陷阱捕获。
在过去的几十年里，科研工作者开展了大量的工作，双层异质结器件、本体异质结器件、混合蒸镀的小分子器件以及有机/无机杂化器件的研究都有了长足的进展。目前，有机染料敏化纳米晶电池的效率已经超过10％，有机小分子太阳能电池效率在实验室中已经达到了5％。根据模拟预测，当器件的能级结构、材料的带系以及迁移率都得到优化的器件中，本体异质结聚合物/富勒烯太阳能电池的效率可达到11％，级联器件的效率可达16％。
除电池效率外，衡量太阳能电池性能的另一个重要指标是电池的寿命即稳定性。普遍认为，当太阳能电池的转换效率超过10％，同时使用寿命达到10000小时后，这项技术将会以更快的速度被采用。从转换效率和使用寿命来看，即使目前性能最佳的有机太阳能电池，使用寿命也仅有几千个小时。有机太阳能电池的不稳定主要是因为外界环境的影响、电极材料和有机材料稳定性较差以及电极与有机薄膜在界面处的相互作用。对于外界环境的影响，通常采用封装技术，阻挡空气中的氧、水分子进入器件中与薄膜发生反应。值得注意的是，电极与有机薄膜的界面对器件寿命的影响极大。例如，ITO玻璃是有机半导体器件中经常被采用的阳极，ITO薄膜中的In渗入到有机薄膜中改变其材料特性，是降低器件稳定性的一个重要原因。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，以在不降低有机太阳能电池的能量转换效率的前提下，提高未封装的有机太阳能电池的稳定性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，该结构由下至上依次包括：
透明衬底；
沉积在该衬底上的阳极；
沉积在该阳极上的缓冲层；
沉积在该缓冲层上的有机电子给体层；
沉积在该有机电子给体层上的有机电子受体层；以及
沉积在该有机电子受体层上的阴极。
上述方案中，所述阳极为ITO或者FTO。
上述方案中，该结构还包括对所述阳极进行修饰以提高阳极与缓冲层之间的载流子传输的修饰材料，该修饰材料采用镍Ni或金Au。
上述方案中，所述缓冲层由氧化物掺杂有机材料构成。
上述方案中，所述缓冲层中的氧化物采用MoO3、ReO3或WO3。
上述方案中，所述缓冲层中的有机材料采用CuPc或ZnPc。
上述方案中，所述缓冲层中氧化物与有机材料在掺杂时，生长速率比例介于1∶10至1∶1之间。
上述方案中，所述有机电子给体层采用CuPc或ZnPc。
上述方案中，所述有机电子受体层采用C60及其衍生物、PTCDA或PTCBI。
上述方案中，所述阴极采用铝Al或镁银合金。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，通过引入掺杂的缓冲层，将改善有机给体层与阳极之间的界面形貌，同时降低ITO阳极中的In向有机材料的渗入，进而可以提高有机太阳能电池的稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构的示意图；
图2是本发明提供的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构的I-V曲线；其中标准器件指ITO/CuPc/C60/Al器件，本发明结构器件为ITO/MoO3∶CuPc/CuPc/C60/Al器件，光源为100mW/cm2的AM1.5的模拟光；
图3是标准器件与本发明结构器件的效率随时间的变化曲线，测试是在大气环境下进行，器件没有进行封装。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1是本发明提供的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构的示意图，该结构由下至上依次包括：
一透明衬底10，可采用玻璃或者透光性好的柔性聚合物；
一阳极20，该阳极20沉积在衬底10上，该阳极可以为以下任一材料：ITO、FTO，或用金或镍等高功函数金属改性过的ITO或FTO；
一缓冲层30，该缓冲层30沉积在阳极20上，由氧化物掺杂有机材料组成；氧化物可以选择以下任一材料：MoO3、ReO3，WO3；有机材料可选择以下任一材料：CuPc、ZnPc；该缓冲层30中氧化物与有机材料的掺杂时生长速率比例为1∶10至1∶1之间；
一有机电子给体层40，该有机电子给体层40沉积在缓冲层30上，可以选择以下任一材料：CuPc、ZnPc；
一有机电子受体层50，该有机电子受体层50沉积在有机电子给体层40上，可以选择以下任一材料：C60及其衍生物、PTCDA、PTCBI；以及
一阴极60，该阴极60沉积在有机电子受体层50上，可以选择以下任一材料：铝Al、镁银合金。
本发明提供的是一种可改善有机太阳能电池稳定性的有机太阳能电池结构，所涉及的是一种使用金属氧化物掺杂有机材料作为阳极缓冲层的有机太阳能电池结构，如图1所示，该结构由下至上依次由透明衬底10、阳极20、缓冲层30、电子给体层40、电子受体层50和阴极60构成。
在本发明中，透明衬底10可采用玻璃或者透光性好的柔性聚合物，光线从该衬底10进入器件。
在本发明中，阳极20沉积在衬底10上，该阳极可以为以下任一材料：ITO、FTO，或用金或镍等高功函数金属改性过的ITO或FTO。
在本发明中，缓冲层30是指能够平滑、亲润阳极表面、能级匹配以至于能够很好实现空穴传输的有机-无机复合材料，可采用无机材料为低温金属氧化物，可以选择以下任一材料：MoO3、ReO3，WO3，有机材料可以选择CuPc或ZnPc。该缓冲层30中氧化物与有机材料的掺杂时生长速率比例为1∶10至1∶1之间。
在本发明中，有机电子给体层40和有机电子受体层50为光吸收层，激子在两者界面处分离形成自由载流子，给体的LUMO和HOMO能级必须分别高于受体的LUMO和HOMO能级，并且给体和受体的LUMO和HOMO能级之差必须大于0.4eV。此外，有机电子给体层40应与掺杂的缓冲层的HOMO能级匹配，可采用CuPc或ZnPc；有机电子受体层50可选择以下任一材料：C60及其衍生物、PTCDA、PTCBI。
在本发明中，阴极60可采用铝或镁银合金。
本发明中，除了阳极和阴极外，其余各层可以采用真空蒸发、旋涂、打印等各种沉积有机膜的方法来制备。缓冲层(如MoO3掺杂CuPc)的实现可采用共蒸发技术或将氧化物和有机材料共溶于同一种溶剂然后旋涂或打印的方法来实现。
通过引入掺杂的缓冲层，将改善有机给体层与阳极之间的界面形貌，同时降低ITO阳极中的In向有机材料的渗入，可以提高有机太阳能电池的稳定性。
本发明提出的有机太阳能电池结构，电池的填充因子增大，能量转换效率略有提高。表1为标准器件与本发明器件的性能比较。器件的稳定性相比标准器件结构得到改善(见图3)。
Figure BSA00000299592900051
表1
下面结合实施例对本发明进行具体描述，但是本发明并不仅仅局限于所列举的实施例。
在清洗干净的ITO玻璃衬底上生长太阳能电池，ITO厚度约150nm，方块电阻约20Ω/□。采用有机分子束沉积设备(OMBD)生长有机薄膜和阴极，生长时真空约为4×10-7Torr。有机薄膜生长速率约
Figure BSA00000299592900052
金属Al生长速率约
Figure BSA00000299592900053
电池的有效面积约0.5mm2。氙灯为太阳能模拟光源，光强为100mW/cm2，I-V曲线用Keithley2400进行测量，所有测试都是在大气环境下进行。
器件结构为：标准器件ITO/CuPc 40nm/C6050nm/Al，本发明结构器件ITO/MoO3∶CuPc(1∶10)10nm/CuPc 30nm/C6050nm/Al。
器件在光照情况下的I-V曲线如图2所示，器件效率随时间的变化如图3所示。在空气中放置30分钟后，标准器件的效率降低到最初的63％，而本发明器件的效率为最初的80％，器件的稳定性得到改善。
本文中有关缩写名称的含义如下：
ITO：铟锡氧化物
MoO3：氧化钼
ReO3：氧化铼
WO3：氧化钨
CuPc：酞菁铜(Copper phthalocyanine)
ZnPc：酞菁锌(Zinc phthalocyanine)
C60：富勒烯(fulleren)
PTCDA：苝四甲酸二酐(3，4，9，10-perylene tetracarboxylic)
PTCBI：二苯并咪唑代-3，4，9，10-四羧基苝(3，4，9，10-perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole)
HOMO：最高分子占有轨道
LUMO：最低分子未占有轨道
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，该结构由下至上依次包括：
透明衬底；
沉积在该衬底上的阳极；
沉积在该阳极上的缓冲层；
沉积在该缓冲层上的有机电子给体层；
沉积在该有机电子给体层上的有机电子受体层；以及
沉积在该有机电子受体层上的阴极。
2.根据权利要求1所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述阳极为ITO或者FTO。
3.根据权利要求1所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，该结构还包括对所述阳极进行修饰以提高阳极与缓冲层之间的载流子传输的修饰材料，该修饰材料采用镍Ni或金Au。
4.根据权利要求1所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述缓冲层由氧化物掺杂有机材料构成。
5.根据权利要求4所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述缓冲层中的氧化物采用MoO3、ReO3或WO3。
6.根据权利要求4所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述缓冲层中的有机材料采用CuPc或ZnPc。
7.根据权利要求4所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述缓冲层中氧化物与有机材料在掺杂时，生长速率比例介于1∶10至1∶1之间。
8.根据权利要求1所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述有机电子给体层采用CuPc或ZnPc。
9.根据权利要求1所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述有机电子受体层采用C60及其衍生物、PTCDA或PTCBI。
10.根据权利要求1所述的基于氧化物掺杂有机材料的有机太阳能电池结构，其特征在于，所述阴极采用铝Al或镁银合金。
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