專利名稱：基于Cu(I)配合物三線態(tài)材料的有機(jī)光伏電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)光伏電池的材料和器件領(lǐng)域，具體的說涉及一種具有長的三線態(tài)壽命的Cu (I)配合物磷光材料作為摻雜劑成分的有機(jī)光伏電池。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的無機(jī)光伏電池相比，有機(jī)光伏電池制備工藝簡單，具有制造面積大、廉價、簡易、柔性等優(yōu)點(diǎn)。1986年Tang報道了單一給受體異質(zhì)節(jié)有機(jī)太陽能電池，因其具有潛在的廣闊應(yīng)用前景，此后學(xué)術(shù)界和企業(yè)界便展開了對有機(jī)光伏電池的深入研究。目前的研究發(fā)現(xiàn)激子的擴(kuò)散距離僅有10 nm，所以雙層結(jié)構(gòu)中膜的有效厚度為20 nm左右。因此載流子需要在兩層中傳輸一段距離才能到達(dá)電極進(jìn)行收集。雙層膜結(jié)構(gòu)所能提供的界面面積非常有限，而且有機(jī)半導(dǎo)體的電阻比較大，電荷在輸運(yùn)的過程中很容易復(fù)合，從而限制了光電轉(zhuǎn)換效率的提高。2004年，美國普林斯頓大學(xué)的!Arrest研究組利用小分子材料和C6tl， 降低了對光伏效應(yīng)性能影響較大的串聯(lián)電阻，但是較短的三重態(tài)壽命影響光生激子的擴(kuò)散長度，以至于影響了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2006年，中科院長春光機(jī)所李文連課題組設(shè)計制備了基于單核Cu (I)配合物三線態(tài)材料的有機(jī)紫外光伏電池。但是迄今為止還沒有將 Cu (I)配合物三線態(tài)材料應(yīng)用到有機(jī)光伏電池中的相關(guān)報道。本申請中所涉及的Cu (I) 配合物三線態(tài)材料具有較長的三線態(tài)壽命，合成簡單。在有機(jī)光伏電池的設(shè)計中，將該材料適當(dāng)?shù)負(fù)诫s到電子給體材料中，可以有效的延長光生激子的壽命，即擴(kuò)大激子的擴(kuò)散長度， 從而有效的增加有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。該申請所涉及的有機(jī)光伏電池，與已申報的國家發(fā)明專利“一種新型的有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法”(申請?zhí)?00410089314. X)的區(qū)別在于不但整體電池結(jié)構(gòu)不同、 摻雜的電子給體材料不同，而且本申請所涉及的有機(jī)光伏電池未使用任何激子阻擋層。此外，上述在先申請所用的摻雜劑F4-TCNQ為小分子熒光材料，即單線態(tài)材料，而該類單線態(tài)材料的缺點(diǎn)在于光生激子的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本申請中的Cu (I)配合物三線態(tài)材料，因此本申請中新型Cu (I)配合物三線態(tài)材料的使用，對改進(jìn)有機(jī)光伏電池的性能具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中無機(jī)太陽能電池制備工藝復(fù)雜、成本高、不適合應(yīng)用于大面積和柔性襯底電池，以及有機(jī)太陽能電池的光生激子擴(kuò)散長度較短等問題，本發(fā)明的目的旨在把一種具有較長三線態(tài)壽命的Cu (I)配合物三線態(tài)材料應(yīng)用在有機(jī)光伏電池中，延長激子擴(kuò)散長度，其合成方法簡單，電池易于制備。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，該有機(jī)光伏電池的結(jié)構(gòu)依次是ΙΤ0導(dǎo)電玻璃1、電子給體2、給體-摻雜劑混合層3、電子受體層4、陰極5，見附圖2。本發(fā)明特點(diǎn)是利用真空鍍膜技術(shù)，在ITO導(dǎo)電玻璃上真空熱沉積電子給體材料(CuPc)，然后接續(xù)沉積電子給體-摻雜劑混合層、電子受體層(C60)、最后是Al陰極材料。電子給體材料的厚度15 20 nm, Cu (I)配合物與電子給體材料的混合層厚度為5 nm,Cu (I)配合物的厚度是35、0 nm，Al厚度是100 150 nm。所述的Cu (I)配合物三線態(tài)材料，其合成方法為將一價銅鹽[Cu (CH3CN)4] BF4,含磷配體二(2-二苯基膦基)苯基醚(DPEphos)以物質(zhì)的量比為1 1混合，以二氯甲烷等有機(jī)溶劑為溶劑，常溫攪拌一定時間后，向該反應(yīng)液中加入同物質(zhì)的量的含氮配體 4，5，9，16-tetraaza-dibenzo [a, c]naphthacene (BDI3Z),繼續(xù)反應(yīng)一段時間。將最后的溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到紅褐色粉末即為目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
UCu (I)配合物長壽命三線態(tài)材料
本發(fā)明采用的是價格低廉、合成方法簡單的單核Cu (I)配合物，該Cu (I)配合物具有較長的三線態(tài)壽命由一 355 nm NdiYAG 3倍頻泵浦的激光器激發(fā)，脈沖寬度3 ns。發(fā)射光通過TR550雙光柵單色儀分光和R955光電倍增管以及162信號平均器測量獲得，數(shù)據(jù)按單指數(shù)衰減擬合，三線態(tài)壽命為70. 05 ms。2、有機(jī)光伏電池
本發(fā)明采用的電池結(jié)構(gòu)是“三明治”式的結(jié)構(gòu)，所有功能層材料均是采用真空熱蒸鍍成膜，電池制備方法較無機(jī)太陽能電池的制備方法簡單，且易操作。3、有機(jī)光伏電池對紫外-可見光的吸收
本發(fā)明所述的有機(jī)光伏電池對200-800 nm紫外-可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收，幾乎覆蓋整個紫外-可見光區(qū)。


圖1是本發(fā)明所用Cu (I)配合物三線態(tài)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。圖2是本發(fā)明有機(jī)光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。在附圖2中ΙΤ0導(dǎo)電玻璃1、電子給體層2、電子給體和摻雜劑混合層3、電子受體層4、陰極5。本發(fā)明的有機(jī)光伏電池中包括ITO導(dǎo)電玻璃1、電子給體層2、電子給體和摻雜劑混合層3、電子受體層4、陰極5。ITO導(dǎo)電玻璃1選用的是ITO玻璃透明導(dǎo)電膜；電子給體層2選用CuPc電子給體材料，厚度為15 20 nm ；電子給體和摻雜劑的混合層3中的材料為CuPc與Cu (I)配合物，厚度為5 nm;電子受體層4選用C60，厚度是35、0 nm ；陰極5選用的是Al材料，厚度是10(T150 nm。照射光源選用的是AM 1.5 G光強(qiáng)為100 mW/cm2的太陽能模擬器，從電池的透明導(dǎo)電膜一側(cè)照射，外電路采用KEITHLEY^Ol檢測光照射時產(chǎn)生的電信號。Cu (I)配合物三線態(tài)材料的合成方法為將一價銅鹽[Cu (CH3CN) 4]BF4、含磷配體二(2-二苯基膦基)苯基醚(DPEphos)以物質(zhì)的量比為1:1混合，以二氯甲烷等有機(jī)溶劑為溶劑，常溫攪拌一定時間后，向該反應(yīng)液中加入同物質(zhì)的量的含氮配體 4，5，9，16-tetraaza-dibenzo [a, c]naphthacene (BDI3Z),繼續(xù)反應(yīng)一段時間。將最后的溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到紅褐色粉末即為目標(biāo)產(chǎn)物。實(shí)施例1選用圖2所示的電池結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，首先在ITO導(dǎo)電玻璃上真空沉積厚度為 15^20 nm的電子給體層CuPc ；然后在電子給體層2上沉積速率比為100 1的電子給體CuPc 和Cu (I)配合物的混合層3，厚度為5 nm，再在混合層3上沉積電子受體層4，厚度是40 nm;最后是陰極，采用金屬Al材料，厚度120 nm。上述所有薄膜都采用真空鍍膜工藝沉積。 薄膜的厚度使用膜厚監(jiān)控儀器監(jiān)測，外電路采用KEITHLEY^Ol檢測。效果用光強(qiáng)為100 mff/cm2的太陽能模擬器照射下，得到的電流密度為5. 57 mA/ cm2，開路電壓為0. 385 V，填充因子為0. 384，光電轉(zhuǎn)換效率為0. 833 %。實(shí)施例2
在實(shí)施例1基礎(chǔ)上，在ITO導(dǎo)電玻璃上真空沉積厚度為15 20 nm的電子給體層CuPc， 然后在電子給體層2上沉積重量比為100:3的電子給體CuPc和Cu(I)配合物的混合層3， 厚度為5 nm，其他制作條件不變。效果用光強(qiáng)為100 mW/cm2的太陽能模擬器照射下，得到的電流密度為6. 213 mA/ cm2，開路電壓為0. 390 V，填充因子為0. 379，光電轉(zhuǎn)換效率為0. 920 %
實(shí)施例3
在實(shí)施例1基礎(chǔ)上，在ITO導(dǎo)電玻璃上真空沉積厚度為15 20 nm的電子給體層CuPc， 然后在電子給體層2上沉積重量比為100:5的電子給體CuPc和Cu (I)配合物的混合層3， 厚度為5 nm，其他制作條件不變。效果用光強(qiáng)為100 mW/cm2的太陽能模擬器照射下，得到的電流密度為3. 157 mA/ cm2，開路電壓為0. 457 V，填充因子為0. 374，光電轉(zhuǎn)換效率為0. 538 %。
權(quán)利要求
1.一種基于Cu (I)配合物三線態(tài)材料的有機(jī)光伏電池，該有機(jī)光伏電池包括ITO導(dǎo)電玻璃(1)、真空沉積在ITO導(dǎo)電玻璃(1)上面的電子給體層(2)、真空沉積在電子給體層 (2)上面的混合層(3)、電子受體層(4)、陰極(5)，其特征在于所述的混合層(3)是電子給體CuPc和Cu (I)配合物的混合層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Cu(I)配合物三線態(tài)材料的有機(jī)光伏電池，其特征在于所述的電子給體層(2)是用酞菁配合物CuPc材料，厚度為15 20 nm;電子給體CuPc 和Cu (I)配合物的混合層(3)是用CuPc與Cu (I)配合物共蒸得到的，濃度為3%，厚度為 5 nm;電子受體層(4)是用C60，厚度為35 40 nm ；陰極(5)材料是Al，厚度是100 150 nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Cu(I)配合物三線態(tài)材料的有機(jī)光伏電池，其特征在于所述的Cu (I)配合物三線態(tài)材料的結(jié)構(gòu)式是[Cu (DPEphos) (BDPz)IBF4,
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的一種基于Cu (I)配合物三線態(tài)材料的有機(jī)光伏電池，其特征在于所述的Cu (I)配合物三線態(tài)材料，其合成方法為將一價銅鹽[Cu (CH3CN) J BF4,含磷配體二(2-二苯基膦基)苯基醚(DPEphos)以物質(zhì)的量比為1 1混合，以二氯甲烷等有機(jī)溶劑為溶劑，常溫攪拌一定時間后，向該反應(yīng)液中加入同物質(zhì)的量的含氮配體 4，5，9，16-tetraaza-dibenzo[a, c]naphthacene (BDI3Z),繼續(xù)反應(yīng)一段時間，將最后的溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到紅褐色粉末即為目標(biāo)產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明屬于有機(jī)光伏電池的材料和器件領(lǐng)域，具體的說涉及一種具有長的三線態(tài)壽命的Cu(I)配合物磷光材料作為摻雜劑成分的有機(jī)光伏電池。該有機(jī)光伏電池包括ITO導(dǎo)電玻璃(1)、真空沉積在ITO導(dǎo)電玻璃(1)上面的電子給體層(2)、真空沉積在電子給體層(2)上面的混合層(3)、電子受體層(4)、陰極(5)，所述的混合層(3)是電子給體CuPc和Cu(I)配合物的混合層。本發(fā)明延長激子擴(kuò)散長度，其合成方法簡單，電池易于制備。
文檔編號H01L51/42GK102544371SQ20101057509
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者劉春波, 徐占林, 李文連, 李秀穎, 蘇斌, 車廣波, 高林 申請人:吉林師范大學(xué)