專利名稱：利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)₂作為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)太陽能電池的材料和器件領(lǐng)域，具體是涉及一種利用熒光電子傳輸材料Zn (BTZ) 2作為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池。
背景技術(shù)：
當(dāng)今能源問題受到世界各國的高度關(guān)注。太陽能占地球總能量的99%，是地球上存量最多的能源資源。太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可以通過光伏發(fā)電和光熱發(fā)電方式進(jìn)行。與傳統(tǒng)的無機(jī)光伏電池相比，有機(jī)太陽能電池制備工藝簡(jiǎn)單，具有制造面積大、廉價(jià)、簡(jiǎn)易、柔性等優(yōu)點(diǎn)[1_3]。1986年Tang報(bào)道了單一給受體異質(zhì)節(jié)有機(jī)光伏電池，光電轉(zhuǎn)換效率為0.95%[4]。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(duì)有機(jī)光伏電池的深入研究[5_9]。有機(jī)太陽能電池基本工作原理為:光從透明電極照到電子給受體材料上；產(chǎn)生光生激子(即束縛的電子空穴對(duì))；激子在濃度梯度的作用下開始向電子給受體界面?zhèn)鬏?，在界面處形成孿生電子空穴對(duì)；隨后在Offset (即給受體的LUMO的差值)的作用下解離成自由移動(dòng)的載流子，由于陰極和陽極存在功函數(shù)差，在這個(gè)作用下電子和空穴分別傳輸?shù)讲煌碾姌O，形成電流[1°’11]。所以有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率是由四個(gè)效率共同決定:光吸收效率；激子擴(kuò)散效率；激子·解離效率；載流子收集效率[12]。本專利中以Zn (BTZ)2S陰極緩沖層材料，其厚度的增加不會(huì)提高光吸收效率；激子擴(kuò)散效率只與給受體材料有關(guān)；激子解離效率由解離界面決定，故在本專利中對(duì)器件效率起主要作用的為載流子收集效率。陰極緩沖層有四個(gè)主要作用:阻擋激子，減少激子在陰極猝滅(也稱為激子阻擋層;光學(xué)間隔層:用來調(diào)節(jié)光場(chǎng)[14];鈍化層:保護(hù)受體[15];載流子傳輸層:傳輸載流子[16]。使用陰極緩沖層可以改善載流子傳輸和收集效率，從而提高電池能量轉(zhuǎn)換效率。目前陰極緩沖層大致分為三種類型:蒸鍍陰極對(duì)材料造成缺陷態(tài)，解離出的自由電子在缺陷態(tài)中跳躍被陰極收集[17];材料HOMO相對(duì)較高，電子與注入空穴復(fù)合形成電池_ ;材料LUMO較深，降低收集勢(shì)壘_。傳統(tǒng)器件通常使用BCP作為陰極緩沖層[17]。雖然BCP可以改善器件效率，但由于其本身寬帯隙及電阻的影響使得器件效率僅為1%左右JPiBCP容易結(jié)晶，玻璃化溫度較低，器件的壽命也較低[2°]。Zn(BTZ)2通常用于制備白光0LED[21]，但是迄今為止還沒有將其應(yīng)用于小分子有機(jī)太陽能電池中的相關(guān)報(bào)道。本申請(qǐng)中所涉及的Zn(BTZ)2具有較高的電子遷移率@23]，較好的成膜性與穩(wěn)定性，且HOMO能級(jí)高于電子受體的HOMO能級(jí)，在電子給體/電子受體平面異質(zhì)結(jié)處解離出的電子易與陰極注入的空穴進(jìn)行復(fù)合，從而改善器件的能量轉(zhuǎn)換效率及壽命。該申請(qǐng)所涉及的有機(jī)太陽能電池，與普林斯頓大學(xué)理事會(huì)及南加利福尼亞大學(xué)的B.P.蘭德、S.R.弗萊斯特、M.E.湯普森等人已申報(bào)的國家發(fā)明專利“具有相反載流子激子阻擋層的有機(jī)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光伏電池”(申請(qǐng)?zhí)?200680027818)的區(qū)別在于激子阻擋層不同，并且金屬陰極材料也不同。本申請(qǐng)所用的陰極緩沖層即激子阻擋層材料為電子傳輸材料且為熒光材料，陰極為金屬鋁電極。B.P.蘭德、S.R.弗萊斯特、M.E.湯普森等人使用的是磷光材料Ru(acac)3，此材料為空穴傳輸材料，陰極為金屬銀電極。此磷光材料僅可以利用HOMO優(yōu)勢(shì)來傳遞載流子。金屬釕為貴金屬，儲(chǔ)量有限，這就使得器件制作成本變高。本申請(qǐng)使用的是無毒、合成簡(jiǎn)單、儲(chǔ)量較為豐富、價(jià)格相對(duì)便宜的金屬鋅配合物，大大降低器件制作成本。此材料在厚度不同時(shí)，作用機(jī)理也不同，其卓越的電子傳輸性能和高質(zhì)量的薄膜表面形態(tài)，可有效提高有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率和壽命。
權(quán)利要求
1.一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)Jt為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池，電池的結(jié)構(gòu)依次是=ITO陽極、電子給體層、電子受體層、陰極緩沖層、陰極，其特征在于:陰極緩沖層材料是Zn (BTZ) 2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于電子給體層可用酞菁類配合物如酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鉛等，厚度 15 20 nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于電子受體層材料是用C6tl或者它的衍生物，厚度為35 40 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于有機(jī)太陽能電池的陰極緩沖層的厚度為3 20 nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2緩沖層的有機(jī)太陽能電池，其特征在于Al作為陰極`，``厚度10(Tl50 nm。
全文摘要
本發(fā)明屬有機(jī)光電器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用熒光電子傳輸材料Zn(BTZ)2作為陰極緩沖層的有機(jī)太陽能電池。該有機(jī)太陽能電池的特點(diǎn)是采用Zn(BTZ)2為有機(jī)太陽能電池的陰極緩沖層。在緩沖層厚度較小時(shí)，由于蒸鍍金屬陰極對(duì)其造成的損害，電子可由缺陷態(tài)被陰極收集。加之此材料具有高的電子遷移率、良好的熱穩(wěn)定性及薄膜表面形態(tài)，使電池的光伏性能優(yōu)于傳統(tǒng)利用2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉(Bathocuproine，BCP)作為陰極緩沖層的電池性能。在緩沖層Zn(BTZ)2厚度較大時(shí)，因其最高占據(jù)分子軌道(HighestOccupiedMolecularOrbital,HOMO)能級(jí)高于受體的HOMO能級(jí)，故有利于CuPc/C60平面異質(zhì)結(jié)處解離出的電子與陰極注入的空穴進(jìn)行復(fù)合，從而改善電池的能量轉(zhuǎn)換效率。照射光源選用的是AM1.5G光強(qiáng)為100mW/cm2的太陽能模擬器，各有機(jī)層均采用真空升華沉積有機(jī)膜的方法制備，本發(fā)明可大幅度提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L51/44GK103247760SQ201210029619
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者劉春波, 劉洋, 徐占林, 蘇斌, 車廣波 申請(qǐng)人:吉林師范大學(xué)