[发明专利]采用气溶胶喷射印刷制造有机光伏电池的光活性层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用气溶胶喷射印刷工艺制造有机光伏电池(organicphotovoltaic cell)的光活性层的方法。

背景技术

虽然普通无机半导体材料的性能良好并且可靠，但是，因为有机半导体材料能够实现简单的制造过程，能够节约器件制造成本，并且便于通过对有机物质进行简单结构改变来开发出具有优异性能的材料，因此普通无机半导体材料正在被有机半导体材料所替代。

有机半导体材料的技术应用的示例包括有机光伏电池。

光伏电池基本上由半导体层和电极构成。当外部光入射到光伏电池上时，在半导体层中产生电子和空穴，并且这些电荷分别朝着相应的极(pole)P和N运动，因此在极P和N之间产生电位差。此时，负载被连接至光伏电池使电流流动，从而产生电。

当将有机半导体材料应用于光伏电池时，有利的是，代替普通的在高真空下溅射的方法，可以采用例如旋转涂敷等溶液方法来容易地制造该器件。

在1995年，Fred Wudl的团队报道了{6}-1-(3-(甲氧基羰基)丙基)-{5}-1-苯基[5.6]C61，该物质为被称为PCBM的亚甲基富勒烯衍生物(J.org.Chem.，1995，60，532)。

可以通过将PCBM与诸如MEH-PPV、MDMO-PPV和P3HT等供体聚合物混合来将PCBM用于有机光伏电池。最初，为了制造出该器件，按照以大约1∶3的比例与PPV衍生物混合的方式使用PCBM。根据近来的报道，将PCBM与P3HT混合来制造器件，然后将器件在高温下热处理，或者在制造薄的有机膜时控制溶剂的蒸发速度，从而得到具有4％以上的高的能量转换效率的光伏器件。

但是，采用这种后处理难以确保可再现性。在该器件受到高温的情况下，有机膜的结构改变，从而对效率或其它器件性能造成负面影响。

另外，采用有机半导体材料在有机光伏器件中形成活性层的工艺的典型示例包括旋转涂敷、丝网印刷和喷墨印刷，从而能够容易地形成具有较大面积的层。

美国Arizona大学的G.E.Jabbour教授领导的研究组在2001年报道了一种有机光伏器件，它是通过采用MDMO-PPV:PCBM的混合物利用丝网印刷制造的，并且在27mW/cm²的488nm单色激光下具有4.3％的能量转换效率，但这种方式的问题在于仅在单色激光下能获得上述效率，而采用AM 1.5G的实际光源导致效率非常低(Appl.Phys.Lett.，79，2996(2001))。

在2005年，日本的Matsushita有限公司通过用MDMO-PPV:PCBM进行丝网印刷制造出能量转换效率为1.8～2.4％的有机光伏器件(IEEEPhotovoltaic Specialists Conference，31st，125(2005))，并且还有在2007年F.C.Krebs的团队通过MDMO-PPV的旋转涂敷和C₆₀的真空蒸发制造出面积为655.2cm²的大面积柔性有机光伏电池，但是其能量转换效率为0.0002％，这被认为非常低。

在2007年12月的Adv.Mater.期刊中，C.J.Brabec报道了一种通过喷墨印刷形成薄的有机半导体膜而形成的能量转换效率为2.9％的有机光伏电池，但是该器件不够好，因为在采用喷墨印刷形成多层结构的情况下，会出现层间混合(Adv.Mater.19，3973-3978(2007))。

另外，气溶胶喷射印刷方法主要按照这样的方式应用：采用超声波或迅速喷射的载气使金属墨雾化，将它印刷在弯曲基板上，然后采用激光烧结，从而形成高导电性电线(美国专利No.7,270,844和No.7,294,366)。

根据诸如旋转涂敷或用于将液相墨水印刷在基板上的印刷方法等普通的溶液方法，在形成有机膜然后通过点滴在其上形成液相墨水层时，下面的有机膜会受到损坏，因而不可能实现多层的器件，另外，所得到的器件的性能比通过真空蒸发制造出的多层器件差。因此，为了解决上面的问题，本发明人已经采用了气溶胶喷射印刷，使在气溶胶喷射器中形成的尺寸为μm级以下的雾状墨水喷射到基板或有机膜表面上，由此实现具有多层结构的光活性层，同时下面的有机膜不会受到破坏，因此确信通过本发明方法制造出的包括光活性层的有机光伏电池的太阳能转换效率增大，由此完成了本发明。

发明内容

技术问题