[发明专利]多层有机薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明描述了多层有机薄膜太阳能电池，其包含彼此相邻层叠的阴极层、活性电子受体层、活性电子供体层、导电阳极层和基板层，以及用于制造多层有机薄膜太阳能电池的方法。

背景技术

由有机电子材料组成的有机太阳能电池方兴未艾，其具有提供廉价的光伏电的潜能。

基于半导电性有机小分子和聚合物的多层结构的激子太阳能电池已在很长时期内为人所熟知，并且认为其所具有的性质有望获得能够廉价地且大规模地转化太阳能的装置。这些装置通常由夹在电荷收集电极之间的电子供体和受体材料薄膜组成。在一个阴极层和另一个导电阳极层之间夹有至少两个具有不同电子亲和势和电离势的层。将具有最高电子亲和势和电离势的层称为受体层，将相邻层称为电子供体层。

在有机太阳能电池中将光转化为电流是一个四阶段的过程，如图5a和5b中描述的现有技术所示。光吸收导致形成束缚电子空穴对(激子)，其扩散至活性层之间的界面并在此被分成自由电荷载体。所述自由电荷载体通过漂流和扩散在阳极与阴极间移动，并被电极层以电流收集。

照射下，光子碰撞在有机半导体上形成激子。如果供体材料吸收光，则激子扩散至异质结界面，在此其可以通过从供体层的最低未占分子轨道(LUMO)至受体层的LUMO的电子转移分成电子和空穴(如图5b所示)。如果受体层吸收光，则通过相应HOMO能级间的电子转移来实现电荷分离。分离电荷的漂流和扩散导致阴极层和阳极层处的电荷收集。

由于开发了能够实现例如有机太阳能电池的丝网印刷、刮片(blading)和喷雾的柔性塑料电学材料，可以大规模进行有机太阳能电池的生产，从而降低生产成本。

此类有机太阳能电池的可能的工业应用是有望于进一步开发的前提。

如US4164431所公开的，近年采用的有机材料导致通过使用光导电性染料活性层来开发能量转化效率提高的太阳能电池。虽然所使用的有机材料层的吸收性质良好，但与基于传统半导体的太阳能电池相比，有机太阳能电池中实现的能量转化效率迄今仍不能满足要求。

如EP1998386中所公开的，能够通过将活性层分成多个供电子和受电子有机半导体膜堆叠体而提高能量转化效率和载体可运输性。这些膜非常薄，厚度为10nm或更低，以在激子分离后提供分离的电子和空穴的高运动性。由于受体层和活性层的不同薄膜的交互层叠的更复杂结构，生产采用交互层叠的太阳能电池较为困难。特别地，各薄膜的低厚度和p-型和n-型有机半导体膜的厚度差异导致制造过程变得更加困难和耗时。

由电极向有机半导体中的电荷注射很大程度上取决于活性层的HOMO或LUMO分子轨道的电极功函数和能级之间的能垒。该能垒通常通过选择具有合适功函数的电极材料而降低。化学掺杂是修饰界面的电子结构和增强跨异质结面的电荷转移的另一种方式。

根据WO9907028，引入两极有机单分子层作为太阳能电池的一个层可用于调整相邻层的能级。该两极有机单分子层还能够将空穴从导电阳极层转移至供体层，同时阻止电子向电极的反向转移。偶极距足以达到能级匹配的可应用分子仅有数个。此外，常常需要对表面进行功能化从而使极性分子的合适锚定基团被结合至表面和使极性有机单分子层定向(orients)。这些分子常常不得不溶解在极性有机溶剂中，而极性有机溶剂可在制造太阳能电池时影响层下方。另一个不足是所产生的层厚度的可能变化，进而可导致有机分子层具有难以实施的电学性质，例如绝缘分子层。

发明内容

本发明的目的是通过调整有机太阳能电池的相邻布置层的能级而产生具有改善的较高能量转化效率的多层有机太阳能电池。

在本发明的优选实施方式中，电子供体层和导电聚合物层之间电荷注入接触的改善导致较高的能量转化效率。

本发明的太阳能电池实现了这些目的，并且通过使用形成柔性多层有机太阳能电池的价廉且可商购的有机原材料可以以简单且快速的方式被制造。

本发明的另一个目的是提供具有改善的能量转化效率的太阳能电池的制造方法，该方法简单且应用快速。

附图说明

以下结合附图对本发明的优选的示例性实施方式进行描述。

图1显示了本发明的多层有机太阳能电池的一个实施方式的示意性截面图。

图2示意性地显示了放置在导电阳极层和活性层之间的带电界面双层的能量图，其中导致了HOMO和LUMO能级的弯曲和能级调整。

图3a示意性地显示了具有PEDOT:PSS和花青(cyanine)的太阳能电池的势能图，其中显示PEDOT:PSS和相邻花青层的HOMO能级的大的能量差异。