[发明专利]利用荧光电子传输材料Zn(BTZ)2作为阴极缓冲层的有机太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池的材料和器件领域，具体是涉及一种利用荧光电子传输材料Zn(BTZ)₂作为阴极缓冲层的有机太阳能电池。

背景技术

当今能源问题受到世界各国的高度关注。太阳能占地球总能量的99%，是地球上存量最多的能源资源。太阳能转化为电能，可以通过光伏发电和光热发电方式进行。与传统的无机光伏电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点^[1-3]。1986年Tang报道了单一给受体异质节有机光伏电池，光电转换效率为0.95%^[4]。因其具有潜在的广阔应用前景，此后学术界和企业界便展开了对有机光伏电池的深入研究^[5-9]。有机太阳能电池基本工作原理为：光从透明电极照到电子给受体材料上；产生光生激子(即束缚的电子空穴对)；激子在浓度梯度的作用下开始向电子给受体界面传输，在界面处形成孪生电子空穴对；随后在Offset(即给受体的LUMO的差值)的作用下解离成自由移动的载流子，由于阴极和阳极存在功函数差，在这个作用下电子和空穴分别传输到不同的电极，形成电流^[10,11]。所以有机太阳能电池的能量转换效率是由四个效率共同决定：光吸收效率；激子扩散效率；激子解离效率；载流子收集效率^[12]。本专利中以Zn(BTZ)₂为阴极缓冲层材料，其厚度的增加不会提高光吸收效率；激子扩散效率只与给受体材料有关；激子解离效率由解离界面决定，故在本专利中对器件效率起主要作用的为载流子收集效率。阴极缓冲层有四个主要作用：阻挡激子，减少激子在阴极猝灭(也称为激子阻挡层)^[13]；光学间隔层：用来调节光场^[14]；钝化层：保护受体^[15]；载流子传输层：传输载流子^[16]。使用阴极缓冲层可以改善载流子传输和收集效率，从而提高电池能量转换效率。目前阴极缓冲层大致分为三种类型：蒸镀阴极对材料造成缺陷态，解离出的自由电子在缺陷态中跳跃被阴极收集^[17]；材料HOMO相对较高，电子与注入空穴复合形成电池^[18]；材料LUMO较深，降低收集势垒^[19]。传统器件通常使用BCP作为阴极缓冲层^[17]。虽然BCP可以改善器件效率，但由于其本身宽帯隙及电阻的影响使得器件效率仅为1%左右；加上BCP容易结晶，玻璃化温度较低，器件的寿命也较低^[20]。Zn(BTZ)₂通常用于制备白光OLED^[21]，但是迄今为止还没有将其应用于小分子有机太阳能电池中的相关报道。本申请中所涉及的Zn(BTZ)₂具有较高的电子迁移率^[22,23]，较好的成膜性与稳定性，且HOMO能级高于电子受体的HOMO能级，在电子给体/电子受体平面异质结处解离出的电子易与阴极注入的空穴进行复合，从而改善器件的能量转换效率及寿命。

该申请所涉及的有机太阳能电池，与普林斯顿大学理事会及南加利福尼亚大学的B·P·兰德、S·R·弗莱斯特、M·E·汤普森等人已申报的国家发明专利“具有相反载流子激子阻挡层的有机双异质结构的光伏电池”(申请号：200680027818)的区别在于激子阻挡层不同，并且金属阴极材料也不同。本申请所用的阴极缓冲层即激子阻挡层材料为电子传输材料且为荧光材料，阴极为金属铝电极。B·P·兰德、S·R·弗莱斯特、M·E·汤普森等人使用的是磷光材料Ru(acac)₃，此材料为空穴传输材料，阴极为金属银电极。此磷光材料仅可以利用HOMO优势来传递载流子。金属钌为贵金属，储量有限，这就使得器件制作成本变高。本申请使用的是无毒、合成简单、储量较为丰富、价格相对便宜的金属锌配合物，大大降低器件制作成本。此材料在厚度不同时，作用机理也不同，其卓越的电子传输性能和高质量的薄膜表面形态，可有效提高有机太阳能电池的能量转换效率和寿命。

发明内容

为了解决背景技术中无机太阳能电池制备工艺复杂、成本高、不适合应用于大面积和柔性衬底、有机太阳能电池低的能量转换效率及低寿命等问题。本发明的目的是把一种具有较高电子迁移率及其HOMO能级高于受体的HOMO能级的荧光电子传输材料Zn(BTZ)₂应用在有机太阳能电池中，提高器件能量转换效率及寿命，器件易于制备。