[发明专利]有机化合物以及使用其的太阳能电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于在2012年3月28日提交的在先日本专利申请第2012-074491号并要求其优先权，其全部内容援引加入本文。

技术领域

本发明的实施方案涉及有机化合物以及使用其的太阳能电池装置。

背景技术

有机薄膜太阳能电池可以通过非真空法生产，从而具有以低成本通过诸如印刷的简单涂布法大规模生产的优点，这与诸如硅太阳能电池的基于无机材料的太阳能电池以及例如CIGS型化合物半导体太阳能电池相反。而且，由于为薄膜形式，其可以用作树脂等挠性基材上的装置。另外，还由于其重量轻，因而可以利用其挠性而将其设计为具有高度的自由度。由于所述优势，有机薄膜太阳能电池被期望是下一代太阳能电池。然而，目前，其转换效率和工作寿命相比于传统太阳能电池差，因此有必要开发新装置结构和/或材料。

在开发的早期阶段，实验性生产的有机薄膜太阳能电池是pn-异质结(平面异质结)型有机半导体，包含p-和n-型有机半导体。然而，由于其中的激子扩散长度(exciton diffusion length)短至约十纳米，因而生产的载体仅仅在pn-结界面到若干打纳米的深度的区域范围中，因此其具有非常低的转换效率。

为了改善上述太阳能电池的转换效率，开发了本体异质结(BHJ)技术，其中将p-和n-型有机半导体混合，以使纳米级的pn-结界面可以在整个薄膜中分散。所述技术被认为是一个突破，给予转换效率显著的改善。图1显示本体异质结型太阳能电池的示意性截面图，其包含基材10、阳极11、空穴输送层14、活性层(光电转换层)13、电子输送层15、和阴极12。另外，图2显示概念图，用于解释本体异质结型太阳能电池的工作原理。

在有机薄膜太阳能电池中，光电转换过程经历下列步骤：

(1)通过有机分子进行光吸收和产生激子，

(2)激子的迁移和扩散，

(3)激子的电荷分离，以及

(4)向两个电极输送电荷。

在步骤(1)中，p-和n-型有机半导体吸收光，从而产生激子20。所述步骤中的生产效率在以下表示为“η1”。随后在步骤(2)中，产生的激子通过扩散迁移到D/A异质结界面。所述步骤中的扩散效率在以下表示为“η2”。由于具有一定寿命，激子仅可以迁移与扩散长度等长的距离。在随后的步骤(3)中，到达pn-异质结界面的激子随后分离为电子21和空穴22(即，自由载体)。所述步骤中的分离效率在以下表示为“η3”。最后，在步骤(4)中，自由载体通过p-或n-型有机半导体材料单独输送至电极，而后引入到外部电路。所述步骤中的输送效率在以下表示为“η4”。

因此，基于施加的光子的载体的外部提取效率η_IQE可以表示为式：η_IQE=η1·η2·η3·η4。所述值相应于太阳能电池的量子效率。

因此，为了增加有机薄膜太阳能电池的光电转换效率，有必要对步骤(1)-(4)的每一步进行改进。

具体而言，在步骤(1)中，活性层需要尽可能有效率地吸收入射光子，优选以100%的比率。

在步骤(2)和(3)中，有机半导体材料需要增强载体的移动性，以确保pn-结。

而且，在步骤(4)中，需要形成这样的引导到电极的载体通路，以使到每个电极的距离可以缩短，还需要降低作为阱的缺陷。如果可以满足这些需求，那么光电转换效率可以改善。

因此，如果生产的有机薄膜太阳能电池能够满足上述需求，那么可以实现高效的装置。然而，只要生产基于实际可用的材料和成膜法，那么所述需求就难以充分满足。例如，目前在活性层中采用的有机p-型半导体聚合物具有如此窄的吸收谱宽，以至于其仅仅吸收特别小波长范围内的光。这在目前是改善有机薄膜太阳能电池效率的大阻碍。

附图概述

图1显示依据本发明的实施方案的有机薄膜太阳能电池的示意性截面图。

图2显示用于解释太阳能电池的工作原理的概念图。

详细描述

现在将参考附图解释实施方案。

依据本发明的实施方案的有机化合物具有聚合物结构，所述聚合物结构包含由式(I)表示的重复单元：

-[A-D]-     (I)

其中

A是由下式表示的结构：

D是选自以下结构的结构：