[发明专利]具有电子传输层的高效有机光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种光伏电池。

背景技术

随着全球能源需求的逐年增加，石油、煤炭等一次性能源的日渐枯竭，人们对风能、太阳能等可再生资源投入了更多的关注和研究，其中基于光伏效应的光伏电池是其中的热点之一。

目前，市场上成熟的太阳电池主要为基于单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟以及多晶膜化合物半导体等无机光伏电池，其中，多晶硅和非晶硅光伏电池在民用光伏电池市场上占主导地位。经过五十余年的发展，无机单晶硅太阳电池的光电转换效率已经由发明之初的6％，提高到目前的最高效率可达30％以上，但是由于无机半导体太阳电池对材料纯度的要求非常高，且价格昂贵，因此其应用受到很大限制。

1986年，美国柯达公司首次在同一器件中引入给体和受体材料，形成异质结电池转换效率达到1％，标志着有机半导体制备的光伏器件取得突破。1992年Sariciftci等在对MEH-PPV/C₆₀复合体系的研究中发现二者在基态没有相互作用，但是C₆₀对MEH-PPV的荧光却有很强的猝灭作用，并提出体系中存在光诱导电子转移过。人们对不同的复合体系进行深入研究，证明了光诱导电子转移的存在。这一过程在几个皮秒内完成，可以有效地阻止光激发产生的电子和空穴再发生复合。光诱导电荷快速能量转移现象的发现是聚合物太阳电池理论方面的重大突破，为聚合物太阳电池效率的提高提供了理论支持。

1995年俞钢等人通过将电子给体材料与受体材料共混，制得共轭聚合物MEH-PPV和碳60互穿网络结构的太阳电池，其能量转换效率达到2.9％。在这种体系中，电子给体材料与受体材料形成双连续的互穿网络状结构，这种结构大大增大了二者界面面积，使异质结更加分散，这种将异质结结构分散到整个活性层的结构，实际上将整个活性层变为一个大的本体异质结，从而在活性层中的任何位置均可产生电荷。只要各相材料形成从二者界面到各自电极的连续通道，那么，由光子到电子的转换效率可以得到很大的提高。这就是人们常说的光伏电池。

体异质结概念产生克服了单层、双层/多层器件的结构缺陷。由于电子给体与电子受体各自形成网络状连续相，光诱导所产生的电子与空穴分别在各自的相中输运并在相应的电极上被收集，光生载流子在到达相应的电极前被重新复合的几率大大降低，从而提高了光电流。这样，体异质结结构就能大幅度的提高光电能量转换效率。如今，体异质结概念已广泛用于基于聚合物的太阳电池，能量转换效率已能达到5％以上，其具有诱人的发展方向。另外，目前有机太阳电池的开路电压一般只能达到0.60～0.80eV左右，尚不能达到大规模生产的要求。因此，人们进行了大量的实验来寻找能量转换效率更高的活性层材料以及开路电压更高的电子传输层材料，期望得到器件性能更高的有机光伏电池。

发明内容

本发明公开了一种具有电子传输层的高效有机光伏电池，其同时具有较高的能量转换效率和开路电压，从而具有良好的器件性能。

本发明的包括电子传输层的光伏电池包括依次层叠的衬底、阳极、活性层、

电子传输层和阴极，其中，

活性层包括层叠而成的电子给体材料和电子受体材料，其中电子给体材料为通式（VI）表示的有机化合物，电子受体材料为碳60及其衍生物或者碳70及其衍生物，

其中，-A-B-表示亚苯基；

P和Q独立地表示：化学键、或者没有取代基或有一个或多个取代基的(C₆-C₃₀)亚芳基，所述取代基选自没有卤素取代基或有卤素取代基的直链或支链的和饱和或不饱和的(C₁-C₃₀)烷基、(C₆-C₃₀)芳基和卤素；

R₁表示氢,(C₆-C₃₀)芳基；

R₂、R₃和R₄独立地表示直链或支链的和饱和或不饱和的(C₁-C₃₀)烷基、或(C₆-C₃₀)芳基；

R₁₁至R₁₈独立地表示氢、直链或支链的和饱和或不饱和的(C₁-C₃₀)烷基、或(C₆-C₃₀)芳基；