[发明专利]大面积有机光伏电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年6月25日提交的美国临时申请第61/664,058号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

关于联邦资助研究的陈述

本发明是用能源部授予的DE-EE0005310和空军科学研究办公室授予的FA-9550-10-1-0339下的政府资助进行的。政府在本发明中具有一定的权利。

联合研究协议

本公开的主题是由以下各方中的一个或多个、代表以下各方中的一个或多个和/或与以下各方中的一个或多个合作，按照大学-企业联合研究协议完成的：密歇根大学(University of Michigan)和全球光子能源公司(Global Photonic Energy Corporation)。该协议在做出本公开的主题之日和之前就已生效，并且正是由于在所述协议范围内采取的活动才做出的。

本公开内容总体涉及通过使用大面积的有机分子层，制造有机光伏(OPV)器件诸如太阳能电池的方法。

光敏光电器件将电磁辐射转换为电。太阳能电池是专门用来产生电能的一类光敏光电器件。

为了产生内生电场，常用的方法是并置两层材料，所述材料具有适当选择的传导性，特别是就其分子的量子能态分布方面进行适当选择的传导性。这两种材料的界面叫做光伏结。在传统的半导体理论中，用于形成PV结的材料一般被称为n-或p-型的。在这里n-型表示多数载流子的类型是电子。这可以看做是所述材料具有很多处于相对自由的能态的电子。p-型表示多数载流子的类型是空穴。这种材料具有很多处于相对自由的能态的空穴。背景的类型即非光生的大多数载流子浓度主要取决于缺陷或杂质的非故意掺杂。杂质的类型和浓度决定了处于导带最小和价带最大能量之间的带隙内的费米能或费米能级的值。费米能表征的是分子的量子能态的统计学占据情况，所述分子的量子能态由占据概率等于1/2时的能量值所表示。接近导带最小能量的费米能表示电子是主要载流子。接近价带最大能量的费米能表示空穴是主要载流子。因此，费米能是传统半导体的主要特征性能，并且原型PV结通常是p-n界面。

OPV器件由于它们的低成本太阳能转换的潜力是具有前景的可再生和绿色的能源。

当适合用于光器件的有机材料用适当的光照射时，光子被材料的分子组分吸收，结果是产生了分子组分的激发态：电子从分子的HOMO(最高占据分子轨道)状态跃迁到LUMO(最低未占据分子轨道)状态，或者空穴从LUMO状态跃迁到HOMO状态。从而产生了激子即电子-空穴对状态。这个激子状态具有电子和空穴再结合之前的自然寿命。为了产生光电流，电子-空穴对的组分必须分离。可以通过并置具有不同导电性能的两层材料来实现该分离。层之间的界面形成光电压异质结，它应该具有不对称导电特性，即，它应该能够优选在一个方向上支持电子的电荷传输。

已经引入了新的概念和方法以提高OPV器件的性能，和现有技术的OPV器件实现接近商业开发所需门槛的功率转换效率值。然而，基板(例如ITO涂布的玻璃)上的颗粒特别是在大面积的电池中可能会导致电极之间的电短路，电极之间的电短路减少产率。为了开发在商业上有吸引力的OPV模块，增大电池面积的同时保持高产率和性能是非常重要的。

在一个实施方式中，本公开内容提供了一种多层的太阳能器件，包括：基板；有源区，包括沉积在基板表面上的至少一种供体材料和至少一种受体材料，其中供体和受体材料包括有机分子，并且其中在沉积供体和受体材料之前将颗粒从基板表面上除去。

在另一个实施方式中，本公开内容提供了一种多层太阳能器件，包括：预清洗基板，具有基本上无颗粒的表面；和有源区，包括沉积在基板表面上的至少一种供体材料和至少一种受体材料，其中所述供体和受体材料包括有机分子。

在另一个实施方式中，本公开内容提供了一种多层太阳能器件，包括：预清洗基板，具有基本上无颗粒的表面；两个电极，成重叠的关系设置在该预清洗基板的表面上；和有源区，包括至少一种供体材料和至少一种受体材料，其中该供体和受体材料包括位于该两个电极之间的有机分子。

本公开内容的另一个实施方式涉及一种光伏器件的制造方法，包括：提供基板；通过使基板的表面暴露于至少一种化合物的流束来清洗所述基板的表面，该至少一种化合物包括选自超临界相、气相、固相和液相的一个或更多个相；然后在基板的表面上沉积有机有源层。