[发明专利]一种倒置有机光伏电池及其制备方法

说明书

本发明涉及有机光电子器件制造技术领域，特别是一种倒置有机光伏电池器件结构的设计及其制备方法，主要解决倒置有机光伏电池阴极简单修饰的问题。提出使用金属纳米收集层和激子阻挡层结构解决倒置有机光伏电池电子收集效率低下的问题，显著提高电子收集效率，避免非辐射跃迁损失，提高器件的开路电压、短路电流、填充因子，最终大幅提高有机光伏电池的能量转换效率。该方法制备工艺简单，成本低廉，避免了复杂的化学工程和溶剂工程，可以大幅降低有机光伏电池的制备成本。

技术领域

本发明涉及有机光电子器件制造技术领域，特别是一种高效率倒置有机光伏电池及其制备方法。

背景技术

严峻的能源和环境危机促使着人类寻找可以替代传统石化燃料的新能源。其中，太阳能不但具有廉价、清洁等优点更是取之不尽用之不竭。有预测表明，未来100年太阳能将作为主要能源，成为解决能源短缺问题的最佳途径。经过多年的发展，无机光伏电池的能量效率已经突破了40％，并且已经实现了产业化。与无机光伏电池相比，有机光伏电池因为一系列优势，引起了科研领域的兴趣和重视。具体说来，有机光伏电池的优点包括以下方面：1、原材料选择种类多：可以选择的有机材料的种类数目繁多，包括多种有机小分子、聚合物、金属有机配合物等。而且可以通过分子水平上对有机材料进行结构改进，实现有机材料的特定功能。2、有机材料的光吸收能力强，器件可以做的很薄，减少了对材料的消耗。3、有机器件的制备工艺简单，易于通过旋涂、热蒸发、丝网印刷等方法实现大面积的生产。4、容易实现柔性器件。由于有机光伏电池众多的优点，它的出现为人类清洁、安全、廉价地利用环境友好的太阳能带来了希望。但是与无机光伏电池相比，目前无论是能量转换效率方面还是器件寿命方面，有机光伏电池仍有巨大的差距。为了实现有机太阳能电池的商业应用，必须进一步提高有机光伏电池的性能。

传统的有机光伏电池器件结构采用ITO、FTO等透明导电薄膜作为器件的阳极，诸如Al、Ag等低功函数的金属材料作为阴极。由于Al、Ag等低功函数的金属材料化学性质活泼，在空气条件下容易被氧化，引起电极功函数的升高，造成电子收集性能的下降，影响器件的寿命。在有机聚合物电池中常用的阳极修饰层PEDOT:PSS具有很强的酸性，会造成ITO、FTO阳极的腐蚀，从而降低器件的效率和寿命。由于倒置结构光伏电池中低功函数金属作为阳极，电极氧化造成功函数的升高反而有助于空穴的收集。同时在倒置有机光伏电池也可以避免酸性PEDOT:PSS阳极修饰层的使用。因此采用倒置结构大幅提高有机光伏电池的器件寿命。倒置结构有机光伏器件通常使用传统的玻璃或者柔性衬底上制备的ITO作为阴极。由于ITO的功函数较高(未处理的ITO功函数4.5eV左右)，当用作阴极时，较高的功函数造成器件电子收集能级势垒较大，不利于电子收集，降低了器件的短路电流、开路电压和填充因子，最终导致器件性能低下。有一些办法可以用来改善这一问题。例如可以在ITO上生长一层无机氧化物电子注入层，例如TiO₂、ZnO等。但是这类金属氧化物的生长流程复杂，制备过程中需要经过高温、溶液、化学合成等过程。这一方面与柔性基底并不兼容，另一方面增加了工艺的复杂性，提高了器件的制作成本。本发明就是要提供一种倒置有机光伏电池中阴极简单修饰的方法，获得低成本、高效率、长寿命的倒置有机光伏电池。

发明内容

本发明提出了一种倒置有机光伏电池器件结构及其制备工艺,解决倒置有机光伏电池中阴极简单修饰的问题，获得低成本、高效率、长寿命的倒置有机光伏器件。

器件结构包括阴极基底、在阴极基底上沉积的纳米收集层，在纳米收集层上沉积的激子阻挡层，在激子阻挡层上沉积的光捕获层、在光捕获层上沉积的空穴收集层，以及在空穴收集层上沉积的阳极所组成。

进一步的，所述的阴极基底为ITO、FTO、AZO中的一种，其厚度在100-200nm。

进一步的，所述的纳米收集层为Ag纳米颗粒，厚度在0.25-2nm。

进一步的，所述的激子阻挡层为有机材料BAlQ3、BCP、Bphen、Alq3、TAZ、TPBI中的一种，厚度在2-10nm。