CN101997085A - 一种反型结构的有机小分子太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反型结构的有机小分子太阳能电池，涉及一种太阳能电池。该有机小分子太阳能电池包括：在ITO玻璃衬底(1)的导电层上依次制备阴极修饰层(2)，有机小分子电子受体薄膜(3)和电子给体薄膜(4)，阳极修饰层(5)和金属电极(6)。阴极修饰层(2)采用低功函数的金属材料，厚度为1～2纳米；有机小分子电子受体薄膜(3)的材料为C₆₀或C₇₀；电子给体薄膜(4)的材料为CuPc或Pentacene；阳极修饰层(5)的材料为MoO₃，厚度为8～10纳米。解决了现有的金属电极被污染的问题。

Description

一种反型结构的有机小分子太阳能电池

技术领域

本发明属于有机光电技术领域有机太阳能电池的构造，具体涉及一种新型有机小分子反型太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前人类仍然主要依赖化石燃料来获取所需要的能源，然而这面临两个不可回避的问题，化石燃料的不可再生性决定了化石燃料的不断耗尽，伴随化石燃料的燃烧释放的二氧化碳等气体引起的温室效应制约了人类社会经济的发展，严重恶化了人类的生存环境。开发环保的新能源刻不容缓。

太阳能作为一种取之不尽的绿色能源，备受青睐，成为人们研究新能源的一个重要方向。太阳能电池是一种将太阳辐射的能量转换为电能的器件。目前硅太阳能电池的能量转换效率已经达到24%，但是其生产工艺复杂，生产成本高，限制了他大规模民用化生产。有机太阳能电池制备工艺简单，原料成本低廉，可大批量工业化生产，这些显著的优势显示出有机太阳能电池巨大的发展前景。近年来随着有机太阳能电池研究的不断深入，能量转化效率快速提升，目前报道的单层有机太阳能电池最高的转换效率达到7.3%，但器件的稳定性还需大幅度提高。同有机聚合物相比，有机小分子容易合成和提纯，因此成本在材料上比聚合物更便宜。因此有机小分子太阳能电池也引起的人们的广泛关注。但器件稳定性也急需大幅度提高，目前研究结果认为：器件的稳定性主要有两个方面的原因：1）有机材料在光照情况下的热老化；2）电池的阴极材料一般采用低功函数的金属，低功函数的金属薄膜在容易受到空气中的水和氧气等影响，使其导电能力下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是克服金属电极被污染的问题。提供一种反型结构的有机小分子太阳能电池。

 本发明的技术方案：

一种反型结构的有机小分子太阳能电池，该有机小分子太阳能电池包括：在ITO玻璃衬底的导电层上依次制备阴极修饰层，有机小分子电子受体薄膜和电子给体薄膜，阳极修饰层和金属电极。

阴极修饰层采用低功函数的金属材料，厚度为1～2纳米；有机小分子电子受体薄膜的材料为C₆₀或C₇₀；电子给体薄膜的材料为CuPc或Pentacene；阳极修饰层的材料为MoO₃，厚度为8～10纳米。

制备阴极修饰层时，Ca的蒸发速率为0.02纳米/秒。

制备阳极修饰层时，MoO₃的蒸发速率为0.2纳米/秒。

所述的阴极修饰层采用低功函数的金属材料包括：Ca、Mg、 Ce或 Ba。

本发明的有益效果：本发明所述的有机小分子太阳能电池，采用反型的器件结构，应用高功函数的金属Ag 作为电极的正极，比传统的Al电极具有更高的稳定性，能够较好的防止空气和水分的影响，有效降低了电极的污染；同时采用Ca作为阴极ITO的修饰层，而阳极修饰用MoO₃取代了传统太阳能电池的PEDOT:PSS修饰层，由于PEDOT:PSS具有酸性、腐蚀性等缺点，容易污染太阳能电池的正极，MoO₃在这个方面则不会对器件的电极造成污染，进一步改善了电池电极污染问题，同时使电池正负极的功函数与给、受体材料之间的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道(LUMO) 能级更好的匹配，提高了器件的稳定性。

附图说明

图1反型结构的有机小分子太阳能电池结构示意图。

图中：ITO玻璃衬底1、阴极修饰层2、有机小分子电子受体薄膜3、电子给体薄膜4、阳极修饰层5、金属电极6。

图2器件结构中所用材料的能级结构示意图。

图3没有蒸镀Ca修饰层和蒸镀了Ca修饰层对器件性能影响的 J-V特性曲线。

图中：没有阴极修饰层Ca时的暗特性曲线（空心正方形）；没有阴极修饰层Ca时的亮特性曲线（实心正方形）；有阴极修饰层Ca时的暗特性曲线（空心圆圈）；有阴极修饰层Ca时的亮特性曲线（实心圆圈）。

图4不同厚度的MoO₃修饰层对器件性能影响的J-V特性曲线。

图中：阳极修饰层MoO3的厚度为0纳米（空心五角星）；阳极修饰层MoO₃的厚度为3纳米（实心菱形）；阳极修饰层MoO₃的厚度为6纳米（实心上三角）；阳极修饰层MoO₃的厚度为10纳米（实心下三角）；阳极修饰层MoO₃的厚度为16纳米（实心五角星）。

具体实施方式

实施例一，一种反型结构的有机小分子太阳能电池，它包括：在ITO玻璃衬底1的导电层上依次制备阴极修饰层2，有机小分子电子受体薄膜3，电子给体薄膜4，阳极修饰层5和金属电极6。 

阴极修饰层2的材料采用低功函数的Ca，厚度为1纳米；有机小分子电子受体薄膜3的材料为料碳六十C₆₀；电子给体薄膜4的材料为酞菁铜CuPc；阳极修饰层5的材料为MoO₃，厚度为8 纳米；金属电极6作为阳极，材料为Ag。

制备阴极修饰层2时，Ca的蒸发速率为0.02纳米/秒。

制备阳极修饰层5时，MoO₃的蒸发速率为0.2纳米/秒。

一种反型结构的有机小分子太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将ITO衬底1分别浸泡于去离子水、丙酮、乙醇溶液中，用超声波清洗仪清洗。清洗干净后用氮气吹干，将干燥的衬底表面用紫外臭氧（氧等离子体）处理，进一步提高衬底表面的清洁度及ITO表面的功函数。

步骤二，将步骤一中处理完毕的ITO衬底放置在真空腔中的衬底支架的凹槽中，并将Ca放置在真空腔中的蒸发源中。

步骤三，对真空腔抽真空，使真空度达到10^-5帕。

步骤四，调节支架的旋转速度，使旋转速率为0.25转/秒。

步骤五，加热蒸发源，控制蒸发速率为0.02纳米/秒。

步骤六，蒸镀材料为Ca，厚度为1纳米的阴极修饰层2。

步骤七，将C₆₀放置在真空腔中的蒸发源中，重复以上步骤三和四，在阴极修饰层2上，蒸镀材料为C₆₀，蒸发速率为0.2纳米/秒，厚度为40纳米的的有机小分子电子受体薄膜3。

步骤八，将CuPc放置在真空腔中的蒸发源中，重复以上步骤三和四，在有机小分子电子受体薄膜3上，蒸镀材料为CuPc，蒸发速率为0.2纳米/秒，厚度为25纳米的电子给体薄膜4。

步骤九，将MoO₃放置在真空腔中的蒸发源中，重复以上步骤三和四，在电子给体薄膜4上，蒸发速率为0.2纳米/秒，蒸镀材料为MoO₃，厚度为8纳米的阳极修饰层5。

步骤十，将Ag放置在真空腔中的蒸发源上，重复以上步骤三和四，在阳极修饰层5上，蒸镀材料为Ag，蒸发速率为0.2纳米/秒，厚度为100纳米的金属阳极6。

实施例二，实施例二与实施例一区别为：阴极修饰层2的材料为Mg，厚度为2纳米，有机小分子电子受体薄膜3的材料为料碳七十C₇₀，金属阳极6的材料为Au。

实施例三，实施例三与实施例一区别为阴极修饰层2的材料为Ce，电子给体薄膜4的材料为并五苯Pentacene,厚度为25纳米。

实施例四，实施例四与实施例一区别为阴极修饰层2的材料为Ba,阳极修饰层5的材料为MoO₃,厚度为10纳米。

Claims (2)

1.一种反型结构的有机小分子太阳能电池，其特征是，该有机小分子太阳能电池包括：在ITO玻璃衬底（1）的导电层上依次制备阴极修饰层（2），有机小分子电子受体薄膜（3）和电子给体薄膜（4），阳极修饰层（5）和金属电极（6）； 

阴极修饰层（2）采用低功函数的金属材料，厚度为1～2纳米；有机小分子电子受体薄膜（3）的材料为C₆₀或C₇₀；电子给体薄膜（4）的材料为CuPc或Pentacene；阳极修饰层（5）的材料为MoO₃，厚度为8～10纳米。

2.根据权利要求1所述的一种反型结构的有机小分子太阳能电池，其特征是，阴极修饰层（2）采用低功函数的金属材料包括：Ca、Mg、 Ce或 Ba。

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