CN102097593B - 一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池。本发明所述结构的器件，由阳极、空穴传输层、给体层、受体层、电子传输层和阴极组成，其特征在于：在空穴传输层和给体层之间还制备有一层掺杂磷光材料的给体层。磷光材料为Ir(btp)(acac)₂]、Ir(piq)₃]、[Ir(ppy)(acac)]、(F-BT)₂-Ir(acac)]、Ir(piq)₂(acac)或Ir(ppy)₃，磷光材料的掺杂浓度的为3wt％～15wt％。该发明的结构通过采用将磷光材料掺入距离D/A界面较远的给体材料中，在提高激子的利用的效率的同时，既结合了给体材料较好的光吸收特性和载流子传输性能，又减弱了掺杂对载流子迁移率的影响。

Description

一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池。

发明背景

目前，有机太阳能电池(OPV)由于其材料来源广泛、成本低、重量轻、可大面积生产等优点受到国内外科研机构和公司的广泛关注。据美国能源部预测，如果OPV的能量转换效率能够超过10％，寿命在10年以上，便可以投入商业化生产。近年来OPV的能量转换效率提高的比较快，从2007年首次超过6％，到2010年10月达到8.3％，但OPV的效率距大规模商业化的要求还有一段距离。

在传统的无机硅太阳能电池中，入射光子被吸收后，产生的电子-空穴对在常温下可直接生成自由移动的电子和空穴载流子，然后电子和空穴分别传输到阴极和阳极被收集。而在OPV中，有机材料常温下被光激发并不能直接生成可自由移动的电子和空穴载流子，而是生成了束缚的电子-空穴对即激子，然后激子扩撒到给体、受体的界面(D/A界面)发生解离，解离后的电子空穴分别被阴极、阳极收集。要想利用有机材料产生光电流，必须使光激发产生的激子扩散到D/A界面。但是有机材料的单线态激子的扩散长度太短，仅为10nm左右，也就是说只有在靠近D/A界面处较短范围内产生的激子才能被利用，而距离D/A界面较远处产生的激子就被浪费掉，从而制约了OPV效率的提高。

有机材料激子的扩散长度和激子的寿命有关。和单线态激子相比，三线态激子寿命比它长好几个数量级，因此三线态激子的扩散长度比单线态激子更长；因此，如果能将三线态激子引入到OPV中，将会提高有源层的厚度和对光的吸收，从而提高OPV的效率；但是光激发荧光给体材料产生的是单线态激子，因此可以通过使用磷光材料将其转化为三线态激子。Yang Yang等[Adv.Mater.2005，17，2841]直接采用磷光材料八乙基卟啉铂(PtOEP)作为有机太阳能电池的给体，结合受体材料C₆₀制备了一个器件，磷光材料PtOEP将光激发产生单线态激子经过系间窜越到达三线态激子，提高了激子的扩散距离，从而增加了OPV对光的俘获；但是由于磷光材料PtOEP对太阳光的吸收较弱，而且空穴的迁移率较低，所以影响了该器件效率的进一步提高。

发明内容

本发明是利用磷光材料的敏化作用来提高OPV的效率，提出了一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池。

本发明所述结构的器件，可以将传统结构中远离D/A界面处原本浪费的单线态激子转化为扩散距离较长的三线态激子，然后三线态激子扩散到D/A界面解离成自由载流子，从而提高了OPV的效率。

本发明所述结构的器件，由阳极、空穴传输层、给体层、受体层、电子传输层和阴极组成，其特征在于：在空穴传输层和给体层之间还制备有一层掺杂磷光材料的给体层。

该发明的结构通过采用将磷光材料掺入距离D/A界面较远的给体材料中，在提高激子的利用的效率的同时，既结合了给体材料较好的光吸收特性和载流子传输性能，又减弱了掺杂对载流子迁移率的影响。

本发明所述结构的器件，使有机太阳能电池的光电流来源于两个通道，一是离D/A界面较近的给体层，光激发产生的单线态激子扩散到D/A界面解离成自由载流子；二是通过在远离D/A界面的掺杂磷光材料的给体层，利用磷光材料的敏化作用，将传统结构中浪费的单线态激子通过一系列能量转移过程转化为三线态激子，利用三线态激子扩散距离较长的优点，最终到达D/A解离界面解离成自由载流子；磷光敏化的具体原理如下：光激发下产生的单线态激子通过共振能量转移传递给磷光材料的单线态上面，然后通过系间窜越到达磷光材料的三线态，最后通过交换能量转移转移到给体的三线态上面。

本发明的有益效果是：由于采用了两个通道利用激子，使原来远离D/A解离界面的浪费的激子转化为扩散距离较长的三线态激子，从而有益于有机太阳能电池短路电流和效率的提高。

衬底材料是玻璃、硅或者柔性衬底：聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚甲基丙烯酸甲脂；阳极为ITO、FTO或者金属：Ag，Au，Al等，也可以使用任何电极材料且不限于此。

空穴传输层由空穴传输材料或者P型材料[tetrafluorotetracyanoquinodimethane(F4-TCNQ)、P型氧化物如氧化钼、氧化铼等，可以使用任何P型材料且不限于此]掺杂(掺杂的浓度从2wt％-30wt％不等)的空穴传输材料组成，空穴传输材料包括

聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸PEDOT:PSS

4，4′，4″-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)triphenylamine(m-MTDATA)，

Phthalocyanine，酞箐铜CuPC，

N，N，N’，N’-Tetrakis(4-methoxyphenyl)benzidine(MeO-TPD)等，

可以使用任何空穴传输材料且不限于此。

掺杂磷光材料的给体层所用的磷光材料为金属有机配合物，包括：

Bis(2-benzo[b]thiophen-2-yl-pyridine)(acetylacetonate)iridium(III)[Ir(btp)(acac)₂]，

Tris(1-phenyli-soquinoline)iridium(III)[Ir(piq)₃]，

Bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonate)-iridium(III)[Ir(ppy)(acac)]

乙酰丙酮二[2-(2’-氟代苯基)苯并噻吩]合铱(III)[(F-BT)₂-Ir(acac)]，

乙酰丙酮二(2-苯基一异喹啉)合铱(III)，Ir(piq)₂(acac)，

三(2-苯基吡啶)合铱(III)Ir(ppy)₃，

等，可以使用任何磷光材料且不限于此。

掺杂磷光材料的给体层中磷光材料的掺杂浓度的为3wt％-15wt％，以利于给体、磷光材料间的能量转移。

给体材料为酞箐锌ZnPC，Phthalocyanine，酞箐铜CuPC，

tris[4-(5-phenylthiophen-2-yl)phenyl]amine(TPTPA)，N，N′-di(1-naphthyl)-N，N′-diphenylbenzidine(NPD)等，可以使用任何给体材料且不限于此。

受体层所用的材料为富勒烯-60[Fullerene-C₆₀(C₆₀)]，

富勒烯-70[Fullerene-C₇₀₍C₇₀)]

Perylene-3，4，9，10-tetracarboxylic dianhydride(PTCDA)等，可以使用任何受体材料且不限于此。

所用的电子传输材料包括：

2，2′，2″-(1，3，5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)(TPBi)，

2，9-Dimethyl-4，7-diphenyl-1，10-phenanhroline(BCP)，

4，7-二苯基-1，10-邻菲咯啉，BPhen等，

可以使用任何电子传输材料且不限于此。

阴极为Al，Au，Ag或者为LiF/Al，LiF/Au，LiF/Ag等复合阴极，可以使用任何电极材料且不限于此。

上述提及的材料除(F-BT)₂-Ir(acac)由中国科学院长春光机所李斌课题组合成外(合成方法参考：Journal of Physics D：Applied Physics 41，(2008)245101.)，其他材料均可从台湾激光科技公司买到(公司网址：http://www.lumtec.com.tw)。

附图说明

图1：本发明所述的有机太阳能电池的结构示意图。

图中1为阳极，2为空穴传输层，3为掺杂磷光材料的给体层，4为给体层，5为受体层，6为电子传输层，7为阴极。

图2：实施例1制备的器件A、器件B的电流-电压曲线。

具体实施方式

实施例1：

OPV的制备是在多源有机分子气相沉积系统中进行，详细过程如下：

[1]实验中的衬底材料选用ITO导电玻璃。首先将ITO玻璃衬底用丙酮、乙醇棉球反复擦洗；

[2]将擦洗干净的ITO衬底放入干净的烧杯中依次用丙酮、乙醇、去离子水超声10分钟；再放在烘箱中烘干。最后将干燥清洁的ITO玻璃衬底进行紫外处理10分钟；

[3]将处理好的衬底置于多源有机分子气相沉积系统中(参见中国专利：ZL03110977.2，“用于有机电致发光镀膜机的增锅式蒸发源”)，蒸发系统的真空腔体中包含有机蒸发区(8个蒸发源)和金属蒸发区(2个蒸发源)，两区之间及各个蒸发源之间相互隔绝，避免了相互污染。系统的真空度可以达到10^-5Pa，在薄膜生长的过程中系统的真空度维持在3×10^-4pa左右。材料生长的厚度和生长速率由美国IL-400型膜厚控制仪进行控制，有机材料生长速率控制在

光源采用Oriel公司生产的太阳能模拟器，器件的电流电压特性采用Keithley-2400电流-电压测试仪进行测量。所有的电流-电压测试都是在室温大气环境中进行的。

[4]制备的有机太阳能电池器件的结构为：

器件A：ITO/PEDOT:PSS(30nm)/NPD：10wt％(F-Bt)₂Ir(acac)(15nm)/NPD(5nm)/C₆₀(40nm)/Bphen(8nm)/LiF(0.8nm)/Al(100nm)

器件B：ITO/PEDOT:PSS(30nm)/NPD(20nm)/C₆₀(40nm)/Bphen(8nm)/LiF(0.8nm)/Al(100nm)

器件A是采用本发明设计的结构，器件B为传统的有机太阳能结构。器件A，B的电流-电压曲线如图2所示。从图中可以明显看出，器件A的电流密度明显比器件B的大，分别为3.54mA/cm²和2.42mA/cm²，器件A的能量转换效率和器件B相比，提高了50％。

本实例中有关缩写名称的含义如下：

ITO：氧化铟锡；

PEDOT:PSS：聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸；

NPD：N，N′-di(1-naphthyl)-N，N′-diphenylbenzidine；

C₆₀：富勒烯-60；

(F-Bt)₂Ir(acac)：乙酰丙酮二[2-(2’-氟代苯基)苯并噻吩]合铱(III)；

Bphen：4，7-二苯基-1，10-邻菲咯啉；

LiF：氟化锂。

Claims (10)

1.一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，由阳极、空穴传输层、给体层、受体层、电子传输层和阴极组成，其特征在于：在空穴传输层和给体层之间还制备有一层掺杂磷光材料的给体层；该结构通过采用将磷光材料掺入距离给体层/受体层界面较远的给体材料中，在提高激子的利用的效率的同时，既结合了给体材料较好的光吸收特性和载流子传输性能，又减弱了掺杂对载流子迁移率的影响；使得有机太阳能电池的光电流来源于两个通道，一是离给体层/受体层界面较近的给体层，光激发产生的单线态激子扩散到给体层/受体层界面解离成自由载流子；二是通过在远离给体层/受体层界面的掺杂磷光材料的给体层，利用磷光材料的敏化作用，将传统结构中浪费的单线态激子通过一系列能量转移过程转化为三线态激子，利用三线态激子扩散距离较长的优点，最终到达给体层/受体层解离界面解离成自由载流子。

2.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：磷光材料为Ir(btp)(acac)₂]、Ir(piq)₃]、[Ir(ppy)(acac)]、(F-BT)₂-Ir(acac)]、Ir(piq)₂(acac)或Ir(ppy)₃。

3.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：掺杂磷光材料的给体层中磷光材料的掺杂浓度的为3wt％～15wt％。

4.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：给体层材料为酞箐锌ZnPC、Phthalocyanine、酞箐铜CuPC、TPTPA或NPD。

5.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：受体层材料为C₆₀、C₇₀或PTCDA。

6.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：空穴传输层材料为聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸PEDOT：PSS、m-MTDATA、Phthalocyanine、酞箐铜CuPC或MeO-TPD，或是P型材料掺杂的上述材料。

7.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：电子传输层材料为TPBi、BCP、4，7-二苯基-1，10-邻菲咯啉或BPhen，或是N型材料掺杂的上述材料。

8.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：衬底材料是玻璃、硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲脂。

9.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：阳极为ITO、FTO、Ag、Au或Al，阴极为Al、Au、Ag、LiF/Al、LiF/Au或LiF/Ag。

10.如权利要求9所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在于：器件结构为ITO/PEDOT：PSS/NPD：10wt％(F-Bt)₂Ir(acac)/NPD/C₆₀/Bphen/LiF/Al。

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