CN102244197B - 基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构 - Google Patents
基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Zn4O(AID)6]材料的有机太阳能电池结构。该结构由下至上依次包括：衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层和阴极组成。其中所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物，电子给体层采用CuPc或ZnPc，电子受体层采用C60或PCBM，激子阻挡层为Zn4O(AID)6，阴极采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金。除阳极外各层可采用真空蒸镀、喷涂、打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。本发明可提高有机太阳能电池的功率转换效率并改善有机太阳能电池的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及有机光电器件技术领域，具体涉及一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Zn4O(AID)6]材料的新型有机太阳能电池结构，该结构通过采用Zn4O(AID)6材料作为有机太阳能电池的激子阻挡层，制备出了功率效率高/热稳定性好的有机太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的器件，是一种光伏器件。最开始研究的太阳能电池始于上一世纪的50年代，主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池，当时贝尔实验室报道的器件效率(PEC)为4％。尽管目前无机太阳能电池总能量转化效率达到了25％以上，但是，昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀限制了无机太阳能电池的实际应用。1991年，较低成本的染料敏化二氧化钛太阳能电池出现，其转换效率可达到10％左右，但是该类电池需要液体电解液，阻碍了其实际应用。有机太阳能电池由于有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好，并且有机太阳能电池加工过程相对简单，可低温操作，器件制作成本也较低。除此之外，有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等。因此，有机太阳能电池近年来引起了国内外各界的广泛兴趣，它有望成为无机和染料敏化太阳能电池的有益、甚至必要的补充产品，在廉价可弃、柔性及大面积等方面得到应用。
在过去的几十年里，人类投入巨大的精力来研究有机太阳能电池。科研工作者们通过创新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究，来提高器件的性能。本发明中通过引入Zn4O(AID)6材料作为激子阻挡层，使有机太阳能电池的功率效率得到了较大的提高，同时使有机太阳能电池的热稳定性也得到了很大的改善。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Zn4O(AID)6]材料的有机太阳能电池结构。利用本发明结构，可以提高有机太阳能电池的功率转换效率，并提高有机太阳能电池的热稳定性。
技术方案：本发明的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构由下到上依次为：衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层、阴极；
所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物，电子给体层采用CuPc或ZnPc，电子受体层采用C60或PCBM，激子阻挡层为Zn4O(AID)6，阴极采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金。
所述的电子给体层的厚度为 电子受体层的厚度为 
激子阻挡层的厚度为 
阴极厚度为
所述的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构的制备方法包括以下步骤：
a.在衬底上制备阳极；
b.在阳极上制备电子给体层；
c.在电子给体层上制备电子受体层；
d.在电子受体层上制备激子阻挡层；
e.在激子阻挡层上蒸镀阴极。
阳极及阴极的制备方法为真空蒸镀或溅射，如果材料是很细的颗粒，如金属、炭黑、金属氧化物、导电聚合物等，则可通过溶液的旋涂获得，另外电化学沉积也可制得相应的电极；
电子给体层、电子受体层、激子阻挡层均为有机层，可采用真空蒸镀、喷涂、旋涂、打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。
在选取合适的有机层材料和器件结构之后，为获得性能更好的器件，我们在阴极和电子受体层之间引入基于Zn4O(AID)6材料的激子阻挡层。激子阻挡层的引入不仅可以消除阴极引起的激子淬灭，提高了激子的利用率；阻挡蒸镀阴极时对有机层的破坏；同时还可以阻止外界如水、氧等物质的侵入，提高器件的热稳定性。电子受体层可采用C60，主要是由于C60有极好的激子迁移率(0.5cm2/Vs)，可以产生相当大的激子扩散距离；并且由于其表面原子数多，分子内电子流动性强，故很容易吸收电子，是优秀的电子受体材料，因此我们采用了C60为有机受体层材料。电子给体层可采用CuPc，由于CuPc在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大，而且 具有极好的化学、热及光稳定性，所以可作为电子给体层材料。阳极必须是一个相对阴极较高功函数的金属或金属氧化物；阴极则必须是一个相对阳极较低功函数的金属或者合金。ITO的功函数一般在4.5-4.8eV左右，它是相当稳定、导电性优良而且透明的材料，非常适合用作阳极导电材料，因此我们采用ITO为阳极材料。Al具有较好的成膜性与稳定性，因此可选取Al作为阴极材料。
有益效果：从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Zn4O(AID)6]材料的新型有机太阳能电池结构，通过在阴极的前面引入激子阻挡层，有利于电荷传输并提高激子的利用率；同时避免了由于蒸镀对有机受体层造成的损害；进而可以提高有机太阳能电池的功率转换效率，改善了器件的热稳定性。
附图说明
图1本发明提供的基于Zn4O(AID)6材料的有机太阳能电池结构的示意图；
图2标准器件-1、标准器件-2和本发明器件的I-V曲线；
图3本发明器件的效率随Zn4O(AID)6厚度变化曲线；
图4标准器件-1、标准器件-2和本发明器件的热稳定性曲线。
具体实施方式
本发明提出的有机太阳能电池的基本结构由下到上依次为，衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层和阴极组成。其结构如下：
上述方案中，所述阳极为ITO；
上述方案中，所述电子给体层为吸收特性强、光谱范围宽的窄带隙有机材料，如CuPc、ZnPc等；
上述方案中，所述电子受体层为电子输运性能好、电子接受能力强的有机材料，如C60、PCBM等；
上述方案中，所述激子阻挡层为材料Zn4O(AID)6；
上述方案中，所述阴极为Al等金属或金属合金构成。
本发明提出的有机层结构厚度进行了初步的优化。其中，电子给体层的厚度为 
电子受体层的厚度为 
激子阻挡层的厚度为 
阴极厚度为 
本发明中阴极和阳的制作方法可以为真空蒸镀或溅射，如果材料是很细的颗 粒，如金属、炭黑、金属氧化物、导电聚合物等，可通过溶液的旋涂获得，另外电化学沉积也可制得相应的电极；本发明除阴极和阳极外其余的均为有机层，可采用真空蒸镀、喷涂、打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。
具体步骤为：
在阳极上制备电子给体层；
在电子给体层上制备电子受体层；
在电子受体层上制备激子阻挡层；
在激子阻挡层上蒸镀阴极。
下面结合实施例对本发明进行具体描述，但是本发明并不仅仅局限于所列举的实施例。
实施例1
在清洗干净的ITO玻璃衬底(方块电阻为15Ω/□)上蒸镀有机太阳能电池，ITO玻璃衬底依次被洗涤剂、丙酮、异丙醇以及去离子水清洗30分钟，然后在120℃下烘干至少10分钟，在蒸镀有机层之前，再用O2等离子体处理50秒。蒸镀有机材料是在8×10-4Pa的压力下被真空蒸镀的，蒸镀阴极铝时的真空为6×10-3Pa。蒸镀7时ITO衬底为室温，CuPc和Zn4O(AID)6在使用前分别被升华提纯，实验中使用的C60的纯度达到了99.9％。CuPc和C60的蒸镀速率约为 
TPBi和Zn4O(AID)6的蒸镀速率约均为 
Al的蒸镀速率约为 
制备好的器件的有效面积(阴极和阳极重叠部分)为0.1cm2。真空蒸镀的各层厚度是用石英晶振厚度监测仪来进行检测的。测量在太阳光模拟器产生的AM 1.5的光照下(100W/cm2)进行的。电流密度-电压(J-V)曲线是由Keithley 2400进行测量的。器件没有进行封装，所有测量都而在大气环境下完成的。本发明器件结构如图1所示；标准结构器件和本发明结构器件在光照情况下的I-V曲线如图2所示。
标准器件-1： 
标准器件-2： 
本发明器件：
表1为标准器件和本发明器件的对比。标准器件和本发明器件的性能测试均在100mW/cm2的AM 1.5的模拟光照下测得的。结果表明本发明器件的功率转换效率均高于标准器件。
表1标准器件和本发明器件的比较
| Jsc(mA/cm2) | Voc(V) | FF(％) | PCE(％) | |
| 标准器件-1 | 1.777 | 0.38 | 45.76 | 0.3095 |
| 标准器件-2 | 2.470 | 0.38 | 38.48 | 0.3612 |
| 本发明器件 | 2.466 | 0.37 | 43.94 | 0.4016 |
实施例2
该实施例展示了不同厚度Zn4O(AID)6材料作为激子阻挡层时本发明器件的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率变化。器件结构： 
表2为基于不同Zn4O(AID)6厚度的本发明器件的短路电流、开路电压、功率效率及填充因子相应的数值。由表2可以看出在本发明器件在激子阻挡层厚度 
范围内的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率变化相对较小。说明本发明器件在一定范围内性能稳定，克服了器件制备过程中对激子阻挡层厚度控制的严格要求，利于器件的制备。器件效率随厚度的变化曲线如图3示。
表2不同厚度Zn4O(AID)6材料作为激子阻挡层时本发明器件的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率变化
实施例3
该实施例展示了本发明器件与标准器件在热稳定性方面的比较。将本发明器件、标准器件-1和标准器件-2在室温下测得其电流密度。升温至135℃后再测量三个器件的电流密度，标准器件-1的电流密度下降最快，其次是标准器件-2，本发明结构器件下降相对较小。结果表明，本发明器件升温后电流密度变化均小于标准器件-1和标准器件-2，由此说明本发明器件的热稳定性与标准器件相比要好的多。器件的热稳定性的变化曲线如图4所示。
本文中有关缩写名称的含义如下：
PS：聚苯乙烯(Polystyrene)
PE：聚乙烯(polyethylene)
ITO：铟锡氧化物
CuPc：酞菁铜(Copper phthalocyanine)
ZnPc：酞菁锌(Zinc phthalocyanine)
C60：富勒烯(fullerene)
PCBM：[6，6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester
TPBi：1，3，5-tris(2-N-phenylbenzimidazolyl)benzene
Zn4O(AID)6：六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[tetranucluear zinc(II)oxide compound(AID＝7-azaindolate)] 。
Claims (1)
1.一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构，其特征在于该结构由下到上依次为：衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层、阴极；
所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物，电子给体层采用CuPc或ZnPc，电子受体层采用C60或PCBM，激子阻挡层为Zn4O(AID)6，阴极采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金；
所述的电子给体层的厚度为200-1000 Å ，电子受体层的厚度为200-1000 Å ，激子阻挡层的厚度为20-200 Å，阴极厚度为500-1000 Å。
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