CN102280585A - 一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机薄膜太阳能电池，包括衬底、阳极层、阴极层、设置在阳极层和阴极层之间的有机功能层，该有机功能层至少包括有机光电转换层，该有机光电转换层为电子给体材料与电子受体材料构成的异质结，该电子给体材料的最高分子占有轨道(HOMO)能级较低，有利于提高器件的开路电压，而且具有较好的空穴传输能力，可以提高器件短路电流和填充因子，最终提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率。同时，该给体材料的合成工艺简单，可以有效地降低有机薄膜太阳能电池的成本。

Description

一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子元器件中的有机光电技术领域，具体涉及一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
步入21世纪，传统燃料能源的日渐减少以及环境污染的日益突出成为困扰世界经济发展的主要因素。由于太阳能具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而其成为各国科学家开发和利用的新能源之一。太阳能电池是将太阳能辐射的光能转换为电能的器件。太阳能电池可用来向负载，如电灯、计算机等提供电能。目前用作太阳能电池的材料主要有元素半导体材料、无机陶瓷半导体材料和固溶体。因为无机材料发展起步早，所以研究比较广泛。但是由于无机半导体材料本身的加工工艺非常复杂，材料要求苛刻且不易进行大面积柔性加工，以及某些材料具有毒性，大规模使用会受到成本和资源分布的限制，使人们在20世纪70年代起开始探索将一些具有共轭结构的有机化合物应用到太阳能电池。有机太阳能电池材料的特点在于有机化合物的种类繁多，有机分子的化学结构容易修饰，化合物的制备提纯加工简便，可以制成大面积的柔性薄膜器件，拥有未来成本上的优势以及资源的广泛分布性。
目前，有机薄膜太阳能电池的能量转化效率还需进一步提高，这就需首先了解它的基本原理。有机太阳能电池的工作原理是基于半导体的异质结的光生伏打效应，当入射光的光子能量大于光电转换材料的禁带宽度时，激发材料内部产生激发子，激子在多种因素导致的静电势能作用下在界面处分离产生电子和空穴，电子在受电子材料中进行传输，空穴在供电子材料中进行传输，然后电子由阴极收集，空穴由阳极收集，这样外电路就有电流通过。
有机薄膜太阳能电池的能量转换效率由开路电压、短路电流和填充因子三个参数决定。在由电子给体材料(Donor)和电子受体材料(Acceptor)构成的异质结型有机薄膜太阳能电池中，开路电压被认为是由Donor的最高分子占有轨道(HOMO)能级和Acceptor的最低分子未占有轨道(LUMO)能级的能量差决定的。因此，对于电子给体材料而言，要求其具有较低的HOMO能级，从而获得较高的开路电压。同时，由于有机材料的载流子迁移率较低，使得电子和空穴在传输中的复合，降低了激子分离的效率，影响器件的短路电流和填充因子。因此，开发HOMO能级较低，空穴传输性能较好的电子给体材料是提高有机薄膜太阳能电池能量转换效率的重要途径。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法，该有机薄膜太阳能电池利用一种新型的电子给体材料，该电子给体材料的最高分子占有轨道(HOMO)能级较低，有利于提高器件的开路电压，而且具有较好的空穴传输能力，能够平衡器件内部两种载流子的传输，提高器件短路电流和填充因子，最终提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率。同时，该给体材料的合成工艺简单，可以有效地降低有机薄膜太阳能电池的成本。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种有机薄膜太阳能电池，包括衬底、阳极层、阴极层、设置在阳极层和阴极层之间的有机功能层，还包括阳极缓冲层和阴极缓冲层中的一种或两种，其特征在于，该有机功能层中设置了有机光电转换层，有机光电转换层为电子给体材料与电子受体材料构成的异质结，电子给体材料具有以下结构骨架：
Figure BSA00000501700300021
其中，R1和R2基团相同或者不同，都是以下式1～式98所示基团中的一种：
Figure BSA00000501700300022
Figure BSA00000501700300031
Figure BSA00000501700300041
Figure BSA00000501700300051
Figure BSA00000501700300061
Figure BSA00000501700300071
Figure BSA00000501700300081
Figure BSA00000501700300101
其中R为C1-30烷基、C2-30烯基、C1-30烷氧基、C6-30芳基、C6-30芳氧基、C3-30杂芳基或C1-30杂烷基，X为O、S、或NR’，R’为C1-30烷基、C6-30芳基、C3-30杂芳基、C1-30杂烷基或其组合。
按照本发明提供的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述电子受体层材料为C60及其衍生物，噻吩类材料，PPV衍生物，稠环芳香化合物，C60衍生物包括(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、(6，6)-苯基-C61-丁酸丁酯(PCBB)、1-(3-甲氧羰基)丙基-1-噻吩基-[6，6]-亚甲基富勒烯(ThCBM)，噻吩类材料包括二氰基乙烯基-三聚噻吩(DCV3T)、聚(3-氰基-4-己基噻吩)(P3CN4HT)，PPV衍生物包括[氧杂-1，4-亚苯基-1，2-(1-氰基)-亚乙烯基-2，5-二辛氧-1，4-亚苯基-1，2-(2-氰基)-亚乙烯基-1，4-亚苯基]聚合物(CN-Ether-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-α-氰基-对苯乙烯撑](MEH-CN-PPV)，稠环芳香化合物材料包括3，4，9，10-苝四羧基-双苯并咪唑(PTCBI)、3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)。
按照本发明提供的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层材料为功函数较高的无机化合物或者具有低的最高被占用能级(HOMO)的有机化合物，无机化合物包括三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5)、三氧化钨(WO3)，有机化合物为酞菁衍生物，萘酞菁衍生物，卟啉衍生物，芳香二胺化合物，聚合物材料，酞菁衍生物包括酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)，芳香二胺化合物包括4，4’，4”-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺(m-MTDATA)、N，N’-双(3-甲基苯基)-(1，1’-联苯)-4’-二胺(TPD)、4，4’-双[N-(萘基)-N-苯基-氨基]联苯(α-NPD)，聚合物材料包括3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺(PANI)类有机导电聚合物。
按照本发明提供的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层材料为功函数较低的无机化合物或者具有高的最低未被占用能级(LUMO)的有机化合物，无机化合物包括碳酸铯(Cs2CO3)、氟化锂(LiF)、氧化钙(CaO)、氧化钛(TiOX)、氧化锌(ZnO)，有机化合物为金属有机配合物、吡啶类、邻菲咯啉类、噁二唑类或咪唑类化合物材料中的一种材料，其中金属有机配合物包括8-羟基喹啉铝(Alq3)、二(2-甲基-8-喹啉并)-4-(苯基苯酚)铝(BAlq)，吡啶类化合物包括三[2，4，6-三甲基-3-(吡啶-3-yl)苯基]-硼烷(3TPYMB)，邻菲咯啉类化合物包括2，9-二甲基-4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BCP)、4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BPhen)，噁二唑类电子传输材料是2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑(PBD)、1，3-二[(4-三元胺-丁基苯基)-1，3，4-重氮基酸-5-yl]苯(OXD-7)，咪唑类化合物是1，3，5-三(N-苯基-苯并咪唑-2)苯(TPBI)。
按照本发明提供的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述衬底是玻璃或者柔性基片或者金属薄片，其中柔性基片是超薄的固态薄片、聚酯类或聚酞亚胺类化合物；所述阳极层是无机金属氧化物薄膜或者金属薄膜，其中无机金属氧化物薄膜是氧化铟锡薄膜或者氧化锌薄膜或氧化锡锌薄膜，金属薄膜是金、铜、银的金属薄膜；所述阳极层材料也可以是聚(3，4-亚乙二氧噻吩):聚苯乙烯基苯磺酸或者聚苯胺类的有机导电聚合物；所述阴极层包括锂、镁、钙、锶、铝、铟、银等功函数较低的金属薄膜或者它们的合金薄膜。
本发明所提出的第二个技术问题是这样解决的：提供一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①对衬底进行超声清洗，清洗后吹干；
②将衬底移入真空蒸发室中进行阳极层的制备；
③采用真空蒸镀或旋涂的方法制备有机功能层，有机功能层至少包括电子给体层和电子受体层，所述电子给体层材料具有以下结构骨架：
Figure BSA00000501700300121
④保持上述真空压力不变，在有机功能层制备结束后在真空室中进行阴极层的制备；
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为氮气氛围。
按照本发明提供的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，有机功能层的制备方法包括采取在高真空室中蒸镀的方式和在旋涂机中旋涂成膜的方式，或采取喷涂、自组装、喷墨打印、丝网印刷、剥离、有机气相沉积的方式及以上几种制备方式的组合使用。
本发明所提供的有机薄膜太阳能电池器件，所用电子给体材料的最高分子占有轨道(HOMO)能级较低，在由电子给体材料(Donor)和电子受体材料(Acceptor)构成的异质结型有机薄膜太阳能电池中，开路电压被认为是由Donor的最高分子占有轨道(HOMO)能级和Acceptor的最低分子未占有轨道(LUMO)能级的能量差决定的，因此降低给体材料的HOMO能级有利于提高器件的开路电压。同时，该电子给体材料具有较好的空穴传输能力，可以减少电子和空穴在传输中的复合，提高激子分离的效率，提高器件短路电流和填充因子，最终提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率。该给体材料的合成工艺简单，可以有效地降低有机薄膜太阳能电池的成本。
附图说明
图1是本发明所提供的有机薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明所提供的实施例1、2、3的结构示意图；
图3是本发明所提供的实施例4、5、6的结构示意图；
图4是本发明所提供的对比实施例1、实施例7、8、9的结构示意图；
图5是本发明所提供的10、11、12的结构示意图；
图6是本发明所提供的实施例7的性能对比图：图6(a)是对比实施例1所制备的器件，图6(b)是实施例7所制备的器件，两个器件结构相同。
其中，1、衬底，2、阳极层，3、有机功能层，31、阳极缓冲层，32有机光电转换层，33、阴极缓冲层，4、阴极层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
本发明的技术方案是提供一种以新型有机材料作为电子给体材料的有机薄膜太阳能电池器件，如图1所示，器件的结构包括衬底1，阳极层2，有机功能层3，阴极层4，其中阳极层2位于衬底1表面，有机功能层3位于阳极层2和阴极层4之间，有机功能层3可以包括阳极缓冲层31，有机光电转换层32和阴极缓冲层33，器件在光照下电极产生电压。
如图2所示，器件的结构包括衬底1，阳极层2，有机功能层3，阴极层4，其中阴极层2位于衬底1表面，有机功能层3位于阳极层2和阴极层4之间，有机功能层3包括有机光电转换层32，器件在光照下电极产生电压。
如图3所示，器件的结构包括衬底1，阳极层2，有机功能层3，阴极层4，其中阴极层2位于衬底1表面，有机功能层3位于阳极层2和阴极层4之间，有机功能层3包括有机光电转化层32和阴极缓冲层33，器件在光照下电极产生电压。
如图4所示，器件的结构包括衬底1，阳极层2，有机功能层3，阴极层4，其中阳极层2位于衬底1表面，有机功能层3位于阳极层2和阴极层4之间，有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，器件在光照下电极产生电压。
如图5所示，器件的结构包括衬底1，阳极层2，有机功能层3，阴极层4，其中阴极层4位于衬底1表面，有机功能层3位于阳极层2和阴极层4之间，有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，器件在光照下电极产生电压。
本发明中衬底1为电极和有机薄膜层的依托，着良好的透光性能，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整性，它可以是玻璃或柔性基片或者金属薄片，其中柔性基片是超薄的固态薄片、聚酯类或聚酞亚胺类化合物。
本发明中阳极层2要求有较好的导电性能、透光性以及较高的功函数，阳极材料为金属氧化物薄膜或者功函数较高的金属薄膜或者有机导电聚合物，金属氧化物薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜或者氧化锌(ZnO)薄膜或者氧化锡锌薄膜，金属薄膜为金、铜、银、铂或者它们的合金薄膜，有机导电聚合物为3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)或聚苯胺(PANI)。
本发明中阳极缓冲层31要求具有空穴传输特性，阳极缓冲层材料为功函数较高的无机化合物或者具有低的最高被占用能级(HOMO)的有机化合物，无机化合物包括三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5)、三氧化钨(WO3)，有机化合物为酞菁衍生物，萘酞菁衍生物，卟啉衍生物，芳香二胺化合物，聚合物材料，酞菁衍生物包括酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)，芳香二胺化合物包括4，4’，4”-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺(m-MTDATA)、N，N’-双(3-甲基苯基)-(1，1’-联苯)-4’-二胺(TPD)、4，4’-双[N-(萘基)-N-苯基-氨基]联苯(α-NPD)，聚合物材料包括3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺(PANI)类有机导电聚合物。
本发明中阴极缓冲层33要求具有电子传输特性，阴极缓冲层材料为功函数较低的无机化合物或者具有高的最低未被占用能级(LUMO)的有机化合物，无机化合物包括碳酸铯(Cs2CO3)、氟化锂(LiF)、氧化钙(CaO)、氧化钛(TiOX)、氧化锌(ZnO)，有机化合物为金属有机配合物、吡啶类、邻菲咯啉类、噁二唑类或咪唑类化合物材料中的一种材料，其中金属有机配合物包括8-羟基喹啉铝(Alq3)、二(2-甲基-8-喹啉并)-4-(苯基苯酚)铝(BAlq)，吡啶类化合物包括三[2，4，6-三甲基-3-(吡啶-3-yl)苯基]-硼烷(3TPYMB)，邻菲咯啉类化合物包括2，9-二甲基-4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BCP)、4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BPhen)，噁二唑类电子传输材料是2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑(PBD)、1，3-二[(4-三元胺-丁基苯基)-1，3，4-重氮基酸-5-yl]苯(OXD-7)，咪唑类化合物是1，3，5-三(N-苯基-苯并咪唑-2)苯(TPBI)。
本发明中阴极层4要求具有较好的导电性能和较低的功函数，阴极材料为金属氧化物薄膜或者功函数较低的金属薄膜或者有机导电聚合物，金属氧化物薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜或者氧化锌(ZnO)薄膜或者氧化锡锌薄膜，金属薄膜为锂或镁或钙或锶或铝或铟或它们与铜或金或银的合金薄膜，有机导电聚合物为3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。
本发明中有机光电转换层32是主要的吸光层，该有机光电转换层为电子给体材料和电子受体材料构成的异质结，电子给体材料为具有较低HOMO能级和较高空穴传输能力的新型有机材料，电子受体材料为C60及其衍生物，噻吩类材料，PPV衍生物，稠环芳香化合物，C60衍生物包括(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、(6，6)-苯基-C61-丁酸丁酯(PCBB)、1-(3-甲氧羰基)丙基-1-噻吩基-[6，6]-亚甲基富勒烯(ThCBM)，噻吩类材料包括二氰基乙烯基-三聚噻吩(DCV3T)、聚(3-氰基-4-己基噻吩)(P3CN4HT)，PPV衍生物包括[氧杂-1，4-亚苯基-1，2-(1-氰基)-亚乙烯基-2，5-二辛氧-1，4-亚苯基-1，2-(2-氰基)-亚乙烯基-1，4-亚苯基]聚合物(CN-Ether-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-α-氰基-对苯乙烯撑](MEH-CN-PPV)，稠环芳香化合物材料包括3，4，9，10-苝四羧基-双苯并咪唑(PTCBI)、3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)。
下文列出的是本发明的有机材料的具体例，但是本发明并不局限于这些具体例。
采用本发明制备的有机薄膜太阳能电池器件结构举例如下：
玻璃/ITO/有机光电转换层/阴极层
玻璃/ITO/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极层
玻璃/ITO/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极层
玻璃/ITO/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极层
玻璃/导电聚合物/有机光电转换层/阴极层
玻璃/导电聚合物/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极层
玻璃/导电聚合物/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极层
玻璃/导电聚合物阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极层
柔性基板/ITO/有机光电转换层/阴极层
柔性基板/ITO/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极层
柔性基板/ITO/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极层
柔性基板/ITO/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极层
玻璃/阴极层/有机光电转换层/阳极层
玻璃/阴极层/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极层
玻璃/阴极层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极层
玻璃/阴极层/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极层
柔性基板/阴极层/有机光电转换层/阳极层
柔性基板/阴极层/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极层
柔性基板/阴极层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极层
柔性基板/阴极层/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极层
实施例1
如图2所示，器件的结构中的有机功能层3包括有机光电转换层32，电子给体材料为材料1，电子受体材料为C60，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/材料1(15nm)/C60(40nm)/Ag(100nm)
制备方法如下：
①用洗涤剂、乙醇溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为～20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的给体材料1为15nm，受体材料C60为40nm。有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④在有机层蒸镀结束后进行金属电极的制备。其气压为3×10-3Pa，蒸镀速率为～1nm/s，膜层厚度为100nm。蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控。
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为99.9％氮气氛围。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例2
如图2所示，器件的结构中的有机功能层3包括有机光电转换层32，电子给体材料为材料2，电子受体材料为C60，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/材料2(20nm)/C60(40nm)/Ag(100nm)
器件的制备流程与实施例1相似。
实施例3
如图2所示，器件的结构中的有机功能层3包括有机光电转换层32，电子给体材料为材料3，电子受体材料为C60，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/材料3(25nm)/C60(40nm)/Ag(100nm)
器件的制备流程与实施例1相似。
实施例4
如图3所示，器件的结构中的有机功能层3包括有机光电转换层32和阴极缓冲层33，电子给体材料为材料1，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/材料1(30nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
制备方法如下：
①用洗涤剂、乙醇溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为～20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的给体材料1为30nm，受体材料C60为40nm，阴极缓冲层材料Bphen为7nm。有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④在有机层蒸镀结束后进行金属电极的制备。其气压为3×10-3Pa，蒸镀速率为～1nm/s，膜层厚度为100nm。蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控。
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为99.9％氮气氛围。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例5
如图3所示，器件的结构中的有机功能层3包括有机光电转换层32和阴极缓冲层33，电子给体材料为材料2，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/材料2(20nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
器件的制备流程与实施例4相似。
实施例6
如图3所示，器件的结构中的阳极层2为导电聚合物PEDOT:PSS，有机功能层3包括有机光电转换层32和阴极缓冲层33，电子给体材料为材料3，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/材料3(20nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃衬底进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。
②将干燥后的玻璃衬底移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在玻璃基板上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为100nm，PEDOT:PSS作为阳极层。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的给体材料3为20nm，受体材料C60为40nm，阴极缓冲层材料Bphen为7nm。有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④在有机层蒸镀结束后进行金属电极的制备。其气压为3×10-3Pa，蒸镀速率为～1nm/s，膜层厚度为100nm。蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控。
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为99.9％氮气氛围。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
对比实施例1
如图4所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，电子给体材料为常规材料CuPc，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/PEDOT:PSS(20nm)/CuPc(20nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
制备方法如下：
①用洗涤剂、乙醇溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为～20W。
③将处理后的基片置于氮气环境中，采用旋涂的方法制备阳极缓冲层PEDOT:PSS层，旋涂时转速为4000转/秒，时长为30S，膜厚为20nm；之后在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀，按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的给体材料CuPc为20nm，受体材料C60为40nm，阴极缓冲层材料Bphen为7nm。有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④在有机层蒸镀结束后进行金属电极的制备。其气压为3×10-3Pa，蒸镀速率为～1nm/s，膜层厚度为100nm。蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控。
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为99.9％氮气氛围。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例7
如图4所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，电子给体材料为材料1，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/PEDOT:PSS(20nm)/材料1(20nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
制备方法如下：
①用洗涤剂、乙醇溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为～20W。
③将处理后的基片置于氮气环境中，采用旋涂的方法制备阳极缓冲层PEDOT:PSS层，旋涂时转速为4000转/秒，时长为30S，膜厚为20nm；之后在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀，按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的给体材料1为20nm，受体材料C60为40nm，阴极缓冲层材料Bphen为7nm。有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④在有机层蒸镀结束后进行金属电极的制备。其气压为3×10-3Pa，蒸镀速率为～1nm/s，膜层厚度为100nm。蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控。
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为99.9％氮气氛围。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例8
如图4所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，电子给体材料为材料2，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/PEDOT:PSS(20nm)/材料2(20nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
器件的制备流程与实施例7相似。
实施例9
如图4所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，电子给体材料为材料3，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Bphen，阴极层4为金属Ag。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/PEDOT:PSS(20nm)/材料3(20nm)/C60(40nm)/Bphen(7nm)/Ag(100nm)
器件的制备流程与实施例7相似。
实施例10
如图5所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为MoO3，电子给体材料为材料1，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Cs2CO3，阳极层2为金属Au。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/Cs2CO3(1nm)/C60(40nm)/材料1(20nm)/MoO3(10nm)/Au(100nm)
制备方法如下：
①用洗涤剂、乙醇溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为～20W。
③将处理后的基片置于氮气环境中，采用旋涂的方法制备阴极缓冲层Cs2CO3层，旋涂时转速为3000转/秒，时长为30S，之后在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀，按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的受体材料C60为40nm，给体材料1为20nm，阳极缓冲层材料MoO3为10nm。有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④在有机层蒸镀结束后进行金属电极的制备。其气压为3×10-3Pa，蒸镀速率为～1nm/s，膜层厚度为100nm。蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控。
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为99.9％氮气氛围。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例11
如图5所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为MoO3，电子给体材料为材料2，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Cs2CO3，阳极层2为金属Au。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/Cs2CO3(1nm)/C60(40nm)/材料2(20nm)/MoO3(10nm)/Au(100nm)
器件的制备流程与实施例10相似。
实施例12
如图5所示，器件的结构中的有机功能层3包括阳极缓冲层31、有机光电转换层32和阴极缓冲层33，阳极缓冲层材料为MoO3，电子给体材料为材料3，电子受体材料为C60，阴极缓冲层材料为Cs2CO3，阳极层2为金属Au。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/Cs2CO3(1nm)/C60(40nm)/材料3(20nm)/MoO3(10nm)/Au(100nm)
器件的制备流程与实施例10相似。

Claims (6)

1.一种有机薄膜太阳能电池，包括衬底、阳极层、阴极层、设置在阳极层和阴极层之间的有机功能层，还包括阳极缓冲层和阴极缓冲层中的一种或两种，其特征在于，该有机功能层中设置了有机光电转换层，有机光电转换层为电子给体材料与电子受体材料构成的异质结，电子给体材料具有以下结构骨架：
Figure FSA00000501700200011
其中，R1和R2基团相同或者不同，都是以下式1～式98所示基团中的一种：
Figure FSA00000501700200012
Figure FSA00000501700200031
Figure FSA00000501700200041
Figure FSA00000501700200051
Figure FSA00000501700200061
Figure FSA00000501700200071
Figure FSA00000501700200091
其中R为C1-30烷基、C2-30烯基、C1-30烷氧基、C6-30芳基、C6-30芳氧基、C3-30杂芳基或C1-30杂烷基，X为O、S、或NR’，R’为C1-30烷基、C6-30芳基、C3-30杂芳基、C1-30杂烷基或其组合。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述电子受体层材料包括C60及其衍生物，噻吩类材料，PPV衍生物或稠环芳香化合物，其中，C60衍生物包括(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯、(6，6)-苯基-C61-丁酸丁酯或1-(3-甲氧羰基)丙基-1-噻吩基-[6，6]-亚甲基富勒烯，噻吩类材料包括二氰基乙烯基-三聚噻吩或聚(3-氰基-4-己基噻吩)，PPV衍生物包括[氧杂-1，4-亚苯基-1，2-(1-氰基)-亚乙烯基-2，5-二辛氧-1，4-亚苯基-1，2-(2-氰基)-亚乙烯基-1，4-亚苯基]聚合物或聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-α-氰基-对苯乙烯撑]，稠环芳香化合物材料包括3，4，9，10-苝四羧基-双苯并咪唑或3，4，9，10-苝四甲酸二酐。
3.根据权利要求1所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层材料为功函数高的无机化合物或者具有低的最高被占用能级的有机化合物，无机化合物包括三氧化钼、五氧化二钒或三氧化钨，有机化合物为酞菁衍生物，萘酞菁衍生物，卟啉衍生物，芳香二胺化合物或聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层材料为功函数低的无机化合物或者具有高的最低未被占用能级的有机化合物，无机化合物包括碳酸铯、氟化锂、氧化钙)、氧化钛或氧化锌，有机化合物为金属有机配合物、吡啶类、邻菲咯啉类、噁二唑类或咪唑类化合物材料中的一种材料。
5.一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①对衬底进行超声清洗，清洗后吹干；
②将衬底移入真空蒸发室中进行阳极层的制备；
③采用真空蒸镀或旋涂的方法制备有机功能层，有机功能层至少包括电子给体层和电子受体层，所述电子给体层材料具有以下结构骨架：
④保持上述真空压力不变，在有机功能层制备结束后在真空室中进行阴极层的制备；
⑤将做好的器件传送到手套箱进行封装，手套箱为氮气氛围。
6.根据权利要求5所述的有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，有机功能层的制备方法包括采取在高真空室中蒸镀的方式和在旋涂机中旋涂成膜的方式，或采取喷涂、自组装、喷墨打印、丝网印刷、剥离、有机气相沉积的方式及以上几种制备方式的组合使用。
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