CN102593362B

CN102593362B - 一种有机太阳能电池

Info

Publication number: CN102593362B
Application number: CN201210039497.9A
Authority: CN
Inventors: 密保秀; 高志强; 黄维; 李欣; 汪红娇
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102593362A

Abstract

本发明公开了一种基于1,3,4,5,6,7-hexaphenyl-2-3’-(9’-ethylcarbazolyl)-isoindole[HPCzI]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、阳极缓冲层、空穴传输层、混合光活性层、电子传输层、阴极缓冲层和阴极组成。其中所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯等透明材料，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物等，阳极缓冲层和空穴传输层为HPCzI，混合光活性层由有机给体材料与有机受体材料混合而成，如：CuPc或ZnPc混合C60或PCBM，电子传输层采用C60或其他有机电子传输材料，阴极缓冲层为TPBi、BCP、BPhen、LiF等，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。

Description

一种有机太阳能电池

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1,3,4,5,6,7-hexaphenyl-

2-3’(9’-ethylcarbazolyl)- isoindole [HPCzI] 材料的新型有机太阳能电池结构。该结构通过采用HPCzI材料作为有机太阳能电池的阳极缓冲层和空穴传输层，制备出功率效率高的有机太阳能电池。

背景技术

在煤炭、石油、天然气等化石能源日渐短缺、生态环境日益恶化的今天，太阳能以其可再生、绿色无污染、低成本等优势成为新一代能源之星。太阳能电池的研究始于上一世纪的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%。目前无机太阳能电池总能量转化效率达到了25%以上，但其昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀性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。而有机太阳能电池（OPV）凭其诸多优势，如：加工过程相对简单，可低温操作，器件制作成本较低、可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等，引起了国内外各界的广泛研究兴趣，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。有机太阳能电池目前最大的应用瓶颈是效率较低这一问题。科学工作者们花费巨大精力研究提升有机太阳能电池效率的途径，如选择新型有机材料、改善太阳能电池结构、对太阳能电池器件进行界面修饰等。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于HPCzI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。本发明通过采用HPCzI材料作为有机太阳能电池结构中的阳极缓冲层和空穴传输层，采用电子给体材料和电子受体材料混合制备的光活性层，以界面修饰的方法使该类结构的有机太阳能电池的功率效率得到了较大提高。

技术方案：本发明的太阳能电池基于1,3,4,5,6,7-hexaphenyl-2-3’-

(9’-ethylcarbazolyl)-isoindole材料，简称HPCzI材料，该太阳能电池的结构由下到上依次为：衬底、阳极、阳极缓冲层、空穴传输层、混合光活性层、电子传输层、阴极缓冲层、阴极；所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯材料，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，阳极缓冲层和空穴传输层为HPCzI，混合光活性层由有机给体材料与有机受体材料混合而成，电子传输层采用富勒烯C60或其他有机电子传输材料，阴极缓冲层为TPBi、BCP、BPhen或LiF，阴极采用功函数相对阳极低的金属或金属合金。

所述的阳极缓冲层和空穴传输层总厚度为100～450 Å，混合光活性层厚度为200～1000 Å ，电子传输层厚度为50～300 Å，阴极缓冲层的厚度为50～150 Å ，阴极厚度为500~1000 Å。

所述的混合光活性层由电子给体材料与电子受体材料混合制备而成，其中电子给体材料为CuPc或ZnPc，电子受体材料为 C60或PCBM。

所述的基于HPCzI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.在阳极上制备阳极缓冲层和空穴传输层；

c.在空穴传输层上制备混合光活性层；

d.在混合光活性层上制备电子传输层；

e.在电子传输层上制备阴极缓冲层；

f.在阴极缓冲层上蒸镀阴极。

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；

阳极缓冲层、空穴传输层、混合光活性层、电子传输层、阴极缓冲层均为有机层，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，我们在阳极和混合光活性层之间引入基于HPCzI材料的阳极缓冲层。HPCzI拥有良好的成膜性能、高热稳定性以及空穴传输能力，不失为一种良好的阳极缓冲层材料，引入该层使得载流子的传输和收集效率大大提高，进而提高器件性能。作为HPCzI在OPV中应用的实例，我们采用CuPc与C60混合来形成光活性层。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材料。混合C60增加了活性层的光谱吸收范围，达到尽可能的光利用率，同时两种材料的混合增大了激子解离界面，促进激子的解离。电子传输层可采用C60，主要是由于C60有很高的电子迁移率（0.5 cm²/Vs），是优秀的电子传输材料。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4.5-4.8 eV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HPCzI材料的新型有机太阳能电池结构，通过在阳极的后面引入阳极缓冲层，有利于改善电极和光活性层的界面接触性能,能够有效降低器件的串联电阻，提高载流子的传输和收集效率。

附图说明

图1本发明提供的基于HPCzI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本发明器件随CuPc浓度变化的I-V曲线；

图4本发明器件与标准器件的效率随CuPc掺杂浓度变化曲线。

具体实施方式

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15 Ω/□）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。有机材料是在3.5×10^-4 Pa的压力下被真空蒸镀的，蒸镀阴极铝时的真空为2×10^-3 Pa。蒸镀时ITO衬底为室温，HPCzI在使用前被升华提纯，实验中使用的C60的纯度达到了99.9%。HPCzI的蒸镀速率约为1Å/s ，光活性层是CuPc与C60共蒸镀，1:1混合浓度时蒸镀速率均为0.25 Å/s ，电子传输层C60的蒸镀速率约为0.45Å/s，TPBi的蒸镀速率均为0.55 Å/s，Al的蒸镀速率约为18 Å/s。制备好的器件的有效面积（阴极和阳极重叠部分）为0.1 cm²。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。测量是在太阳光模拟器产生的AM 1.5的光照下(100 mW/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，所有测量都是在大气环境下完成的。本发明器件结构如图1所示，该太阳能电池基于1,3,4,5,6,7-hexaphenyl-2-3’-(9’-ethylcarbazolyl)-isoindole材料，简称HPCzI材料，该太阳能电池的结构由下到上依次为：衬底、阳极、阳极缓冲层、空穴传输层、混合光活性层、电子传输层、阴极缓冲层、阴极；所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯材料，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，阳极缓冲层和空穴传输层为HPCzI，混合光活性层由有机给体材料与有机受体材料混合而成，电子传输层采用富勒烯C60或其他有机电子传输材料，阴极缓冲层为TPBi、BCP、BPhen或LiF，阴极采用功函数相对阳极低的金属或金属合金。

所述的阳极缓冲层和空穴传输层总厚度为100～450 Å，混合光活性层厚度为200～1000 Å ，电子传输层厚度为50～300 Å，阴极缓冲层的厚度为50～150 Å ，阴极厚度为500~1000 Å。所述的混合光活性层由电子给体材料与电子受体材料混合制备而成，其中电子给体材料为CuPc或ZnPc，电子受体材料为 C60或PCBM。

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：玻璃衬底 / ITO / CuPc (200 Å) / C60 (400 Å) / Al (1000 Å)。

标准器件-2：玻璃衬底 / ITO / CuPc (150Å) / CuPc：C60 1:1(250Å) / C60（200Å）TPBi (80 Å) /Al (1000 Å)。

本发明器件：玻璃衬底/ ITO / HPCzI(150Å) / CuPc：C60 1:1 (250Å) / C60（200Å）TPBi (80 Å) /Al (1000 Å)。

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100 mW/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	3.27	0.41	54	0.73
标准器件-2	6.27	0.42	32	0.85
					本发明器件	5.56	0.5	47.8	1.33

实施例2

该实施例展示了HPCzI与CuPc材料分别作为阳极缓冲层，混合光活性层中CuPc浓度为30%、50%、75%时器件的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率比较。

标准器件结构：玻璃衬底 / ITO / CuPc (150Å) / CuPc：C60 (250Å) / C60（200Å）/TPBi (80 Å) /Al (1000 Å)。

本发明器件结构：玻璃衬底/ ITO / HPCzI (150Å) / CuPc：C60 (250Å) / C60（200Å）/ TPBi (80 Å) /Al (1000 Å)。

表2为不同CuPc掺杂浓度的本发明器件与标准器件的短路电流、开路电压、功率效率及填充因子的相应数值。由表2可以看出本发明器件在CuPc浓度为30%、50%、75%的器件效率均高于标准器件。

表2不同CuPc掺杂浓度的本发明器件（1）与标准器件（2）的短路电流、开路电压、功率效率及填充因子值

Figure 2012100394979100002DEST_PATH_IMAGE001

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

BCP：Bathocuproine

LiF：氟化锂（Lithium Chloride）

BPhen：Bathophenanthroline

HPCzI：1,3,4,5,6,7-hexaphenyl-2-3’-(9’-ethylcarbazolyl)-isoindole。

Claims

1.一种有机太阳能电池，其特征在于该太阳能电池基于

1,3,4,5,6,7-六苯基-2-[3`-(9`-乙基咔唑)]-异吲哚(1,3,4,5,6,7-hexaphenyl-2-3’-(9’-ethylcarbazolyl)-isoindole)材料，简称HPCzI材料，该太阳能电池的结构由下到上依次为：衬底、阳极、阳极缓冲层、空穴传输层、混合光活性层、电子传输层、阴极缓冲层、阴极；所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯材料，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，阳极缓冲层和空穴传输层为HPCzI，混合光活性层由有机给体材料与有机受体材料混合而成，电子传输层采用富勒烯C60电子传输材料，阴极缓冲层为TPBi、BCP、BPhen或LiF，阴极采用功函数相对阳极低的金属或金属合金；

所述的混合光活性层由电子给体材料与电子受体材料混合制备而成，其中电子给体材料为CuPc或ZnPc，电子受体材料为C60或PCBM。

2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于所述的阳极缓冲层和空穴传输层总厚度为混合光活性层厚度为

电子传输层厚度为

阴极缓冲层的厚度为

阴极厚度为