CN105190927B - 光活性层、包括该光活性层的有机光伏电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括电子受体、电子给体和含有减小表面能的官能团的化合物的光活性层，包括该光活性层的有机光伏电池，及其制造方法。根据本发明的有机光伏电池通过将含有减小电子受体表面能的官能团的化合物引入光活性层来使得光活性层中的电子受体和电子给体能够均匀分布。
Description
技术领域
本说明书涉及光活性层，包括该光活性层的有机光伏电池，及其制造方法。
本说明书要求2013年5月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0053376号的优先权和利益，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
由于无污染的优点，光伏电池从全球环境保护的视角受到重新评估，并且对作为下一代清洁能源的光伏电池的研究已在活跃地进行。
作为迄今已知的光伏电池的类型，存在许多不同的类型，例如化合物半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机聚合物太阳能电池，包括使用单晶或多晶块体硅的太阳能电池，和使用非晶、微晶或多晶硅的薄膜型太阳能电池。
在相关技术中，使用市售的单晶块体硅的太阳能电池由于高昂的制造成本和安装成本尚未被积极利用。
为了解决成本问题，已经对使用有机材料的薄膜型太阳能电池进行了研究，并且用于制造高效光伏电池的各种尝试已被提出。
有机薄膜光伏电池技术，作为其中使用聚合物或低分子有机半导体将太阳能转换成电能的技术，是下一代技术，均包括超低价格和通用大量生产的特性，例如薄膜型装置、大型装置以及基于低成本和制造过程容易(其为有机材料的最大优点)的通过卷对卷法的柔性装置。
通常，有机光伏电池包括由电子给体和电子受体材料的接合结构组成的光活性层。
当光入射到光活性层时，电子和空穴对在电子给体中被激发，并且在电子移动到电子受体时发生电子和空穴的分离。因此，由光产生的载流子在载流子分离成电子-空穴并随后移动到外部电路时产生电力。
由于上述原因，最近的关注点集中在价格低廉并且可以应用到柔性基底的体异质结有机光伏电池上。
美国专利申请公开第2006-0011233号公开了有机光伏电池，其中使用聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为电子给体和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)作为电子受体，并且通过旋涂法引入光活性层，但其能量转换效率不是很高。
[现有技术文献]
[专利文献]
韩国专利申请公开第2007-0101430号
发明内容
技术问题
本说明书涉及光活性层，包括该光活性层的有机光伏电池，及其制造方法。
技术方案
本说明书的示例性实施方案提供有机光伏电池，其包括：第一电极；设置为与第一电极相对的第二电极；以及布置在第一电极和第二电极之间的光活性层，其中光活性层包括电子受体、电子给体、以及含有减小表面能的官能团的化合物。
本说明书的示例性实施方案提供包括电子受体和电子给体的光活性层，其中光活性层包括还含有减小电子受体表面能的官能团的化合物。
本说明书的另一个示例性实施方案提供用于制造有机光伏电池的方法，所述方法包括：制备基底；在基底的区域形成第一电极；在第一电极的上部形成包括光活性层的有机材料层；以及在有机材料层的上部形成第二电极，其中光活性层包括电子受体、电子给体、以及含有减小电子受体表面能的官能团的化合物。
有益效果
根据本说明书的示例性实施方案的有机光伏电池将含有减小电子受体表面能的官能团的化合物引入光活性层的内部，从而使电子受体和电子给体在光活性层内部均匀分布。在这种情况下，可以调节光活性层的形态，从而提高短路电流密度和填充因子。由此，可以提供高效的有机光伏电池。
附图说明
图1是示出根据含有减小电子受体表面能的官能团的化合物的含量，在P3HT/PCBM膜表面上的硫/氧原子相对比率的图。
具体实施方式
下文将对本说明书进行详细描述。
本说明书的示例性实施方案提供一种有机光伏电池，其包括：第一电极；提供为与第一电极相对的第二电极；以及布置在第一电极和第二电极之间的光活性层，其中光活性层包括电子受体、电子给体、以及含有减小表面能的官能团的化合物。
在本说明书中，电子给体一般指具有负电荷或非共价电子对并且向正电荷或电子对缺乏的部分供给电子。此外，电子给体包括即使不具有负电荷或非共价电子对，但在与电子受体的混合状态下，当接收光时能够将受激电子转移到由于分子本身的优异电子保留性质而具有高电负性的电子受体的那些。
在本说明书中，电子受体是指从电子给体接受电子的那些。
在本说明书中，表面能是指固体的表面张力，并且可以通过滴下特定溶剂以测量接触角来计算。通过测量接触角来获得表面能的方法是在本领域中通常使用的方法。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物不与电子受体或电子给体相结合，因此不影响电子给体或电子受体的功能。
此外，在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物不影响电子受体或电子给体的功能。此外，含有减小表面能的官能团的化合物减小表面能而不用于接受或供给电子。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物可以相比于对电子给体具有对电子受体的亲和力，从而选择性地减小电子受体的表面能。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物减小电子受体的表面能。
当选择性地减小电子受体的表面能时，防止了电子给体因为表面能相对低而紧密堆积在光活性层的表面上的现象。此外，电子受体和电子给体之间的表面能差异可以减小，以允许电子受体和电子给体均匀分布在光活性层的内部，从而提供光活性层的适当形态。在这种情况下，可以提供高效的有机光伏电池。
在本说明书的示例性实施方案中，当含有减小表面能的官能团的化合物被放入光活性层时，电子受体的表面能与电子给体的表面能相差0.1％至30％。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物在常温下是固体化合物，并且即使在制备了光活性层之后也仍保留在光活性层内部。
即，根据本说明书的示例性实施方案的含有减小表面能的官能团的化合物不充当溶解电子受体和电子给体的溶剂。
含有减小表面能的官能团的化合物保留在光活性层内部以允许电子受体和电子给体均匀分布，从而用于控制光活性层的形态。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物按电子受体的重量计以0.25重量％至1重量％的量存在。
在该范围内，电子受体的表面能可以控制为与电子给体的表面能相似。因此，电子受体和电子给体之间的表面能差异可以减小，以允许电子受体和电子给体均匀分布在光活性层内部，从而赋予降低光活性层的表面粗糙度的效果。
图1是示出根据含有减小电子受体表面能的官能团的化合物的含量，在P3HT/PCBM膜表面上的硫/氧原子相对比率的图。
具体而言，在P3HT中的硫原子和在PCBM中的氧原子的比率通过二次离子质谱法(SIMS)进行测量。
如图1所示，不包括含有减小表面能的官能团的化合物的光活性层膜表面的硫/氧原子的比率接近约2倍。可以证实电子给体(P3HT)存在于表面上。当包括含有减小表面能的官能团的化合物时，可以证实硫/氧的比率降低。
另外，可以证实在含有减小表面能的官能团的化合物(2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺)为0.25重量％至1重量％时，光活性层表面上的硫和氧的含量彼此相似。可以证明电子受体和电子给体均匀分布。
在本说明书的示例性实施方案中，减小表面能的官能团包括至少一个氟基(F)。
在本说明书的示例性实施方案中，减小表面能的官能团包括具有1至20个碳原子的被取代或未被取代的烷基，并且在烷基中取代有至少一个氟基。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物提供由下式1表示的化合物。
[式1]
Ar——L——R
在式1中，
Ar为被取代或未被取代的芳基；或者被取代或未被取代的杂环基，
L为直接的键；被取代或未被取代的二价酰胺基；被取代或未被取代的亚烷基；被取代或未被取代的亚芳基；或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的被取代或未被取代的二价杂环基，并且
R是具有1至20个碳原子的烷基，其被至少一个氟基取代。
在本说明书的示例性实施方案中，Ar为被取代或未被取代的萘基。
在本说明书的示例性实施方案中，Ar为被取代或未被取代的芴基。
在本说明书的示例性实施方案中，Ar为被取代或未被取代的苯基。
在本说明书的示例性实施方案中，L为被取代或未被取代的二价酰胺基。
在本说明书的示例性实施方案中，L为被取代或未被取代的亚烷基。
在本说明书的示例性实施方案中，L为被氟基取代的亚烷基。
在本说明书的示例性实施方案中，L为直接的键。
在本说明书的示例性实施方案中，R为被至少一个氟基取代的烷基。
在本说明书的示例性实施方案中，R为七氟丙基。
在本说明书的示例性实施方案中，R为九氟丁基。
在本说明书的示例性实施方案中，由式1表示的化合物提供由下式1-1至1-5的任何一个表示的化合物，但不限于此。
[式1-1]
式[1-2]
式[1-3]
式[1-4]
式[1-5]
在式1-1至式1-5中
a、b和d各自为0至7的整数，
c和e各自为0至5的整数，并且
R1至R5，以及R′和R″彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；被取代或未被取代的烷基；被取代或未被取代的烷氧基；被取代或未被取代的烯基；被取代或未被取代的芳基；或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的被取代或未被取代的杂环基。
取代基的实例将在下文描述，但不限于此。
在本说明书中，“被取代或未被取代”是指被选自以下的一种或更多种取代基取代：卤素基团、腈基、硝基、羟基、烷基、环烷基、烯基、烷氧基、芳氧基、巯基、烷硫基、芳硫基、亚砜基、烷基亚砜基、芳基亚砜基、甲硅烷基、硼基、芳胺基、芳烷基胺基、烷胺基、芳基、芴基、咔唑基、芳烷基、芳烯基、杂环基和乙炔基，或不具有取代基。
在本说明书中、杂环基是包含作为杂原子的O、N或S的杂环基，并且其碳原子数目没有特别的限制，但优选为2至60。杂环基的实例包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、唑基、二唑基、三唑基、吡啶基、联吡啶基、三嗪基、吖啶基、哒嗪基、喹啉基、异喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯并唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并咔唑基、苯并噻吩基、二苯并噻吩基、苯并呋喃基、二苯并呋喃基等，但不限于此。
在本说明书中，烷基可以是直链的、支化的、或环状链的。
烷基的碳原子数没有特别的限制，但是优选为1至25。烷基的特定实例包括甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、新戊基、正己基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基等，但不限于此。
在本说明书中，烯基可以是直链的或支化链的，并且优选为具有2至40个碳原子的烯基，特别地，烯基优选是其中的芳基(例如均二苯乙烯基和苯乙烯基)被取代的烯基，但不限于此。
在本说明书中，烷氧基可以是直链的、支化的、或环状链的。烷氧基的碳原子数没有特别的限制，但优选为1至25。其特定实例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、环戊氧基等，但不限于此。
在本说明书中，芳基可以是单环芳基或多环芳基，并且包括其中具有1至25个碳原子的烷基或具有1至25个碳原子的烷氧基被取代的情况。另外，在本说明书中芳基可以指芳环。
当芳基是单环芳基时，碳原子数没有特别的限制，但是优选为6至25。单环芳基的特定实例包括苯基、联苯基、三联苯基、均二苯乙烯基等，但不限于此。
当芳基是多环芳基时，碳原子数没有特别的限制，但是优选为10至24。多环芳基的特定实例包括萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、基、芴基等，但不限于此。
在本说明书中，酰胺基的一个或两个氮原子可以被氢，具有1至25个碳原子的直链、支化链或环状链烷基，或具有6至25个碳原子的芳基取代。特别地，酰胺基可以是具有以下结构式的化合物，但不限于此。
在本说明书中，二价酰胺基、亚芳基和二价杂环基是指在酰胺基、芳基和杂环基中分别存在两个结合位置。除了这些基团各自为二价基团外，对酰胺基、芳基和杂环基的上述说明可以应用到这些基团中。
在本说明书的示例性实施方案中，电子受体为富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。
在本说明书的示例性实施方案中，富勒烯衍生物选自C60富勒烯衍生物、C70富勒烯衍生物、C76富勒烯衍生物、C78富勒烯衍生物、C84富勒烯衍生物和C90富勒烯衍生物。
在另一个示例性实施方案中，非富勒烯衍生物具有-2.0eV至-6.0eV的LUMO能级。在另一个示例性实施方案中，非富勒烯衍生物具有-2.5eV至-5.0eV的LUMO能级。在另一个示例性实施方案中，非富勒烯衍生物具有-3.5eV至-4.5eV的LUMO能级。
在本说明书的示例性实施方安案中，电子受体为[6，6]-苯基C-丁酸甲酯(PCBM)。
在本说明书的示例性实施方案中，电子给体为聚(3-己基噻吩)(P3HT)。
在本说明书的示例性实施方案中，光活性层的电子受体和电子给体可以形成体异质结(BHJ)。
在本说明书的示例性实施方案中，光活性层的厚度为60nm至300nm。
在本说明书中，光活性层的厚度是指光活性层的表面和与其相对的表面之间的宽度。
在本说明书的示例性实施方案中，提供了有机光伏电池，其中，比起不包括含有减小表面能的官能团的化合物的情况，光活性层的表面粗糙度减小30％至55％。
光活性层的表面粗糙度受光活性层的热处理温度的影响。在本说明书中的表面粗糙度利用原子力显微镜(AFM)进行测量。
在本说明书中，表面粗糙度是指表面上存在的不规则组分，其为在制造光活性层的过程中留在表面上的固有属性。
当光活性层的表面粗糙度增大时，可能引起高接触电阻。表面粗糙度可以通过以下方法降低：将含有减小表面能的官能团的化合物添加到根据本说明书示例性实施方案的有机光伏电池中，以减小电子给体和电子受体的域尺寸。
在本说明书的示例性实施方案中，比起其中不包括含有减小表面能的官能团的化合物的情况，电子受体的表面能可以减小15％至55％。
本说明书的电子受体具有30mN/m至48mN/m的表面能。
在本说明书的示例性实施方案中，电子给体和电子受体的重量比为1∶0.5至1∶5。
在本说明书的示例性实施方案中，有机光伏电池在第一电极和光活性层之间还包括空穴传输层和空穴注入层中的一种或更多种。
在本说明书的示例性实施方案中，有机光伏电池在第二电极和光活性层之间还包括电子传输层。
在本说明书的示例性实施方案中，有机光伏电池在第二电极和光活性层之间还包括电子传输层或空穴传输层。
在本说明书的示例性实施方案中，提供了光活性层，其中光活性层是还包括含有减小表面能的官能团的化合物的光活性层作为包括电子受体和电子给体的光活性层。
对电子受体、电子给体和含有减小表面能的官能团的化合物的说明与上文所述相同。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小表面能的官能团的化合物减小电子受体的表面能。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小电子受体表面能的官能团的化合物按电子受体的重量计以0.25重量％至1重量％的量存在。
在另一个示例性实施方案中，比起其中不包括含有减小表面能的官能团的化合物的情况，光活性层的表面粗糙度减小30％至55％。
在另一个示例性实施方案中，比起其中不包括含有减小表面能的官能团的化合物的情况，电子受体的表面能下降15％至55％。
在另一个示例性实施方案中，电子受体的表面能与电子给体的表面能相差0.1％至30％。
在本说明书的示例性实施方案中，第一电极可以是阳极电极或阴极电极。此外，第二电极可以是阴极电极或阳极电极。
在本说明书的示例性实施方案中，在有机光伏电池中，阳极电极、光活性层和阴极电极可以以这种顺序布置，或者阴极电极、光活性层和阳极电极可以以这种顺序布置，但顺序不限于此。
在另一个示例性实施方案中，在有机光伏电池中，阳极电极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极电极可以以这种顺序布置，或者阴极电极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极电极可以以这种顺序布置，但顺序不限于此。
在另一个示例性实施方案中，在有机光伏电池中，阳极电极、缓冲层、光活性层和阴极电极可以以这种顺序布置。
本说明书的示例性实施方案提供了用于制造有机光伏电池的方法，所述方法包括：制备基底；在基底的区域形成第一电极；在第一电极的上部形成包括光活性层的有机材料层；以及在有机材料层的上部形成第二电极，其中光活性层包括电子受体、电子给体、以及含有减小电子受体表面能的官能团的化合物。
在本说明书的示例性实施方案中，含有减小电子受体表面能的官能团的化合物按电子受体的重量计以0.25重量％至1重量％的量存在。
对电子受体、电子给体和含有减小表面能的官能团的化合物的说明与上文所述相同。
本说明书的有机光伏电池可以通过本领域已知的材料和方法制造，不同之处在于光活性层中包括含有减小表面能的官能团的化合物。
基底可以是具有优异的透明度、表面平滑度、处理容易性和防水性的透明塑料基底或玻璃基底，但不限于此，只要基底是通常用于有机光伏电池的基底就没有限制。其特定实例包括玻璃、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PP(聚丙烯)、PI(聚酰亚胺)、TAC(三乙酰基纤维素)等，但不限于此。
阳极电极可以由具有透明度和优异导电性的材料制成，但不限于此。阳极电极的特定实例包括金属，例如钒、铬、铜、锌和金，或其合金；金属氧化物，例如氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)；金属和氧化物的组合，例如ZnO∶Al或SnO2∶Sb；以及导电聚合物，例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3，4-(乙烯-1，2-二氧)噻吩](PEDOT)、聚吡咯和聚苯胺等，但不限于此。
用于形成阳极电极的方法没有特别的限制，但阳极电极可以通过被施用在基底的一个表面上或通过使用以下方法以膜的形式被涂覆来形成：例如溅镀、电子束、热沉积、旋涂、丝网印刷、喷墨印刷、刮刀或凹版印刷法。
当阳极电极在基底上形成时，可以使基底经历清洗、除去水分和亲水改性的过程。
例如，当图形化ITO基底依次用清洗剂、丙酮和异丙醇(IPA)洗涤，在加热板上在100℃至150℃下干燥1至30分钟，优选在120℃下干燥10分钟以除去水分，并且完全洗涤时，基底的表面被亲水改性。
通过上述表面改性，接合表面电势可以保持在适合于光活性层的表面电势的水平。此外，在改性过程中，聚合物薄膜可以容易地在阳极电极上形成，并且薄膜的品质也可以得以提高。
阳极电极的预处理技术的实例包括a)使用平行板放电的表面氧化法，b)通过在真空状态下使用紫外线所产生的臭氧来氧化表面的方法，c)使用由等离子体产生的氧自由基来氧化阳极电极的方法，等等。
可以根据阳极电极或基底的状态来选择所述方法之一。然而，当使用任何方法时，优选的是防止阳极电极或基底的表面上的氧气离开，并且通常最大限度地抑制水分和有机材料的保留。在这种情况下，可以使预处理的实质效果最大化。
作为特定实例，可以使用通过使用UV产生的臭氧来氧化表面的方法。在这种情况下，在超声清洗之后，将图形化ITO基底在加热板上进行烘烤并彻底干燥，并且引入室内，然后可以用臭氧进行洗涤，所述臭氧通过启动UV灯以使氧气与紫外线反应来产生。
然而，在本说明书中对图形化ITO基底的表面进行改性的方法不需要特别的限制，并且还可以使用任何方法，只要该方法是氧化基底的方法即可。
阴极电极可以由具有小的功函数的金属制成，但不限于此。其特定实例包括金属，例如镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、铝、银、锡、和铅，或其合金；以及具有多层结构的材料，例如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Fe、Al∶Li、Al∶BaF2、以及Al∶BaF2∶Ba，但不限于此。
阴极电极可以在真空度为5×10-7托或更低的热沉积装置内部沉积并形成，但其形成不限于该方法。
空穴传输层和/或电子传输层的材料用于有效地将从光活性层中分离的电子和空穴传输到电极，并且材料没有特别的限制。
空穴输送层的材料可以是掺杂有聚(苯乙烯磺酸)的PEDOT：PSS(聚(3，4-乙烯二氧噻吩))、钼氧化物(MoOx)；氧化钒(V2O5)；氧化镍(NiO)；钨氧化物(WOx)；等等，但不限于此。
电子传输层材料可以是吸电子的金属氧化物，并且特别地可以为8-羟基喹啉的金属络合物；包含Alq3的络合物；包含Liq的金属络合物；LiF；Ca；钛氧化物(TiOx)；氧化锌(ZnO)、碳酸铯(Cs2CO3)，等等，但不限于此。
光活性层可以通过以下方法形成：将光活性材料，例如电子给体和/或电子受体溶解在有机溶剂中，然后通过例如旋涂、浸涂、丝网印刷、喷涂、刮刀和刷涂的方法涂覆所得溶液，但该方法不限于此。
发明实施方式
根据本说明书示例性实施方案的有机光伏电池的制造将在以下实施例中进行具体描述。然而，以下实施例被提供以对本说明书进行说明，但本说明书的范围不限于此。
实施例
电子受体的表面能的测量
电子受体(PCBM)的表面能根据所添加的表面能的量的变化示于下表1。
通过测量离子化水和甘油两种溶剂的接触角来获得表面能。
表1
[表1]
可以证实电子给体的表面能(P3HT)为32.3mN/m，其与当以0.25重量％至1重量％的量添加含有减小表面能的官能团的化合物(2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺)时的电子受体的表面能相似。由于电子给体的表面能与电子受体相似，因而电子给体和电子受体可以均匀分布在光活性层内部。
光活性层的表面粗糙度的测量
光活性层的表面粗糙度根据所添加的表面能的量的变化示于下表2。粗糙度利用AFM(原子力显微镜)进行测量。
表2
[表2]
在包括电子给体(P3HT)和电子受体(PCBM)的光活性层中，两种材料的域尺寸在热处理后变大，从而降低了电子受体和电子给体的接触面积。
当电子给体、电子受体、以及含有减小表面能的官能团的化合物(2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺)以0.25重量％至1重量％的量被包括在内时，可以证实各种材料的域尺寸减小，从而降低了表面粗糙度。在这种情况下，电子给体和电子受体之间的表面接触面积可得以增加。
光活性层表面上的硫/氧原子比的测量
电子给体(P3HT)中的硫原子和电子受体(PCBM)中的氧原子的比率通过二次离子质谱法(SIMS)进行测量。
图1是示出根据含有减小电子受体表面能的官能团的化合物的含量，在P3HT/PCBM膜的表面上的硫/氧原子相对比率的图。
如图1所示，不包括含有减小表面能的官能团的化合物的光活性层膜表面的硫/氧原子的比率接近约2倍。可以证实电子给体(P3HT)存在于表面上。当包括含有减小表面能的官能团的化合物时，可以证实硫/氧的比率减小。可以证实在含有减小表面能的官能团的化合物(2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺)为0.25重量％至1重量％时，光活性层表面上的硫和氧的含量彼此相似。可以证明电子受体和电子给体均匀分布。
实施例1
[图形化ITO基底的清洗]
为了清洗图形化ITO玻璃(表面电阻～125Ω/Sq2，Shinan SNP Co.，SNP)基底的表面，清洗剂(Alconox，Aldrich，美国)、丙酮和异丙醇(IPA)以此顺序被用于超声清洗基底各20分钟，剩余的水用氮气完全吹除，然后将基底在加热板上在120℃下干燥10分钟以完全除去水分。当图形化ITO基底被彻底清洗时，将表面在UVO清洗器(Ahtech LTS，韩国)中进行亲水改性10分钟。
[空穴传输层的制造]
在将异丙醇(IPA)与聚(3，4-乙烯二氧噻吩)∶聚(4-苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS_Clevious P AI 4083)以1∶2的比率混合之后，以约30nm的厚度旋涂该混合物，然后在加热板上在180℃下进行热处理12分钟。
[光活性层的制造]
聚-3-己基噻吩(P3HT)用作电子给体，并且[6，6]-苯基C60-丁酸甲酯(PCBM)用作电子受体。将2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺以按PCBM的重量计为0.25重量％的量添加到其中P3HT和PCBM(60)以1∶1的重量比混合的光活性层材料中，将该混合物溶解在其中1，2-二氯苯和氯苯以9∶1的比例混合的溶剂中，并且将所得溶液旋涂在PEDOT：PSS层的上部以形成厚度为230nm的光活性层。
[电极的制造]
在制造光活性层之后，在热沉积装置内部以3nm的厚度沉积Ca，并且以100nm的厚度沉积铝电极，从而制造面积为0.04cm2的有机光伏电池。
实施例2
以与实施例1相同的方式进行该过程，不同之处在于在光活性层的制造过程中，以按PCBM的重量计为0.5重量％的量混合2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺。
实施例3
以与实施例1相同的方式进行该过程，不同之处在于在光活性层的制造过程中，以按PCBM的重量计为1重量％的量混合2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺。
实施例4
以与实施例1相同的方式进行该过程，不同之处在于在光活性层的制造过程中，以按PCBM的重量计为3.0重量％的量混合2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺。
实施例5
以与实施例1相同的方式进行该过程，不同之处在于在光活性层的制造过程中，以按PCBM的重量计为5.0重量％的量混合2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺。
实施例6
以与实施例1相同的方式进行该过程，不同之处在于在光活性层的制造过程中，以按PCBM的重量计为10.0重量％的量混合2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺。
比较例1
以与实施例1相同的方式进行该过程，不同之处在于在光活性层的制造过程中，没有添加2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺。
有机光伏电池的特性评估
为了测量在实施例1至6和比较例1中制造的有机光伏电池的电-光特性，在标准条件(空气质量1.5Clobal，100mW/cm2)下使用Oriel太阳能模拟器(AAA级)测量电流-电压密度。
有机光伏电池的光短路电流密度(JSC)、光开路电压(VOC)、填充因子(FF)和能量转换效率示于下表3中。
在这种情况下，填充因子以最大功率点的电压值(Vmax)＊电流密度(Jmax)/(VOC＊JSC)来计算，并且能量转换效率以FF＊(JSC＊VOC)/Pin来计算，Pin＝100[mW.cm2]。
表3
[表3]
| 含量(wt％) | Jsc(mA/cm2) | Voc(V) | FF(％) | PCE(％) | |
| 实施例1 | 0.25 | 11.6 | 0.63 | 54.9 | 4.0 |
| 实施例2 | 0.5 | 12.6 | 0.63 | 55.8 | 4.4 |
| 实施例3 | 1 | 12.5 | 0.63 | 55.2 | 4.3 |
| 实施例4 | 3 | 11.1 | 0.63 | 54.2 | 3.8 |
| 实施例5 | 5 | 11.0 | 0.63 | 55.7 | 3.8 |
| 实施例6 | 10 | 11.0 | 0.63 | 50.7 | 3.5 |
| 比较例1 | 0 | 10.5 | 0.63 | 49.4 | 3.2 |
在表1中，含量是指与电子受体相比的2，2，3，3，4，4，4-七氟-N-苯基-丁基酰胺(PCBM)的含量，JSC是指短路电流密度，FF是指填充因子，并且PCE是指光电转换效率。开路电压和短路电流分别是在电压-电流密度曲线的第四象限X轴和Y轴的截距，并且随着这两个值变高，光伏电池的效率优选地提高。此外，填充因子是通过将在曲线内部可以绘出的矩形的宽度除以短路电流和开路电压的乘积而获得的值。当这三个值除以照射光强度时，可以获得能量转换效率，并且较高的值是优选的。
如表1所示，比较例1中的光电转换效率为3.2％，而在其中添加了含有减小表面能的官能团的化合物的实施例1至6中，光电转换效率得以提高。特别地，当含有减小表面能的官能团的化合物的含量为0.25重量％至1重量％时，可以证实光电转换效率提高了约25％或更多。此外，当添加含有减小表面能的官能团的化合物时，可以证实短路电流密度也得以增加。
Claims (18)
1.一种有机光伏电池，其包括：
第一电极；
设置为与所述第一电极相对的第二电极；以及
布置在所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层，
其中所述光活性层包括电子受体、电子给体、以及含有减小表面能的官能团的化合物，
其中所述含有减小表面能的官能团的化合物是由下式1-1至1-5中的任何一个表示的化合物：
[式1-1]
式[1-2]
式[1-3]
式[1-4]
式[1-5]
在式1-1至式1-5中，
a、b和d各自为0至7的整数，
c和e各自为0至5的整数，并且
R1至R5，以及R'和R”彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；被取代或未被取代的烷基；被取代或未被取代的烷氧基；被取代或未被取代的烯基；被取代或未被取代的芳基；或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的被取代或未被取代的杂环基。
2.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述含有减小表面能的官能团的化合物使所述电子受体的表面能减小。
3.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述减小表面能的官能团是包含至少一个氟基的基团。
4.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述含有减小表面能的官能团的化合物按所述电子受体的重量计以0.25重量％至1重量％的量存在。
5.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述电子受体的表面能与所述电子给体的表面能相差0.1％至30％。
6.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述含有减小表面能的官能团的化合物在常温下是固体。
7.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述光活性层具有60nm至300nm的厚度。
8.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中，比起不包括所述含有减小表面能的官能团的化合物的情况，所述光活性层的表面粗糙度减小30％至55％。
9.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述电子给体与所述电子受体的重量比为1:0.5至1:5。
10.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述有机光伏电池还包括在所述第一电极和所述光活性层之间的空穴传输层和空穴注入层中的一种或更多种。
11.根据权利要求1所述的有机光伏电池，其中所述有机光伏电池还包括在所述第二电极和所述光活性层之间的电子传输层或空穴传输层。
12.一种光活性层，其包括：
电子受体和电子给体，
其中所述光活性层还包括含有减小表面能的官能团的化合物，
其中所述含有减小表面能的官能团的化合物是由下式1-1至1-5中的任何一个表示的化合物：
[式1-1]
式[1-2]
式[1-3]
式[1-4]
式[1-5]
在式1-1至式1-5中，
a、b和d各自为0至7的整数，
c和e各自为0至5的整数，并且
R1至R5，以及R'和R”彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；被取代或未被取代的烷基；被取代或未被取代的烷氧基；被取代或未被取代的烯基；被取代或未被取代的芳基；或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的被取代或未被取代的杂环基。
13.根据权利要求12所述的光活性层，其中所述含有减小表面能的官能团的化合物使所述电子受体的表面能减小。
14.根据权利要求12所述的光活性层，其中所述含有减小表面能的官能团的化合物按所述电子受体的重量计以0.25重量％至1重量％的量存在。
15.根据权利要求12所述的光活性层，其中，比起不包括所述含有减小表面能的官能团的化合物的情况，所述光活性层的表面粗糙度减小30％至55％。
16.根据权利要求12所述的光活性层，其中所述电子受体的表面能与所述电子给体的表面能相差0.1％至30％。
17.一种用于制造有机光伏电池的方法，所述方法包括：
制备基底；
在所述基底的区域形成第一电极；
在所述第一电极的上部形成包括光活性层的有机材料层；以及
在所述有机材料层的上部形成第二电极，
其中所述光活性层包括电子受体、电子给体、以及含有减小所述电子受体表面能的官能团的化合物，
其中所述含有减小表面能的官能团的化合物是由下式1-1至1-5中的任何一个表示的化合物：
[式1-1]
式[1-2]
式[1-3]
式[1-4]
式[1-5]
在式1-1至式1-5中，
a、b和d各自为0至7的整数，
c和e各自为0至5的整数，并且
R1至R5，以及R'和R”彼此相同或不同，并且各自独立地为氢；被取代或未被取代的烷基；被取代或未被取代的烷氧基；被取代或未被取代的烯基；被取代或未被取代的芳基；或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的被取代或未被取代的杂环基。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述含有减小电子受体表面能的官能团的化合物按所述电子受体的重量计以0.25重量％至1重量％的量存在。
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