CN107078151B - 包括金属纳米结构复合层的串联有机光伏器件 - Google Patents

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Abstract

一种对于将两个单个有机光伏器件(600)耦接以提供串联有机光伏器件有用的中间层(110)包含第一空穴传输层(114)、第一电子传输层(112)和插入在第一空穴传输层(114)与第一电子传输层(112)之间的金属纳米结构层(116)。金属纳米结构层(116)为电子和空穴提供有效的复合点。金属纳米结构层(116)可以包含银纳米线，提供卓越的光学特性并且允许使用低温、基于溶液的、对下部层没有负面影响的工艺形成金属纳米结构层(116)。

Description

包括金属纳米结构复合层的串联有机光伏器件
背景
技术领域
本发明涉及有机光伏器件，且特别涉及用于与串联有机光伏器件一起使用的中间层。
背景技术
随着越来越重视碳中性能源生产，且假设地球接收的太阳能充分供应，光伏作为一种有吸引力的能源正获得关注。目前，基于晶片的结晶硅技术和工艺制造了绝大多数的光伏器件，诸如太阳能电池。最近在有机光伏方面的开发、特别是在使用有机半导体的基于薄膜的有机光伏器件的开发已经表明具有提高的效率，有时会实现高于10％的效率。特别是当与更常规的基于硅晶片的光伏相比时，由于有机光伏器件诸如有机太阳能电池相对易于处理、具有固有的物理柔性(inherent physical flexibility)、和大太阳能收集器件的潜在的低制造成本，因此有机光伏器件诸如有机太阳能电池是有吸引力的。
与由于半导体中固有的电场的缘故而发生电荷分离的常规基于半导体的光伏器件相比，在有机光伏中，在包括与电子受主材料(即，电子传输层或“ETL”)组合的电子施主材料(即，空穴传输层或“HTL”)的活性层中发生电荷分离。在有机光伏的活性层中，具有至少等于最高占有分子轨道与最低未占有分子轨道之间能量差的能级的入射光子(incidentphoton)可导致形成激子，束缚电子/空穴对(bound electron/hole pair)。很大程度上，有机光伏的效率依赖于分离或离解形成激子的电子和空穴对。一旦离解了，在单层有机光伏电池(即，仅包括阳极、活性层和阴极的有机光伏)中，活性层分别传输一部分离解的空穴和电子至电池阴极和阳极，以提供电输出。
有机光伏器件的功率转换效率(power conversion efficiency,“PCE”)至少部分地依赖于活性层中使用的电子施主的吸收波谱。具有狭窄吸收波谱的电子施主一般会引起降低的短路电流密度(JSC)。有机光伏器件的PCE也依赖于热化损失(thermalizationloss)，该热化损失归因于超出最高占有分子轨道和最低未占有分子轨道之间的能量差的光子所承载的能量。当过多的光子能量转化为活性层中的热能(即，热)时发生这种热化损失。这种在活性层中的热能或者加热往往降低由有机光伏器件产生的开路电压(VOC)。
因此，本领域中仍存在通过加宽这种有机光伏器件中使用的活性层的吸收波谱同时降低这种有机光伏器件中的热化损失来提高有机光伏器件的功率转换效率的需求。
发明内容
串联有机光伏器件叠置电串联或并联连接的具有补充吸收波谱的两个或更多个有机光伏器件。这种结构加宽了串联器件的吸收波谱，从而增加了短路电流密度(JSC)同时降低了热化影响，从而增加了由串联有机光伏器件产生的开路电压(VOC)。在构造实际串联有机光伏器件中的主要挑战是用于耦接形成串联有机光伏器件的两个单个有机光伏器件的中间层。中间层通常位于第一有机光伏器件的活性层与第二有机光伏器件的活性层之间。通常地，最希望中间层非常透明、导电、和充分稳健(robust)以保护有机光伏器件的下部层。由于形成有机光伏器件的很多下部层是热敏感的，因此优选在低温进行创建中间层所需的处理步骤，例如经由溶液处理或类似的方式，而不是通过热沉积工艺。
本文描述了包括一个或多个透明或半透明层的实例性光学叠层。示范性的光学叠层可以包括形成至少一部分的第一表面的第一空穴传输层、形成至少一部分的第二表面的第一电子传输层。金属纳米结构层包括插入到第一空穴传输层与第一电子传输层之间的多个金属纳米结构。多个金属纳米结构可包括银纳米线(nanowire)、银纳米点(nanodot)或者其任意组合。多条银纳米线中每一个的纵向轴可被布置成平行于或基本平行于第一表面、第二表面、或者第一表面和第二表面两者。多个银纳米点中每一个的纵向轴可被布置成相对于第一表面处于非零角度，相对于第二表面处于非零角度，或者相对于第一表面和第二表面两者处于非零角度。
本文描述了实例性串联有机光伏器件。示范性的有机光伏器件包括中间层，该中间层结合了设置在第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间的金属纳米结构层。中间层包括被设置在第一有机光伏器件附近的第一空穴传输层、被设置在第二有机光伏器件附近的第一电子传输层和被设置在第一空穴传输层与第一电子传输层之间的金属纳米结构层。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层可包括银纳米线、银纳米点或其组合。令人惊讶的是，当金属纳米线形式的金属纳米结构为并联连接的串联有机光伏器件提供有效电极时，金属纳米点形式的金属纳米结构为串联连接的串联有机光伏器件提供有效复合位置(recombination site)。
本文也描述了制造串联有机光伏器件的实例性方法。示范性的方法包括具有表面的第一有机光伏器件遍及第一有机光伏器件的该表面全部或一部分形成第一空穴传输层。该方法还包括遍及第一空穴传输层的全部或一部分以第一浓度沉积包括多个金属纳米结构的溶液。该方法另外包括遍及基本上全部的第一空穴传输层拉平(level)沉积的金属纳米结构溶液。该方法还包括遍及拉平的金属纳米结构层的全部或一部分形成第一电子传输层。该方法还包括在形成第一电子传输层之后遍及第一电子传输层的全部或一部分形成第二有机光伏器件。
附图说明
在附图中，相同参考数字表示相似元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例画出。例如，角度和各元件的形状不按比例画出，且这些元件中的一些元件被任意放大和定位以提高附图易读性。而且，所绘制元件的特定形状并非意在传达与特定元件的实际形状相关的任意信息，且为了在附图中易于识别已经单独选择了元件的这些特定形状。
图1绘示了根据本文描述的实施方式具有包括空穴传输层、金属纳米结构层和电子传输层的复合层的单结有机光伏器件。
图2A-2C绘示了根据本文描述的实施方式的单结有机光伏器件以及各空穴传输层、金属纳米结构层和电子传输层组合的透射特性。
图3A-3I是根据本文描述的实施方式的与各中间层材料组合相关的二和三维原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)图像和高度分布(height profile)。
图4A-4D绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的有机光伏器件的短路电流密度与开路电压的关系曲线。
图5绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的有机光伏器件提供短路电路密度与开路电压特性的图表。
图6绘示了根据本文描述的实施方式具有包括空穴传输层、金属纳米结构层和电子传输层的中间复合层的串联有机光伏器件。
图7A-7F绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的这样的有机光伏器件的短路电流密度与开路电压的关系曲线以及串联有机光伏器件。
图8绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的串联有机光伏器件提供短路电流密度和开路电压特性的图表。
图9绘示了根据本文描述的实施方式形成具有中间层的串联有机光伏器件的举例说明性方法，该中间层包括插入到第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间的金属纳米结构层。
图10绘示了根据本文描述的实施方式通过沉积中间层形成串联有机光伏器件的举例说明性方法，该中间层包括插入到第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间的金属纳米结构层。
具体实施方式
本文在各实施方式中描述了有机光伏器件及其形成方法。应当理解，在这些实施方式每一个中和为了清楚和/或避免本公开内容冗长而未具体描述的其他实施方式中的变型是可能的。此外，本文公开的各层和结构的顺序、幅度和成分可以变化、改变、分割或细分以满足变化的性能要求。
图1示出了包括中间层110的有机光伏器件，该中间层110包括插入到单结有机光伏100的活性层120与第一电极130之间的电子传输层112、空穴传输层114和金属纳米结构层116。单结有机光伏100还包括沉积在活性层120与第二电极150之间的空穴传输层140。
光子170形式的电磁辐射在所示方向上进入单结有机光伏器件100。第一电极130包括沉积在玻璃基板上的透明或半透明导体诸如氧化铟锡(ITO)。光子170穿过中间层110并且进入活性层120。活性层120包括对落入所限定波长带范围内的光子敏感的一种或多种电活性(electroactive)化合物。在活性层120中的电活性化合物包括一种或多种电子施主以及一种或多种空穴施主(即，电子受主)。在一些实施方案中，这样的电子施主和空穴施主被沉积在分立层中以形成活性层120，而在其他实施方案中，电子施主和空穴施主被混合以形成混合式活性层120。在活性层120中有用的电子施主的实例包括含富勒烯(fullerene)的化合物或富勒烯基(fullerene based)化合物，诸如苯基-C61-丁酸甲酯(phenyl-C61-butyric acid methyl ester,“PCBM”)。在活性层120中有用的空穴施主实例包括聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，“P3HT”)。尽管提供PCBM和P3HT分别作为电子施主和空穴施主的说明性实例，但是本领域技术人员将理解也可使用其他当前和以后开发的电子施主和空穴施主。
入射到有机光伏器件上的光子与形成活性层的电活性有机电子施主和电活性有机电子受主的相互作用引起活性层中束缚电子/空穴对(“激子”)的形成。当活化层中的电子施主和受主与具有处于或者高于激发电子从最高占有分子轨道(“HOMO”)到最低未占有分子轨道(“LUMO”)所需的活化能量的能级的光子相互作用时，形成激子。一旦形成，激子要么释放至基态(ground state)(即，电子返回至前一HOMO)，要么离解成电子和空穴。电子和空穴的离解和向有机光伏器件的各自电极的迁移在电极之间建立了DC电压。
在传统的有机光伏器件中，空穴传输层可被设置在活性层120与第二电极150之间以促进在活性层/空穴传输层界面处激子的离解并且利于空穴向第二电极150移动。类似地，电子传输层可被设置在活性层120与第一电极130之间以促进在活性层/电子传输层界面处激子的离解并且利于电子向第一电极130移动。
在串联有机光伏器件(始于图6具体讨论)中，两个或更多个有机光伏器件(“子电池(subcells)”)物理且电性耦接至插入的中间层110以形成“叠层(stack)”。串联有机光伏器件的效率至少部分依赖于最小化或者完美地避免在插入到叠层中有机光伏器件之间的中间层内形成电荷累积。几种机制促成中间层内的电荷累积；但是，至少一部分这种电荷累积可归因于中间层不能促进或者另外利于从相邻活性层传输到中间层的空穴和电子的复合。
在单结有机光伏器件100中，从活性层110中产生的激子分离的空穴124经由第一电极130被引入到空穴传输层114。电子传输层112接收从活性层110中产生的激子分离的至少一些电子122。如图1中构造的，金属纳米线层116应有效促进电子122和空穴124的复合同时最小化中间层110内的电荷累积。
图2A绘示了示范性单结有机光伏器件200，对于使用与金属纳米结构层116组合的不同电子传输层112材料和不同空穴传输层114材料来评估各种中间层110的复合效率是有用的。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层116可包括银纳米结构，例如银纳米线和/或银纳米点。
在相对低的温度并且在不存在氧的情况下可以将含金属纳米结构的液体悬浮液、浆液或者溶液施加至空穴传输层114。在至少一些实施方案中，这样的液体可以是含有一种或多种溶剂、表面活性剂、和粘性改良剂或黏合剂的墨水形式，从而以稳定的分散体保持金属纳米结构。这样的墨水对于在相对低的温度旋涂或机械刮涂施加是易于控制的，当这样的墨水在热敏基板或有机光伏层之上提供金属纳米结构层116时这是有利的。
图2B和2C示出了各种化合物和化合物组合的透射波谱，这对于提供图2A中绘示的单结有机光伏器件200中使用的中间层110是有用的。为了测试目的，经由刮涂(doctorblading)将所有中间层都沉积在玻璃基板上。在评估透射波谱时，将聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate)(“PEDOT:PSS”)涂覆到厚度50纳米(nm)；将氧化钨(“WO3”)涂覆到厚度60nm和将氧化锌(“ZnO”)涂覆到厚度120nm。从Heraeus购买PEDOT:PSS Al4083并在处理之前在异丙醇(isopropyl alcohol，“IPA”)中按体积比1:3或1:5稀释该PEDOT:PSS Al4083。由醋酸锌合成ZnO纳米颗粒且以2重量百分比(wt.％)将ZnO纳米颗粒溶解在乙醇中。由火焰裂解(flamepyrolysis)合成WO3纳米颗粒且以2.5wt.％将WO3纳米颗粒溶解在乙醇中。由银纳米线墨水标准溶液(master solution)制备银纳米结构(下文称做“AgNW”)墨水，该标准溶液含有用异丙醇(isopropyl alcohol)以体积比1:5(以下称作“AgNW1”)或1:10(以下称作“AgNW2”)稀释的0.1wt.％与5wt.％之间的银纳米线。从而提供在中间层110中使用的金属纳米结构层116。为了评估中间层110的透射波谱，使银纳米结构墨水薄层(即，金属纳米结构层116)在电子传输层112与空穴传输层114之间平整。
很多金属纳米结构层例如银纳米结构层展现出显著的透明度(transparency)。在对基板的修正之后，在图2A中绘示的构造中，观测到对于400至600nm之间波长的超过99％的透射率值。金属氧化物WO3和ZnO在波谱的蓝光部分展现出降低的透射比(transmittance)，而PEDOT:PSS在波谱的红外部分展现出降低的透射比。电荷抽出(chargeextraction)(即，电子和空穴传输)层112、114的透射比通常超出90％。中间层110组合主要在蓝光区段(regime)中吸收，并且它们的透射比并不呈现出在形成中间层110中使用的单个层透射比的线性组合。据推测，薄膜干涉现象可能会控制薄膜中的吸收并且金属纳米颗粒层116的插入并不显现出对中间层110的整体透射比有明显影响。值得注意的是，各电子传输层112、金属纳米结构层116和空穴传输层114组合展现出具有超出85％的整体透射比的卓越光学特性。
图3A提供通过在玻璃基板上沉积相对浓缩的(用IPA的1:5v/v稀释)AgNW1墨水所形成的纳米结构层的二维和三维原子力显微镜(“AFM”)图像。根据AFM图像，金属纳米结构层116中的金属纳米结构主要由银纳米线与一些银纳米点(即,物理剥蚀(degrade)和/或截断的银纳米线，或者与银纳米线一起沉淀并且按处方被制备到AgNW墨水中的银纳米颗粒)构成。银纳米点可以在施加工艺期间产生或者是银纳米线合成工艺的退化(vestigial)残余物。多元醇工艺(polyol process)提供银纳米线合成工艺。多元醇工艺需要一种或多种聚合物粘合剂诸如聚(乙烯吡咯烷酮)(poly(vinylpyrrolidone),“PVP”)的存在。聚合物粘合剂提供用于银纳米线的聚合物基质以形成图2A中绘示的纳米结构层116。在至少一些情况下，在银纳米线合成工艺期间，诸如图3A中可见的那些银纳米点可被包覆和嵌入到聚合物粘合剂中。
图3B提供了通过沉积图3A中绘示的相对浓缩的AgNW1墨水所形成的纳米结构层116的高度分布。图3B中示出的高度值表示形成基质骨干(backbone)的聚合物粘合剂的厚度约为10纳米(nm)并且银纳米线具有约30nm的直径。值得注意的是，金属纳米结构层116中的银纳米线的物理结构和外观与被沉积以形成金属纳米结构层116的相对浓缩的银纳米线墨水(“AgNW1”)中的银纳米线相比呈现出相对未改变。在图3A和3B中，基于约30纳米(nm)的纳米线直径，两个或更多个纳米线交叠的位置显示出与期望厚度的良好对应性。
图3C提供了通过在玻璃基板上沉积相对稀释的(用IPA的1:10v/v稀释)AgNW2墨水所形成的纳米结构层的二维和三维原子力显微镜(“AFM”)图像。根据AFM图像，通过在玻璃基板上沉积相对稀释的AgNW2墨水所形成的最终金属纳米结构层116看上去令人惊讶地产生一种金属纳米结构层，这种金属纳米结构层主要非排他地由金属纳米点构成，而不是金属纳米线构成。据推测，银纳米点的形成是由存在于相对稀释的AgNW2墨水中的银纳米线的至少部分剥蚀导致的。这种纳米线剥蚀可能至少部分由于归因于机械拉平玻璃基板上的金属纳米结构层的物理剥蚀的缘故。
图3D提供了通过在PEDOT基板上沉积相对浓缩的AgNW1墨水所形成的纳米结构层的二维和三维AFM图像。与由在玻璃基板上沉积AgNW1所获得的图3A中明显的银纳米线相反，图3D中的AMF图像表示当将相对浓缩的AgNW1墨水施加到PEDOT基板之上时形成银纳米点。
图3E概括了图3A中绘示的玻璃基板上相对浓缩的AgNW1墨水以及图3C中绘示的PEDOT基板上相对浓缩的AgNW1墨水的高度分布。图3E中的曲线表示银纳米线(参考图3A-玻璃基板上的AgNW1)和银纳米点(参考图3D-PEDOT基板上的AgNW1)的高度分布。在图3E中，银纳米线展现出范围从约10纳米(nm)至约60纳米的高度分布。图3E中，银纳米点展现出范围从约30nm至约80nm的高度分布。图3E表示图3A中绘示的在玻璃基板上的金属纳米结构层中存在的多数银纳米线延伸到玻璃基板上方约50纳米(nm)或以下的高度。图3E还表示图3C中绘示的PEDOT基板上的金属纳米结构层中存在的多数银纳米点延伸到PEDOT基板上方约30nm或以下的高度。重要的是，在两种情况下，具有约120nm深度的氧化锌电子传输层112将完全覆盖金属纳米结构层116中存在的银纳米线和/或银纳米点。
图3F提供了玻璃基板上形成的氧化钨(WO3)的二维和三维AFM图像。
图3G提供了通过在诸如图3F中绘示的那样的氧化钨层上沉积相对浓缩的AgNW1墨水所形成的金属纳米结构层的二维和三维AFM图像。图3H提供了通过在诸如图3F中绘示的那样的氧化钨层上沉积相对稀释的AgNW2墨水所形成的金属纳米结构层的二维和三维AFM图像。将图3G和3H相比，明显的是，使用AgNW1墨水(参考图3G)沉积在氧化钨层上的金属纳米结构层(即，银纳米线层)与使用AgNW2墨水(参考图3H)沉积在氧化钨基板上的金属纳米结构层(即，银纳米线层)具有相似的物理特性和外观。测量沉积在玻璃基板上的氧化钨层(图3F)和使用相对稀释的AgNW2墨水形成在氧化钨层上的金属纳米结构层(图3H)的平均粗糙度(Rms)分别为6.5纳米(nm)和8nm。在氧化钨层之上机械拉平相对稀释的AgNW2墨水之后的观测粗糙度平均增加约2nm，与在玻璃基板上机械拉平AgNW2墨水之后的观测粗糙度的增加相似。
图3I提供了图3D中绘示的玻璃基板上相对浓缩的AgNW1墨水、图3E中绘示的氧化钨层上相对浓缩的AgNW1墨水以及图3F中绘示的氧化钨层上相对稀释的AgNW2墨水的高度分布。在机械拉平氧化钨层上银纳米线墨水之后，高度分布平均值从约56nm(对于玻璃上的氧化钨-图3D)增加至约80nm(对于在氧化钨基板上使用AgNW1或AgNW2墨水的银纳米线)。高度分布平均值的30nm的增加与制备相对浓缩的AgNW1和相对稀释的AgNW2墨水(参考图3B)二者中使用的银纳米线的直径相符。
总之，机械拉平(例如刮涂)的金属纳米结构层的物理特性和成分受到在其上沉积金属纳米结构层的基板成分的影响。包括形成在氧化钨基板上的银纳米线的金属纳米结构层未显示出不同于施加至玻璃基板的相同金属纳米结构层的明显物理差别。相比之下，特别是当使用诸如AgNW1之类的相对浓缩的墨水形成金属纳米结构层时，包括形成在PEDOT基板上的银纳米线的金属纳米结构层显示出不同于施加至玻璃基板的相同金属纳米结构层的明显物理差别。当施加到PEDOT基板之上时，银纳米线墨水形成包括纳米线和纳米点二者的金属纳米结构层。此外，银纳米线墨水的浓度影响金属纳米结构层中存在的银纳米结构的最终形式。
图4A和4B示出了对于使用不同中间层成分的单结有机光伏器件的若干短路电流密度(“J”)与开路电压(“V”)的关系曲线。图4A和4B示出了对于四个不同的单结有机光伏器件的J-V特性。第一曲线(“器件A”-实心正方形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112构成的参考单结有机光伏器件100的J-V特性。第二曲线(“器件B”-实心圆形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112和PEDOT空穴传输层114构成的单结有机光伏器件100的J-V特性。第三曲线(“器件C”-实心三角形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112、PEDOT空穴传输层114和使用相对浓缩的AgNW1墨水沉积的插入金属纳米结构层116构成的单结有机光伏器件100的J-V特性。第四曲线(“器件D”-倒三角形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112、PEDOT空穴传输层114和使用相对稀释的AgNW2墨水沉积的插入金属纳米结构层116构成的单结有机光伏器件的J-V特性。
如图4A和4B中绘示的，对于PEDOT/氧化锌中间层110存在显著的限制。最明显的限制是在正向偏置下相当低的注入，导致低填充因数(fill factor,“FF”)。PEDOT/氧化锌中间层110看上去提供了低效复合并且因此具有用作在串联有机光伏器件中提供复合能力的中间层110的临界值(marginal value)。值得注意的是，溶液处理的氧化锌在其半导体特性和电特性(例如，态密度(density of state)和电荷载流子密度)方面没有很好的定义而且这些特性对于各制造工艺和途径可以有所不同。此外，终止实质上用于接触/界面形成的氧化锌表面的配位基团(ligand group)的化学性质和密度非常难以评估而且对于大多数系统并不公知。但是，随着使用氧化锌电子传输层112，在中间层110中的氧化锌电子传输层112与PEDOT空穴传输层114之间插入或者沉积金属纳米结构层116看上去减轻或者甚至会克服所确定的问题。在氧化锌电子传输层112与PEDOT空穴传输层114之间插入金属纳米结构层116例如由AgNW1墨水或者AgNW2墨水形成的银纳米结构层116显著改善了中间层110内的电荷复合。因此，使用包括金属纳米结构层116的中间层110的有机光伏器件显示出比得上使用单氧化锌电子传输层的参考有机光伏器件(器件A)的性能。
图4C和4D显示出对于使用不同中间层成分的单结有机光伏器件的若干短路电流密度(“J”)与开路电压(“V”)的关系曲线。图4C和4D示出了对于四个不同的单结有机光伏器件的J-V特性。第一曲线(“器件A”-实心正方形)示出了对于其中中间层110单独由氧化锌电子传输层112构成的参考单结有机光伏器件100的J-V特性。第二曲线(“器件E”-实心圆形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112和氧化钨空穴传输层114构成的单结有机光伏器件100的J-V特性。第三曲线(“器件F”-实心三角形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112、氧化钨空穴传输层114和使用相对浓缩的AgNW1墨水沉积的插入金属纳米结构层116构成的单结有机光伏器件100的J-V特性。第四曲线(“器件G”-倒三角形)示出了对于其中中间层110由氧化锌电子传输层112、氧化钨空穴传输层114和使用相对稀释的AgNW2墨水沉积的插入金属纳米结构层116构成的单结有机光伏器件的J-V特性。
如图4C和4D中所示，使用氧化钨空穴传输层114和氧化锌电子传输层112的有机光伏器件(例如，器件E)遭受与在PEDOT/氧化锌有机光伏器件(例如，器件B)中发现的那些缺陷相似的缺陷的影响，诸如因高串联电阻而致的低整流(low rectification)。使用包括氧化锌电子传输层112和氧化钨空穴传输层114的中间层110的有机光伏器件的性能通过在氧化锌层与氧化钨层之间插入金属纳米结构层116而有所改善。
与PEDOT/氧化锌中间层110不同，在氧化钨的情况下，在通过沉积相对浓缩的AgNW1墨水和相对稀释的AgNW2墨水形成的金属纳米结构层之间观测到性能上更明显的差别。发现与使用相对稀释的AgNW2墨水以形成金属纳米结构层116的有机光伏器件(例如，器件G)相比，使用相对浓缩的AgNW1墨水以形成金属纳米结构层116的有机光伏器件(例如，器件F)遭受显著增加的分流电阻(shunt resistance)的影响。由此，其中增加的分流电阻是优选的有机光伏器件(例如，并联耦接的有机光伏器件)可受益于含有一种金属纳米结构层116的中间层110，该金属纳米结构层116含有相对高浓度的金属纳米线，诸如使用相对浓缩的AgNW1墨水形成的金属纳米线。另一方面，其中降低的分流电阻是优选的有机光伏器件(例如，串联耦接的有机光伏器件)可受益于含有一种金属纳米结构层116的中间层110，该金属纳米结构层116含有相对高浓度金属纳米点，诸如使用相对稀释的AgNW2墨水形成的金属纳米点。任一种情况下，上覆的电子传输层112最优选完全覆盖金属纳米结构层116中的金属纳米结构以防止串联有机光伏器件中的分流或相似缺陷。
而且，与参考器件相比，使用包括电子传输层112、空穴传输层114和金属纳米结构层116的中间层的有机光伏器件的性能更少地受到中间层110中发生的光学损失(opticallose)的影响。当与使用单氧化锌缓冲层的参考单结有机光伏器件200相比时，使用包括金属纳米结构层116诸如银纳米线层116的中间层110的有机光伏器件显示出略有增加的电流密度。这些观测到的电流密度差别可能由有机光伏器件中活性层120的厚度或深度的小变化引起或者由氧化锌层中发生的形态变化(morphological variation)引起。
图5提供了概括图4A-4D中包括的中间层110的突出的性能参数的图表。当将金属纳米结构层116插入到空穴传输层114与电子传输层112之间时，图5中列表表示的每个有机光伏器件的串联电阻(Rs)示出明显的降低，同时，漏电流保持与参考有机光伏器件的漏电流相似。这表示金属纳米结构(例如，银纳米结构)层116的插入增强了中间层110的复合特性。令人惊奇的，发现银纳米点(即，物理剥蚀和/或截断的银纳米线，或者与银纳米线一起沉淀并且按处方被制备到AgNW墨水中的银纳米颗粒)作为空穴传输层/电子传输层界面处的复合中心提供甚至更高的效率。与银纳米线相比，特别是在诸如电串联连接的串联有机光伏器件的应用中，纳米点的几何形状提供更理想的分流特性。而且，如果在金属纳米结构层116中重叠多于三个纳米线(参考图3A)，则金属纳米结构层116可能不会被上覆的电子传输层112完全覆盖或者封住，导致在有机光伏器件中的高漏电流。这种分流和最终高漏电流的存在与观测到的器件F的J-V特性相一致(参考图4D)。
图6绘示了包括具有电子传输层112、空穴传输层114和插入的金属纳米结构层116的中间层110的举例说明性串联有机光伏器件600。中间层110的第一表面602被设置成接近对第一波长带(λn1-λnn)630中入射光子敏感的第一有机光伏器件610。中间层110的第二表面604被设置成接近对第二波长带(λm1-λmm)640中入射光子敏感的第二有机光伏器件620。在一些实施方案中，第二波长带640可以不同于第一波长带630(即，可包括一个或多个不同波长)。在一些实施方案中，例如通过囊括一个或多个共有波长，第一波长带和第二波长带可以相似或相同。图6中绘示的层是举例说明性的，且可增加、去除、修改或重新布置各电子传输层、空穴传输层、活性层和金属纳米结构层，以更改串联有机光伏器件600的一项或多项性能参数和/或操作参数。此外，虽然为了清楚而以光滑的、平坦的表面示出串联有机光伏器件600中每一层之间的界面，但是这样的表面可具有包括被构造的或者随意的图案和/或粗糙度的任意表面轮廓(surface profile)。
中间层110包括设置在插入的金属纳米结构层116相对侧上的第一电子传输层112和第一空穴传输层114。该中间层110利于累积电荷的去除或者利于两个毗连的有机光伏器件之间累积电荷的复合。在至少一些情况下，中间层利于从第二有机光伏器件620的第二活性层622经由第一电子传输层112传输的电子与从第一有机光伏器件610的第一活性层612经由第一空穴传输层114传输的空穴的复合。
第一电子传输层112可以包括任意当前或未来开发的能够促进电子和/或负电荷从第二活性层622选择性移动或传输到金属纳米结构层116的材料或物质。对提供第一电子传输层112有用的物质、化合物或材料的非限制性实例包括锌的氧化物，诸如氧化锌(ZnO)；和钛的氧化物，诸如氧化钛(TiO)和二氧化钛(TiO2)。最常以包括液体载体中悬浮的电子传输层物质、化合物或材料的液体混合物来施加第一电子传输层112。可在施加期间遍及下部基板旋涂或机械拉平这样的溶液。本领域中公知的其他涂覆和/或拉平方法也可用于在下部基板或表面上设置第一电子传输层112。电子传输层112的厚度在一定程度上依赖于形成电子传输层112过程中使用的具体物质、化合物或材料以及用于在下部基板或表面上沉积和/或拉平电子传输层112的一个工艺/多个工艺。电子传输层112的厚度优选足够厚以完全封住下部金属纳米结构层116中的金属纳米结构，同时足够薄以确保能保持理想的光学特性。在至少一些实施方案中，电子传输层厚度可以取从约30纳米(nm)至约200纳米的范围。电子传输层112的厚度或其他物理或形态特性可改变、调整或变化以满足具体的有机光伏器件性能参数。
第一空穴传输层114可包括任意当前或未来开发的能够促进空穴和/或正电荷从第一活性层612或其他毗邻结构或层选择性移动或传输到金属纳米结构层116的材料或物质。对提供第一空穴传输层112有用的实例性化合物、物质和/或材料包括但不限于聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(“PEDOT:PSS”)和氧化钨(WO3)。最常以包括液体载体中悬浮的空穴传输层物质、化合物或材料的液体来施加第一空穴传输层114。在施加期间可遍及下部基板旋涂或机械拉平这样的溶液。本领域中公知的其他涂覆和/或拉平方法也可用于在下部基板或表面上设置第一空穴传输层114。空穴传输层114的厚度在一定程度上依赖于在形成空穴传输层114过程中使用的具体物质、化合物或材料以及用于在下部基板或表面上沉积和/或拉平空穴传输层114的一个工艺/多个工艺。在至少一些实施方案中，空穴传输层厚度可以取从约30纳米(nm)至约200纳米的范围。空穴传输层114的厚度或其他物理或形态特性可改变、调整或变化以满足具体的有机光伏器件性能参数。
金属纳米结构层116可包括能够提供插入到第一电子传输层112与第一空穴传输层114之间的至少一部分金属纳米结构层的任意当前或未来开发的金属纳米结构和/或纳米结构。在至少一些实施方案中，聚合物膜可物理连接或耦接金属纳米结构和/或纳米结构以提供膜、片或层。可使用一种或多种金属、金属合金和/或含有金属的化合物来提供全部或一部分的金属纳米结构层116。实例性金属包括但不限于银、金和铂，或者其合金、化合物或混合物。在至少一些实施方案中，导电非金属纳米结构(例如，石墨烯纳米管)可代替或者取代金属纳米结构层116中包括的一些或所有金属纳米结构。金属纳米结构可采用一种或多种形式。实例性纳米结构形式包括但不限于纳米线、纳米管、纳米点和类似的实心、半实心或空心的纳米结构，或其混合物。
尽管图1中没有绘示，但是在至少一些实施方案中，中间层110可包括插入到电子传输层112与空穴传输层114之间的低片电阻栅格(sheet resistance grid)。这种低片电阻栅格可被结合到中间层110中，可以是除金属纳米结构层116之外另外结合到中间层110中的，或者替换金属纳米结构层116。低片电阻栅格在至少中间层110内为电流提供低电阻通路或者通路网络在、分布和/或聚集。除了提供这些低电阻通路之外，低片电阻栅格也可提供对中间层110进行的物理强度的测量。具有这种物理强度的中间层110可有利于例如使用更大尺寸有机光伏器件100的场合，例如在大规模有机光伏器件中或者在共形(conformal)有机光伏器件中。
低片电阻栅格包括任意类型的具有适当电和物理特性的导电结构，包括金属、非金属、或含有金属和非金属结构的组合的复合结构。低片电阻栅格的实例包括但不限于精细金属网格(mesh)(例如铜网格、银网格、铝网格、钢网格等)-例如通过用后图案化(post-patterning)溅射或蒸镀所沉积的，优选地例如是丝网印刷金属糊料(paste)(例如Ag-糊料)、可嵌入的精细金属线或含有一种或多种剩余低阻成分的可印刷的溶液。
低片电阻栅格的物理尺寸和/或构造全部或部分基于满足任意指定电(例如，片电阻)和物理(例如表面粗糙度和/或光透射率)要求。形成低片电阻栅格的导体的尺寸和路径形成栅格图案，该栅格图案用于沉积或另外形成至少一部分低片电阻栅格。在一些实施方式中，形成低片电阻栅格的导电元件的宽度可以取从约1微米至约300微米的范围。在一些实施方式中，形成低片电阻栅格的导电元件高度可以取从约100nm至约100微米的范围。形成低片电阻栅格的元件之间的开放距离(open distance)可以取从约100微米至约10mm的范围。
可以使用预图案化、后图案化或其任意组合来完成低片电阻栅格的沉积。预图案化、印刷的低片电阻栅格的实例包括但不限于印刷的银糊料栅格、印刷的铜糊料栅格、微米或纳米颗粒糊料栅格或者类似的导电糊料栅格。使用先前施加的导电膜的光刻显影(photo-lithographic development)来提供实例性的后图案化低片电阻栅格，以生产低片电阻栅格。其他实例性的后图案化低片电阻栅格包括但不限于经由以下处理所沉积的低片电阻栅格：印刷、蒸镀、溅射、少电(electro-less)或电解电镀、溶液处理、和类似处理，之后经由光刻、丝网印刷的抗蚀剂、丝网印刷的蚀刻剂、标准蚀刻、激光蚀刻、粘合剂剥离压印(adhesive lift off stamp)和类似处理来图案化。
低片电阻栅格可以具有实现期望片电阻同时保持可接受的光学特性所需要的任意二维或三维几何结构、形状或构造。虽然较大的栅格密度(即，遍及截面区域更大的低片电阻通路)可能会降低中间层110内可实现的整体片电阻，但是高栅格密度可以将中间层110的不透明度增加至不可接受的程度。由此，低片电阻栅格的图案选择和物理特性有时会表现出一种折衷，这种折衷至少部分基于最小化中间层110内可实现的片电阻，同时不增加中间层110的不透明度至不可接受的程度。
低片电阻栅格可以具有任意固定的、几何图案或者随意的图案，这种图案能够提供可接受的片电阻。例如，低片电阻栅格图案可包括规则或不规则宽度的几何布置，诸如垂直线、成角度的线(例如，形成“钻石”图案的线)和平行线。其他图案可使用弯曲或弧形导体以实现具有均匀或不均匀片电阻的复杂图案，例如透明导体意在用于三维应用的情况。在一些有机光伏模块中，可使用两个或更多个图案来形成低片电阻栅格，例如使用由较大图案诸如六边形或矩形所约束的平行线形成的栅格。在另一实施方式中，低片电阻栅格可以是梳状结构，该结构连接了串联互联的薄膜光伏带。
在一些情况下，金属纳米结构可包括金属纳米线，所述金属纳米线具有从约15纳米(nm)至约100nm的直径、和沿着纳米线的纵轴从约2微米至约50微米的长度。金属纳米线可包括但不限于银纳米线、金纳米线、铂纳米线、其合金或其组合物。在这样的实施方案中，金属纳米线可排列在所有或一部分的金属纳米结构层中。例如，金属纳米线的纵轴可排列成与中间层110的第一表面平行、与中间层的第二表面平行或者与中间层的第一和第二表面两者都平行。
在其他情况下，金属纳米结构可包括金属纳米点，金属纳米点具有直径从约10纳米(nm)至约60nm的连续或可变的截面。金属纳米点沿着纳米点纵轴的长度可为约30纳米(nm)至约80nm。金属纳米点可呈各种物理形式，包括但不限于：锥形结构、金字塔结构、圆柱结构或其组合。金属纳米点可包括但不限于银纳米点、金纳米点、铂纳米点、其纳米点合金、或其组合。在这样的实施方案中，金属纳米点可排列在金属纳米结构层的全部或者一部分内。例如，金属纳米点的纵轴可以处于关于中间层的第一表面的从约1度至90度的角度处，处于关于中间层的第二表面的从约1度至90度的角度处，或者处于关于中间层的第一和第二表面两者的从约1度至约90度的角度处。
所有或一部分金属纳米点可存在于用于提供金属纳米结构层116的金属纳米结构墨水中。在一些情况下，通过物理、机械或化学改变和/或分解存在于在形成金属纳米结构层116过程中使用的金属纳米结构墨水中的所有或一部分金属纳米结构，可以形成所有或一部分金属纳米点。例如，可物理和/或化学改变含有银纳米线的墨水，使得存在于墨水中的至少一部分银纳米线被转换成银纳米点。在其他情况下，金属纳米结构可包括两个、三个或甚至更多个金属纳米结构的组合。例如，金属纳米结构层116可包括金属纳米线和金属纳米点的组合。
以包括一种或多种液体载体中悬浮的纳米结构的液体溶液或墨水将金属纳米结构层116沉积或者另外被施加到下部基板或表面上。这样的溶液或墨水可被沉积在下部基板或表面上，并且可经由旋涂或机械拉平(例如，经由刮涂或者类似的机械拉平工艺)被拉平至限定的膜厚度，以提供限定的最终膜厚度(例如，60nm)。金属纳米结构层116的厚度在一定程度上取决于在形成金属纳米结构层116的过程中使用的具体物质、化合物或材料以及用于在下部基板或表面上沉积和/或拉平金属纳米结构层116的一个工艺/多个工艺。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层116厚度范围可从约30纳米(nm)至约150纳米。金属纳米结构层116的厚度或其他物理特性或形态特性可改变、调整或变化以满足具体的有机光伏器件性能参数。
在一种情况下，金属纳米结构层116可包括嵌入到基质中的多个金属纳米线、金属纳米点或其组合。如本文中使用的，术语“基质”指的是金属纳米线分散或嵌入其中的材料。在该基质内，纳米结构和/或纳米线可随机地布置或者优先沿着一个或多个轴排列。纳米结构和/或纳米线可以以均匀或不均匀的方式被设置在基质中。在至少一些情况下，例如通过提供期望的面内(in-plane)或穿过面(through-plane)的电阻特性，金属纳米结构层116中金属纳米结构的布置可提供一项或多项优选的物理特性或电特性。纳米结构和/或纳米线可以从由金属纳米结构层116形成的一个或多个表面延伸或不这样延伸。基质是用于纳米结构和/或纳米线的寄主(host)并且为金属纳米结构层116提供物理形式。可选择基质或者将基质构造成保护纳米结构和/或纳米线不受不利环境因素诸如化学的、电流的(galvanic)或环境侵蚀的影响。特别是，基质显著降低了潜在的侵蚀元素诸如湿气、痕量酸(trace amount of acid)、氧、硫磺(sulfur)和类似元素的渗透性，所有这些都可能潜在地侵蚀嵌入到基质和/或下部基板、表面或结构中的纳米结构和/或纳米线。
此外，基质有助于金属纳米结构层116的整体物理和机械特性。例如，基质能促进金属纳米结构层116粘附到中间层110中的相邻的电子传输层112和空穴传输层114。基质还有助于金属纳米结构层116的柔性以及有助于结合了包括金属纳米结构层110的中间层的有机光伏器件的柔性，有机光伏器件诸如是串联有机光伏器件700。
在至少一些情况下，基质是一种光学透明的材料。如果该材料的光透射率是在可见光区域内(波长带从约400nm至约700nm)至少80％，则认为该材料是光学透明的。大量因素确定基质的光学透明性，包括但不限于：折射系数(RI)、厚度、贯穿整个该厚度的RI一致性(consistency)、表面(包括界面)反射性和雾度(haze)(由表面粗糙度和/或嵌入的颗粒引起的散射损耗(scattering loss))。在某些实施方式中，基质平均起来可以比嵌入在或以其他方式包含在基质中的金属纳米结构更薄。例如，基质可具有约10nm的厚度，而金属纳米结构(例如，银纳米线)具有约30nm的直径和约50nm的长度。基质可具有约1.3至约2.5、或者约1.35至约1.8的折射系数。
在某些实施方式中，基质是聚合物，其也称作聚合物基质。光学透明的聚合物在本领域是公知的。适合的聚合物基质的实例包括但不限于：聚丙烯酸诸如聚甲基丙烯酸酯(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯))、聚丙烯酸酯和聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酯萘(polyester naphthalate)、和聚碳酸酯)、有高度的芳香性的聚合物诸如酚醛树脂(phenolics)或甲酚-甲醛
Figure BDA0001065132020000171
聚苯乙烯、聚乙烯基甲苯(polyvinyltoluene)、聚乙烯基二甲苯(polyvinylxylene)、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺(polyamideimides)、聚醚酰胺(polyetheramides)、聚硫化物(polysulfides)、聚砜、聚亚苯基(polyphenylenes)、和聚苯醚(polyphenyl ethers)、聚氨酯(polyurethane，PU)、环氧树脂、聚烯烃(例如，聚丙烯、聚甲基戊烯(polymethylpentene)和环状烯烃(cyclicolefins))、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、纤维素、硅酮(silicones)和其他含硅聚合物(例如聚倍半硅氧烷和聚硅烷)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙酸酯、聚降冰片烯、合成橡胶(例如EPR、SBR、EPDM)和含氟聚合物(例如，聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚四氟乙烯(TFE)或聚六氟丙烯(polyhexafluoropropylene))、氟烯烃(fluoro-olefin)和烃类烯烃(例如，
Figure BDA0001065132020000182
)的共聚物、和非晶氟碳聚合物或者共聚物(例如，Asahi Glass公司的
Figure BDA0001065132020000181
或者DuPont的
Figure BDA0001065132020000183
AF)。
在其他实施方式中，基质是无机材料。例如可使用基于二氧化硅(silica)、富铝红柱石(mullite)、氧化铝(alumina)、SiC、MgO--Al2O3--SiO2、Al2O3--SiO2、MgO--Al2O3--SiO2--Li2O或其混合物的溶胶-凝胶基质。
在某些实施方式中，基质自身可具有导电特性。例如，基质可以是导电聚合物。导电聚合物在本领域中是公知的，包括但不限于聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯和聚二乙炔。
在其他实施方式中，聚合物基质可以是粘性改良剂，其用作将纳米结构固定在基板上的粘合剂。合适的粘性改良剂的实例包括羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素、乙基纤维素、黄原胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素和羟基乙基纤维素。
如本文中所使用的，金属纳米结构层116可涉及到基质和金属纳米结构和/或纳米线的组合。由于通过从一个金属纳米结构和/或纳米线至另一的电荷传送来实现导电性，因此在金属纳米结构层116中必须存在充分的金属纳米结构和/或纳米线密度以达到电传送阈值并且提供足够的整体导电水平。如上文讨论的，金属纳米结构层116可包括其他材料以赋予一项或多项期望的电特性或性质。在至少一些实施方式中，存在于金属纳米结构层116中的所有或一部分纳米线可被排列成提供一项或多项期望的电特性。在2007年10月12日提交的名称为“Functional Films Formed by Highly Oriented Deposition ofNanowires”的编号为11/871,721的美国申请、2011年11月2日提交的名称为“GridNanostructure Transparent Conductor For Low Sheet Resistance Applications”的编号为13/287,881的美国申请1中详细描述了这样的构造，这两件申请在没有与本文包含的信息不一致的方面的范围内，将两件申请全部通过引用结合到本文中。
金属纳米结构层116的机械和光学特性可改变、折衷、或者受到装在其中的高固态物(例如，纳米线、散射颗粒和其他颗粒添加物)的影响。有利的是，金属纳米线的高纵横比(aspect ratio)允许通过基质在阈值表面(threshold surface)处形成导电网状物(network)，对于银纳米线来说该阈值表面的装载水平(loading level)优选为约0.05μg/cm2至约10μg/cm2，更优选从约0.1μg/cm2至约5μg/cm2，和更优选从约0.8μg/cm2至约3μg/cm2。这些表面装载水平不影响金属纳米结构层116的机械或光学特性。这些值很强地依赖于纳米线的尺寸和空间离散度(spatial dispersion)。有利的是，通过调整金属纳米线的装载水平可以提供可调导电性(或表面电阻率)和光学透光性的透明导体。在各种实施方式中，金属纳米结构层116的光透射率至少为80％并且可高达98％。在各种实施方式中，金属纳米结构层116的光透射率可以为至少50％，至少60％，至少70％，或至少80％，并且可高达至少91％至99％。
第一有机光伏器件610可包括一旦暴露给电磁辐射就能够提供直流电压的任意有机光伏器件，该电磁辐射包括落入到第一波长带630范围内的光子。可使用任何当前或未来开发的构造和/或材料来构造第一有机光伏器件610。在一些实施方案中，诸如图6中绘示的实施方式，第一有机光伏器件610可包括透明电极130和第一活性层612，具有插入到电极130与第一活性层612之间的第二电子传输层614。
电极130可包括能够使落入到第一波长带630范围内的光子以及落入到第二波长带640范围内的光子通过的任意当前或未来开发的光学透明或或半透明导电材料。实例性透明电极130包括沉积在玻璃基板上的氧化铟锡(“ITO”)，不过可由其他材料和基板替代。第二电子传输层614可包括一种或多种当前或未来开发出来的材料、化合物和/或物质，该材料、化合物和/或物质能够促进从第一活性层612离解的激子(即，自由或释放的电子)移动和/或传输到电极130。
第一活性层612可包括以下任意当前或未来开发的有机光伏材料、化合物或混合物，该材料、化合物和/或混合物一旦暴露给包括落入到第一波长带630范围内的光子的电磁辐射就能够产生激子(即，束缚电子/空穴对)和/或离解的激子(即，由离解的激子导致的自由或释放的电子和自由或释放的空穴)。
在一些情况下，第一活性层612可包括双层布置中的多种电活性有机化合物(例如，电子施主和电子受主)，在该双层布置中，将每一种化合物设置在分立的、平面的和/或均质(homogeneous)的层中。在一些情况下，第一活性层612可包括异质结(heterojunction)布置中的多个电活性有机化合物，在该异质结布置中，化合物被混合在一起以形成共混聚合物(polymer blend)。在一些情况下，第一活性层612可包括分级异质结(graded heterojunction)布置中的多个电活性有机化合物，在该分级异质结布置中，化合物以形成化合物之间梯度的方式被混合在一起。在一些情况下，第一活性层612可包括构造的双层布置中的多种电活性有机化合物，在该构造的双层布置中，化合物被设置在均质层中，具有最大化化合物之间接触表面的面积的界面。
电活性电子施主化合物由以下化合物示例但不限于此：酞菁(phthalocyanine，“H2Pc”)；铜酞菁(“CuPc”)；锌酞菁(“ZnPc”)；和苯基C61丁酸甲酯(“PCBM”)。电活性电子受主/空穴施主化合物由以下化合物示例但不限于此：聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(“P3HT”)；苝四-双苯并咪唑(perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole,“PTCBI”)；C60富勒烯和含有诸如[6,6]PC61BM，PCBG，和BTPF60之类分子的C60富勒烯；C70富勒烯和含有诸如[6,6]PC71BM，和PTPF70之类分子的C70富勒烯；以及聚{[2,7(9,9-双-(2-乙基己基)-芴)]-alt-[5,5-(4,7-二-2'-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑)](poly{[2,7-(9,9-bis-(2-ethylhexyl)-fluorene)]-alt-[5,5-(4,7-di-2'-t hienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]}，“PFDTBT”)。
相似地，第二有机光伏器件620可包括一旦暴露给包括落入到第二波长带640范围内的光子的电磁辐射就能够提供直流电压的任意有机光伏器件。可使用任何当前或未来开发的构造和/或材料来构造第二有机光伏器件620。在一些实施方案中，诸如图6中绘示的实施方案，第二有机光伏器件620可包括电极150和第二活性层622，具有插入到电极150与第二活性层622之间的第二空穴传输层624。
电极150可包括任意当前或未来开发的导电材料。实例性电极150包括但不限于铝电极或银电极，不过可用其他材料、化合物和/或合金结合或者替代。第二空穴传输层624可包括能够促进空穴从第二活性层622向电极150移动和/或传送的一种或多种当前或未来开发的材料、化合物、和/或物质。
第二活性层622可包括一旦暴露给电磁辐射就能产生激子和/或离解的激子的任意当前或未来开发的有机光伏材料、化合物或混合物，该电磁辐射包括落入到第二波长带640范围内的光子。在一些实施方案中，第二活性层622可具有与第一活性层612相似或相同的构造和/或成分。在一些实施方案中，第二活性层622可具有不同于第一活性层612的结构和/或成分。
在一些情况下，第二活性层622可包括双层布置中的多种电活性有机化合物(例如，电子施主和电子受主)，在该双层布置中，每一种化合物都被布置在分立的、平坦的、均质的层中。在一些情况下，第二活性层622可包括异质结布置中的多种电活性有机化合物，在该异质结布置中，化合物被混合到一起以形成共混聚合物。在一些情况下，第二活性层622可包括分级异质结布置中的多种电活性有机化合物，在该分级异质结布置中，化合物以形成化合物之间梯度的方式被混合在一起。在一些情况下，第二活性层622可包括构造的双层布置中的多种电磁有机化合物，在该构造的双层布置中，化合物被设置在均质层中，具有最大化化合物之间接触表面面积的界面。
图7A绘示了根据一个实施方式的示范性串联有机光伏器件700，该器件700包括第一有机光伏器件710、第二有机光伏器件720和包括金属纳米结构层116的插入中间层110。在图7A中绘示的实施方案中，第一有机光伏器件710包括含有P3HT和PCBM的混合物的第一活性层612以及氧化锌第二电子传输层614。第二有机光伏器件720包括含有P3HT和PCBM的混合物的第二活性层622以及PEDOT:PSS第二空穴传输层624。串联有机光伏器件700包括玻璃基板上的ITO电极130和银电极150。
中间层110包括沉积在第一有机光伏器件610的下部第一活性层612上的空穴传输层114。在相对低的温度以银纳米颗粒墨水将金属纳米结构层116沉积在下部第一空穴传输层114基板上。在低温工艺中施加银纳米颗粒墨水保护了下部第一空穴传输层114和下部P3HT:PCBM第一活性层612。由基于水的母液(master solution)制备银纳米颗粒(“AgNW”)墨水并且以1:5(“AgNW1”)或1:10(“AgNW2”)的体积比将该墨水稀释在异丙醇(isopropylalcohol)中。银纳米颗粒包括至少银纳米线。氧化锌第一电子传输层112覆盖金属纳米结构层116。使用多种第一空穴传输层114来检验串联有机光伏器件700以确定中间层110的最佳构造。
图7B-7E示出了使用不同中间层成分的串联有机光伏器件700的若干短路电流密度(“J”)与开路电压(“V”)的关系曲线。图8提供了概括图7B-7E中绘示的中间层110的突出的性能参数的图表。图8中概括的性能参数包括开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因数(FF-实际的最大可获得功率与开路电压和短路电流乘积之比)、功率转换效率(PCE)、串联电阻(Rs)和分流电阻(Rshunt)。
图7B和7C示出了使用三种不同中间层110组合的串联有机光伏器件的J-V特性。第一曲线(“串联A”-实心正方形)示出了其中在没有纳米结构层116的情况下中间层110由氧化锌第一电子传输层112和PEDOT第一空穴传输层114构成的参考串联有机光伏器件700的J-V特性。第二曲线(“串联B”-实心圆形)示出了其中中间层110由氧化锌电子传输层112、PEDOT空穴传输层114和由相对浓缩的AgNW1墨水形成的插入的金属纳米结构层116构成的串联有机光伏器件700的J-V特性。第三曲线(“串联C”-实心三角形)示出了其中中间层110由氧化锌电子传输层112、PEDOT空穴传输层114和由相对稀释的AgNW2墨水形成的插入的金属纳米结构层116构成的串联有机光伏器件700的J-V特性。
现在参考图8，在第一电子传输层112与第一空穴传输层114之间插入金属纳米结构层116改善了串联有机光伏器件700的开路电压。如图8中所示，使用PEDOT/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(即，“串联C”)显示出约61％的填充因数和1.10V的开路电压Voc。值得注意的是，由串联C产生的开路电压Voc(1.10V)几乎与由两个单结有机光伏器件200(参考图5，“器件D”)产生的开路电压Voc(0.56V)的总和相同。
此外，使用PEDOT/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(即，“串联C”)显示出1.93Ωcm2的串联电阻Rs，其仅稍大于由两个单结有机光伏器件200(参考图5，“器件D”)产生的串联电阻Rs(1.86Ωcm2)的总和。观测到的串联有机光伏器件700的串联电阻Rs超出两个单结有机光伏器件200的单个串联电阻Rs总和的稍微增加的值显示出中间层中最小限度的损耗特性，其可归因于金属纳米结构层116的存在，并且特别是可归因于用于提供金属纳米结构层116的相对稀释的AgNW2。
而且，观测到的填充因数FF和开路电压Voc的提高揭示出使用PEDOT/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700显示出充分的稳健性以保护下部第一活性层612在第二活性层622的沉积和拉平期间不受扩散影响。PEDOT/AgNW2/ZnO中间层110也显示出在聚集和复合从第一有机光伏器件610和第二有机光伏器件620聚集的电子和空穴方面不错的效率。
相比之下，使用PEDOT/ZnO中间层110而没有插入的金属纳米结构层116的串联有机光伏器件700(即，“串联A”)显示出约36％的填充因数FF和仅0.52V的开路电压Voc。此外，如由图7C中相对高的漏电流可明显表明的那样，PEDOT/ZnO的组合对于提供串联有机光伏器件700中的中间层110而言显示出不足的稳健性。当使用PEDOT/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(“串联C”)的分流电阻Rshunt(25kΩcm2)与使用PEDOT/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(“串联A”)的分流电阻Rshunt(0.74kΩcm2)相比较时，注意到有显著的提高。观测到的分流电阻的提高显示出中间层110增强的稳定性，这可归因于在第一电子传输层112与第一空穴传输层114之间插入金属纳米结构层116。
图7D和7E示出了使用三个不同中间层110组分的串联有机光伏器件的J-V特性。第一曲线(“串联D”-实心正方形)示出了其中在没有金属纳米结构层116的情况下中间层110由氧化锌(“ZnO”)第一电子传输层112和氧化钨(WO3)第一空穴传输层114构成的参考串联有机光伏器件700的J-V特性。第二曲线(“串联E”-实心圆形)示出其中中间层110由ZnO电子传输层112、WO3空穴传输层114和由相对浓缩的AgNW1墨水形成的插入的金属纳米结构层116构成的串联有机光伏器件700的J-V特性。第三曲线(“串联F”-实心三角形)示出了其中中间层110由ZnO电子传输层112、WO3空穴传输层114和由相对稀释的AgNW2墨水形成的插入的金属纳米结构层116构成的串联有机光伏器件700的J-V特性。
在使用WO3/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700中观测到性能提高。如图8中所示，使用WO3/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(即，“串联F”)显示出约43％的填充因数FF和0.98V的开路电压Voc。值得注意的是，由串联F产生的开路电压Voc(0.98V)几乎与由两个单结有机光伏器件200(参考图5，“器件G”)产生的开路电压Voc(1.16V)的总和相同。相比之下，使用WO3/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(即，“串联D”)显示出仅0.50V的开路电压Voc。此外，使用WO3/AgNW2/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(即，“串联F”)的串联电阻Rs(34Ωcm2)显示出超出使用WO3/ZnO中间层110的串联有机光伏器件700(即，“串联D”)的串联电阻Rs(109Ωcm2)的显著改进。
溶液处理的金属纳米结构层116和特别是包括诸如银纳米线之类纳米结构的金属纳米结构层116的引入，提高了第一电子传输层112和第一空穴传输层114界面处的复合特性。由于促进电子和空穴复合的限制，仅包括PEDOT或WO3第一空穴传输层114以及ZnO第一电子传输层112而不存在金属纳米结构层116的中间层110的效率使得串联有机光伏器件700的性能受损。将溶液处理的金属纳米结构层116例如溶液处理的银纳米线层116插入到串联有机光伏器件700的中间层110中，这显示出与单结有机光伏器件中共用的单个缓冲层相似的功能性。这表示通过插入的金属纳米结构层116在第一电子传输层112与第一空穴传输层114之间形成了等效的欧姆接触。
通过改善复合特性，结合了诸如PEDOT/AgNW/ZnO或者WO3/AgNW/ZnO之类包括金属纳米结构层116的中间层110的串联有机光伏器件700分别提供了2.72％和3.10％的功率转换效率(“PCE”)。对比来看，结合诸如PEDOT/ZnO或者WO3/ZnO中间层110之类不包括金属纳米结构层116的中间层110的相应串联有机光伏器件700仅分别提供1.24％和0.70％的PCE。
此外，在以P3HT:PCBM为基础的串联有机光伏器件的相似条件下研究结合了金属纳米结构层116的中间层110，提示结合金属纳米结构层116的中间层110(例如，第一空穴传输层/AgNW/第一电子传输层)足够稳健并且提高效率至适于在串联有机光伏器件700中使用的程度。
图9示出了包括具有至少一个金属纳米结构层116的中间层110的串联有机光伏器件700的实例性形成方法，。在诸如图7A中所绘示的串联有机光伏器件中，有机光伏器件的性能至少部分依赖于分离单个有机光伏器件以促进由单个有机光伏器件提供的电子和空穴的有效复合的中间层的能力。
中间层110包括设置在第一电子传输层112与第一空穴传输层114之间的金属纳米结构层116。金属纳米结构层116促进了跨第一电子传输层112传输的电子与跨第一空穴传输层114传输的空穴的有效复合。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层116可包括一层诸如银纳米线和/或银纳米点之类的银纳米结构，厚度从约15纳米(nm)至约150nm。串联有机光伏器件700的形成方法始于902。
在904，在包括至少第一有机光伏器件610的基板或表面上形成第一空穴传输层114。可使用任意当前或未来开发的沉积和拉平工艺形成第一空穴传输层114，沉积和拉平工艺包括但不限于旋涂或机械沉积和拉平(例如刮涂)。第一空穴传输层114可具有从约20纳米(nm)至约200纳米的厚度。在一些实施方案中，第一空穴传输层114可包括PEDOT和/或一种或多种含PEDOT的化合物。在一些实施方案中，第一空穴传输层114可包括氧化钨(WO3)和/或一种或多种含氧化钨(WO3)的化合物。
在906，遍及第一空穴传输层114的全部或一部分以第一浓度沉积包括金属纳米结构的溶液。在至少一些实施方案中，含金属纳米结构的溶液包括含水(aqueous)银纳米线墨水，其含有从约0.1重量百分比(wt.％)至约5wt.％浓度的悬浮银纳米线，是用比例从按体积计约1份银纳米线墨水与按体积计约5份异丙醇(isopropyl alcohol)之比到按体积计约1份银纳米线墨水与按体积计约10份异丙醇之比的异丙醇稀释的。可经由任意当前或未来开发的沉积技术遍及第一空穴传输层的全部或一部分施加金属纳米结构溶液。
在908，遍及第一空穴传输层114拉平沉积的金属纳米线溶液。可以使用任意当前或未来开发的物理、机械或化学拉平设备、工艺或系统来实现拉平，例如经由刮涂进行机械拉平。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层116可具有从约15纳米(nm)至约150nm的厚度。
在910，遍及金属纳米结构层116的表面沉积第一电子传输层112。可使用任意当前或未来开发的沉积和拉平工艺来形成第一电子传输层112，该工艺包括但不限于旋涂或机械沉积和拉平(例如刮涂)。第一电子传输层112可具有从约20纳米(nm)至约200纳米的厚度。在一些实施方案中，第一电子传输层112可包括氧化锌(ZnO)和/或一种或多种含ZnO的化合物。
在912，遍及第一电子传输层112的全部或一部分形成第二有机光伏器件620。第二有机光伏器件620可包括任意当前或未来开发的有机光伏器件。在至少一个实施方案中，接近第一电子传输层112的全部或一部分形成第二有机光伏器件620的活性层622。活性层622可包括一种或多种电活性有机化合物，将其设置为若干均质的单个层或者将其设置为包括电活性有机化合物的混合物的一个或多个异质层。第二有机光伏器件620还可包括第二空穴传输层624，第二空穴传输层624被设置在与第一电子传输层112相反的活性层622的那一侧上。可以接近第二空穴传输层624的全部或一部分设置电极150。串联有机光伏器件700的形成方法结束于912。
图10示出了通过在第一有机光伏器件610与第二有机光伏器件620之间沉积具有至少一个金属纳米结构层116的中间层110来形成串联有机光伏器件700的实例性方法。在诸如图7A中所绘示的串联有机光伏器件700中，有机光伏器件的性能至少部分依赖于分离单个的第一和第二有机光伏器件610、620以有效复合由单个的第一和第二有机光伏器件610、620提供的电子和空穴的中间层的能力。
中间层110包括设置在第一电子传输层112与第一空穴传输层114之间的金属纳米结构层116。金属纳米结构层116利于跨第一电子传输层112传输的电子与跨第一空穴传输层114传输的空穴的有效复合。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层116可包括一层银纳米结构，诸如厚度从约15纳米(nm)至约150nm的一层中的银纳米线和/或银纳米点。串联有机光伏器件700的形成方法始于1002。
在1004，在第一有机光伏器件610与第二有机光伏器件620之间沉积包括具有相对的第一和第二表面的金属纳米结构层116的中间层110。除了金属纳米结构层116，中间层110还可包括设置成接近金属纳米结构层116第一表面的任意数量的第一电子传输层112和被设置成接近金属纳米结构层116第二表面的任意数量的空穴传输层114。串联有机光伏器件700的形成方法终止于1006。
上文描述的各实施方式可组合以提供其他实施方式。通过引用，在本文中并入本说明书中提及的和/或申请数据表中列出的所有的美国专利、美国专利申请公开文件、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利公开文件的整体内容。必要的话，实施方式的各方面均可修改以采用各专利、申请和公开文件的构思，从而提供进一步的实施方式。
根据以上的详细描述可对实施方式进行这些以及其他变化。总之，在随附的权利要求书中，使用的术语不应解释为限制说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而是应当理解为包括所有可能实施方式连同所赋予这样权利要求的等同物的全部范围。因此，权利要求书不受本公开内容的限制。

Claims (47)

1.一种光学叠层，包括：
沉积在基板上的中间层，所述中间层具有第一表面和相对的第二表面，所述中间层包含：
第一空穴传输层，所述第一空穴传输层形成所述第一表面的至少一部分；
第一电子传输层，所述第一电子传输层形成所述第二表面的至少一部分；和
金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包含插入到所述第一空穴传输层与所述第一电子传输层之间的多个金属纳米结构，所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米点，所述多个金属纳米点接触所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层并且在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层的界面处用作复合中心，以及其中所述金属纳米结构层中存在的所述多个金属纳米点延伸到在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层的所述界面上方30nm或以下的高度，该高度小于所述第一电子传输层的深度，从而所述第一电子传输层完全覆盖所述金属纳米点。
2.如权利要求1所述的光学叠层，还包括第一有机光伏器件，所述第一有机光伏器件包含：
第一活性层，所述第一活性层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一活性层对第一波长带的入射电磁辐射敏感；
其中所述第一活性层的所述第一表面被设置成接近第二电子传输层；和
其中所述第一活性层的所述第二表面被设置成接近所述中间层的所述第一空穴传输层。
3.如权利要求2所述的光学叠层，还包括第二有机光伏器件，所述第二有机光伏器件包括：
第二活性层，所述第二活性层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述第二活性层对第二波长带的入射电磁辐射敏感；
其中所述第二活性层的所述第一表面被设置成接近第二空穴传输层；和
其中所述第二活性层的所述第二表面被设置成接近所述中间层第一电子传输层。
4.如权利要求3所述的光学叠层，其中所述第二波长带包含所述第一波长带内所不包含的至少一个电磁辐射波长。
5.如权利要求3所述的光学叠层，其中所述第二波长带不包含所述第一波长带内所包含的任意电磁辐射波长。
6.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米线。
7.如权利要求6所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米线包括多个银纳米线。
8.如权利要求7所述的光学叠层，其中所述多个银纳米线每一个的纵轴都平行于所述第一表面和所述第二表面。
9.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米点包括多个银纳米点。
10.如权利要求9所述的光学叠层，其中所述多个银纳米点每一个的纵轴都处于相对于所述第一表面和所述第二表面测量的非零角度。
11.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米线和多个金属纳米点。
12.如权利要求11所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米线包括多个银纳米线并且所述多个金属纳米点包括多个银纳米点。
13.如权利要求12所述的光学叠层，其中所述多个银纳米线每一个的纵轴都与所述第一表面和所述第二表面平行，并且所述多个银纳米点每一个的纵轴都处于相对于所述第一表面和所述第二表面测量的非零角度。
14.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括以下至少之一：多个银纳米点，多个金纳米点，或多个铂纳米点。
15.如权利要求14所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米点，所述多个金属纳米点通过以下至少之一的分解形成：银纳米线的分解，金纳米线的分解，或铂纳米线的分解。
16.如权利要求15所述的光学叠层，
其中所述银纳米线的分解包括银纳米线的化学分解；
其中所述金纳米线的分解包括金纳米线的化学分解；以及
其中所述铂纳米线的分解包括铂纳米线的化学分解。
17.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述第一空穴传输层包括以下至少之一：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(“PEDOT:PSS”)或氧化钨(“WO3”)。
18.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述第一电子传输层包括氧化锌(“ZnO”)。
19.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述中间层包括金属纳米结构层，所述金属纳米结构层对于落入到从400纳米(nm)至600nm波长范围内的电磁辐射具有至少99％的透射率。
20.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述中间层包括对落入到从400纳米(nm)至600nm波长范围内的电磁辐射具有至少85％透射率的层。
21.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述金属纳米结构层还包含插入到所述第一空穴传输层与所述第一电子传输层之间的低片电阻栅格。
22.一种提供串联有机光伏器件的方法，包括：
遍及表面的全部或一部分形成第一空穴传输层，所述表面至少包含第一有机光伏器件；
遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分沉积金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包含包含多个金属纳米结构的溶液，其中所述多个金属纳米结构包括延伸到所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层的界面上方30nm或以下的高度的多个金属纳米点；
遍及实质上全部的空穴传输层拉平沉积的金属纳米结构层，以提供拉平的金属纳米结构层；
遍及拉平的金属纳米结构层的全部或一部分形成第一电子传输层，所述多个金属纳米点在所述界面上方延伸的所述高度小于所述第一电子传输层的深度，从而所述第一电子传输层完全覆盖所述金属纳米点，所述多个金属纳米点接触所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层，使得所述多个金属纳米点在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层的界面处用作复合中心；和
遍及所述第一电子传输层的全部或一部分形成第二有机光伏器件。
23.如权利要求22所述的方法，其中在至少包含第一有机光伏器件的所述表面上沉积所述第一空穴传输层包括：
遍及形成至少一部分所述表面的氧化铟锡(“ITO”)基板层的至少一部分沉积第二电子传输层；
遍及所述第二电子传输层的全部或一部分沉积第一活性层，所述第一活性层包含聚(3-己基噻吩)(“P3HT”)聚合物和苯基-C61-丁酸甲酯(“PCBM”)聚合物；和
遍及所述第一活性层的至少一部分沉积所述第一空穴传输层。
24.如权利要求23所述的方法，其中遍及所述第一活性层的至少一部分沉积所述第一空穴传输层包括：
遍及所述第一活性层的至少一部分以实质上均匀的厚度沉积空穴传输材料，所述空穴传输材料包括以下至少之一：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(“PEDOT:PSS”)化合物或氧化钨(“WO3”)化合物。
25.如权利要求22所述的方法，其中遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分沉积包含多个金属纳米结构的溶液包括：
遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分把包含悬浮金属纳米线的溶液沉积成具有实质上均匀厚度的层。
26.如权利要求22所述的方法，其中遍及所述第一空穴传输层的全部或部分沉积包含多个金属纳米结构的溶液包括：
用比例从按体积计1份金属纳米线墨水与按体积计5份异丙醇之比到按体积计1份金属纳米线墨水与按体积计10份异丙醇之比的异丙醇稀释含水金属纳米线墨水，以提供稀释的纳米线墨水，所述含水金属纳米线墨水包含从0.1wt.％至5％wt.％悬浮银纳米线；
遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分沉积稀释的金属纳米线墨水。
27.如权利要求25所述的方法，其中遍及实质上全部的空穴传输层拉平沉积的金属纳米结构溶液包括以下至少之一：遍及实质上全部的所述空穴传输层机械拉平或旋涂所沉积的金属纳米线溶液，以提供从15纳米(nm)至150nm的金属纳米结构膜厚度。
28.如权利要求22所述的方法，其中遍及所述金属纳米结构层的全部或一部分沉积第一电子传输层包括：
遍及所述金属纳米结构层的至少一部分，以实质上均匀的厚度沉积电子传输材料，所述电子传输材料包含氧化锌(“ZnO”)化合物。
29.如权利要求22所述的方法，其中遍及所述第一电子传输层的全部或一部分沉积第二有机光伏器件包括：
遍及所述第一电子传输层的至少一部分沉积第二活性层，所述第二活性层包括聚(3-己基噻吩)(“P3HT”)聚合物和苯基-C61-丁酸甲酯(“PCBM”)聚合物；和
遍及所述第二活性层的至少一部分沉积第二空穴传输层。
30.如权利要求22所述的方法，其中所述金属纳米结构层还包含低片电阻栅格。
31.一种串联有机光伏器件，包括：
沉积在基板上的中间层，所述中间层包含：
第一空穴传输层；
第一电子传输层；和
金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包含多个金属纳米结构，所述金属纳米结构层插入在所述第一电子传输层与所述第一空穴传输层之间，所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米点，所述多个金属纳米点接触所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层并在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层的界面处用作复合中心，并且所述多个金属纳米点延伸到在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层的所述界面上方30nm或以下的高度，该高度小于所述第一电子传输层的深度，从而所述第一电子传输层完全覆盖所述金属纳米点；
第一有机光伏器件，所述第一有机光伏器件包含：
第一活性层，所述第一活性层对第一波长带内的入射电磁辐射敏感，所述第一活性层具有第一表面和相对的第二表面，所述第一活性层的所述第一表面被设置成接近所述中间层的所述第一电子传输层；和
第二空穴传输层，所述第二空穴传输层被设置成接近所述第一活性层的所述第二表面的全部或一部分；以及
第二有机光伏器件，所述第二有机光伏器件导电性地耦接至所述第一有机光伏器件并且包含：
第二活性层，所述第二活性层对第二波长带内的入射电磁辐射敏感，所述第二波长带包含所述第一波长带之外的至少一种电磁辐射波长，所述第二活性层具有第一表面和相对的第二表面，所述第二活性层的所述第一表面被设置成接近所述中间层的所述第一空穴传输层；和
第二电子传输层，所述第二电子传输层被设置成接近所述第二活性层的所述第二表面的全部或一部分。
32.如权利要求31所述的串联有机光伏器件，还包括：
第一电极，所述第一电极电耦接至所述第一有机光伏器件的所述第二空穴传输层；和
第二电极，所述第二电极电通讯地耦接至所述第二有机光伏器件的所述第二电子传输层。
33.如权利要求32所述的串联有机光伏器件，还包括：
第三电极，所述第三电极导电地耦接至至少所述金属纳米结构层。
34.如权利要求31所述的串联有机光伏器件，其中所述多个金属纳米结构包括以下至少之一：多个银纳米线、多个金纳米线、或多个铂纳米线。
35.如权利要求31所述的串联有机光伏器件，其中所述多个纳米结构包括以下至少之一：多个银纳米点、多个金纳米点、或多个铂纳米点。
36.如权利要求35所述的串联有机光伏器件，其中所述多个金属纳米点还包括以下至少之一：至少部分使用银纳米线形成的银纳米点、至少部分使用金纳米线形成的金纳米点、或至少部分使用铂纳米线形成的铂纳米点。
37.如权利要求31所述的串联有机光伏器件，其中所述第一空穴传输层包括以下至少之一：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸)(“PEDOT:PSS”)或氧化钨(“WO3”)。
38.如权利要求31所述的串联有机光伏器件，其中所述第一电子传输层包括氧化锌(“ZnO”)。
39.如权利要求31所述的串联有机光伏器件，其中所述中间层包括金属纳米结构层，所述金属纳米结构层对于落入从400纳米(nm)至600nm波长范围内的电磁辐射具有至少99％的透射率。
40.如权利要求39所述的串联有机光伏器件，其中所述中间层包括对落入从400纳米(nm)至600nm波长范围内的电磁辐射具有至少85％透射率的层。
41.一种提供串联有机光伏器件的方法，包括：
在第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间沉积中间层，所述中间层至少包括第一电子传输层、第一空穴传输层和插入到所述第一电子传输层与所述第一空穴传输层之间的金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包括多个金属纳米点，所述多个金属纳米点接触所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层并在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层的界面处用作复合中心，并且所述多个金属纳米点延伸到在所述金属纳米结构层与所述第一空穴传输层的界面上方30nm或以下的高度，该高度小于所述第一电子传输层的深度，从而所述第一电子传输层完全覆盖所述金属纳米点。
42.如权利要求41所述的方法，其中在第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间沉积中间层包括：
在所述第一有机光伏器件的活性层与所述第二有机光伏器件的活性层之间沉积所述中间层。
43.如权利要求42所述的方法，其中在所述第一有机光伏器件的活性层与所述第二有机光伏器件的活性层之间沉积中间层包括：
在所述第一有机光伏器件的所述活性层上沉积所述第一电子传输层或所述第一空穴传输层至少之一；以及
在未沉积在所述第一有机光伏器件的所述活性层上的所述第一空穴传输层或所述第一电子传输层至少之一上沉积所述第二有机光伏器件的所述活性层。
44.如权利要求43所述的方法，还包括：
在所述第一电子传输层与所述第一空穴传输层之间沉积含金属纳米结构的溶液；
拉平沉积的含金属纳米结构的溶液以在所述第一电子传输层与所述第一空穴传输层之间提供金属纳米结构层，使得所述金属纳米结构层具有从15纳米(nm)至150nm的厚度。
45.如权利要求44所述的方法，其中以第一浓度在所述第一电子传输层与所述第一空穴传输层之间沉积含金属纳米结构的溶液包括：
通过用体积比从1份墨水与5份异丙醇之比至1份墨水与10份异丙醇之比的异丙醇稀释含有从0.1wt.％悬浮银纳米线至5wt.％悬浮银纳米线的含水银纳米线墨水来形成所述溶液；和
在上述第一电子传输层与所述第一空穴传输层之间沉积稀释的银纳米线墨水。
46.如权利要求43所述的方法，其中在所述第一有机光伏器件的所述活性层上沉积所述第一电子传输层或所述第一空穴传输层至少之一包括：
在所述第一有机光伏器件的所述活性层上沉积含有PEDOT或氧化钨至少之一的第一空穴传输层或者含有氧化锌的第一电子传输层至少之一。
47.如权利要求43所述的方法，其中在所述第一电子传输层或所述第一空穴传输层至少之一上沉积所述第二有机光伏器件的所述活性层包括：
在含有PEDOT或氧化钨至少之一的第一空穴传输层或者含有氧化锌的第一电子传输层至少之一上沉积所述第二有机光伏器件的所述活性层。
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