CN107851719A - 有机太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及有机太阳能电池，包括：第一电极；设置成面向所述第一电极的第二电极；以及设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，其中所述有机材料层中的一个或更多个层包括具有不同厚度的两个或更多个区域。

Description

有机太阳能电池及其制造方法
技术领域
本说明书要求分别于2015年12月7日和2016年12月2日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0173537号和第10-2016-0163556号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请涉及有机太阳能电池及其制造方法。
背景技术
有机太阳能电池是可通过应用光伏效应将太阳能直接转换成电能的装置。根据构成薄膜的材料，太阳能电池可分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。典型的太阳能电池是通过掺杂为无机半导体的晶体硅(Si)经由p-n结而制成。通过吸收光产生的电子和空穴扩散到p-n结点，并且在被电场加速的同时移动至电极。该过程中的功率转换效率被定义为输出到外电路的电功率与进入太阳能电池的太阳能功率之比，并且当在目前标准化的虚拟太阳辐照条件下测量时，功率转换效率已达到约24％。然而，由于现有技术中的无机太阳能电池已经显示出在经济可行性以及材料需求和供应方面受到限制，故容易加工、廉价且具有多种功能性的有机半导体太阳能电池作为长期替代能源已成为焦点。
因此，需要对能够用于有机太阳能电池和有机太阳能电池的各种应用中的材料的开发进行研究。
发明内容
技术问题
本申请致力于通过设计有机太阳能电池以显示各种颜色来将有机太阳能电池用于各种用途。
技术方案
本申请的一个示例性实施方案提供了一种有机太阳能电池，其包括：第一电极；设置成面向所述第一电极的第二电极；和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，其中所述有机材料层中的一个或更多个层包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
根据本申请的另一个示例性实施方案，所述具有不同厚度的两个或更多个区域由相同材料形成。
根据本申请的又一个示例性实施方案，所述具有不同厚度的两个或更多个区域就构成材料中的至少一种而言彼此不同。
根据本申请的再一个示例性实施方案，所述具有不同厚度的两个或更多个区域在可见光线的至少一部分中具有不同的吸光度。
本申请的又一个示例性实施方案提供了一种用于制造有机太阳能电池的方法，所述有机太阳能电池包括：第一电极；设置成面向所述第一电极的第二电极；和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，其中所述有机材料层中的一个或更多个层通过涂覆方法形成为包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
根据本申请的另一个示例性实施方案，所述涂覆方法为喷涂。
有益效果
根据本申请中描述的示例性实施方案，通过在使用驱动有机太阳能电池所需的有机材料层的材料的同时改变有机材料层的厚度，可在同一层中显示出两种或更多种颜色，因此，有机太阳能电池的外观可通过显示出待显示的字母或图案而在视觉上得到改善。因此，不仅可以通过有机太阳能电池本身提供储存能量的效果，而且还可以公开所需信息或提供视觉美感。此外，因此，与不透明的有机太阳能电池相比，可以在更多的空间或位置处布置有机太阳能电池。
附图说明
图1是实施例1中制造的有机太阳能电池的外观照片。
图2是示出了在实施例1中制造的有机太阳能电池的各区域中的吸光度的图。
图3是实施例2中制造的有机太阳能电池的外观照片。
图4是示出了在实施例3中制造的有机太阳能电池的各区域中的吸光度的图。
图5和6是能够通过根据本申请的示例性实施方案的有机太阳能电池显示的颜色的实例。
图7例示了实施例中制造的有机太阳能电池组件的堆叠结构。
图8例示了根据本申请的一个示例性实施方案的有机太阳能电池组件的堆叠结构。
具体实施方式
下文中，将详细描述本发明。
根据本申请的一个示例性实施方案的有机太阳能电池包括：第一电极；设置成面向所述第一电极的第二电极；和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，其中所述有机材料层中的一个或更多个层包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
在现有技术的有机太阳能电池中，设置有光活性层的区域通常具有接近黑色的深颜色。然而，本发明人发现，当在可用作有机太阳能电池的有机材料层的材料的有机材料中，调节有机材料层的厚度时，有机材料层对可见光区域内的波长具有特定吸光度，从而显示特定的颜色。因此，可以通过形成至少一个有机材料层以包括具有不同厚度的两个或更多个区域来提供可显示两种或更多种颜色的有机太阳能电池。此外，通过形成两个或更多个区域以显示字母或图案，可以通过字母或图案显示信息或提供视觉美感，同时用作有机太阳能电池本身，如图5和6所示。
厚度差可通过待差异区分的可见光线的吸光度(即，颜色)来确定。根据本申请的另一个示例性实施方案，包括具有不同厚度的两个或更多个区域的有机材料层的厚度可为30nm至600nm。
例如，当有机材料层包括具有不同厚度的第一区域和第二区域时，所述第一区域和所述第二区域可各自具有30nm至600nm的厚度。
根据本说明书的一个示例性实施方案，具有不同厚度的两个或更多个区域之间的厚度差可为10nm至570nm。厚度差可通过借助于α-step设备或SEM照片等测量厚度的方法来测量。
在本申请的一个示例性实施方案中，有机材料层中的一个或更多个层包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
根据本申请的另一个示例性实施方案，有机材料层中的一个或更多个层可包括具有不同厚度的三个或更多个区域。
根据本申请的又一个示例性实施方案，有机材料层中的一个或更多个层可包括具有不同厚度的四个或更多个区域。
根据本申请的再一个示例性实施方案，构成具有不同厚度的两个或更多个区域的材料可彼此相同。即使当两个或更多个区域由相同材料形成时，也可通过使厚度不同来显示不同的颜色。
根据本申请的又一个示例性实施方案，具有不同厚度的两个或更多个区域就构成材料中的至少一种而言可彼此不同。根据一个实例，所需的厚度可彼此不同以根据材料的种类显示期望的颜色，使得两个或更多个区域就构成材料中的至少一种而言彼此不同，并且层的厚度彼此不同。
在包括具有不同厚度的两个或更多个区域的有机材料层中，下文将描述的喷涂可重复一次或两次或更多次以通过调节每个区域中的厚度来获得待显示的颜色，换言之，期望的可见光线透过率。可通过重复喷涂一次或两次或更多次来形成厚的层。
根据本申请的又一个示例性实施方案，具有不同厚度的两个或更多个区域在可见光线的至少一部分中具有不同的吸光度。通过包括如上所述具有不同吸光度的两个或更多个区域，有机太阳能电池可显示两种或更多种颜色。可由有机太阳能电池显示的颜色可由有机材料层的材料、有机材料层的厚度、电极的透明度等确定。
根据本申请的另一个示例性实施方案，包括具有不同厚度的两个或更多个区域的有机材料层是光活性层。
根据本申请的又一个示例性实施方案，光活性层可包含电子供体材料和电子受体材料。
根据有机太阳能电池中待显示的颜色，电子供体材料可选自充当电子供体的材料。电子供体材料可选自通过调节厚度不吸收可见光线区域的至少一部分并因此显示出特定颜色的材料。
根据本申请的再一个示例性实施方案，电子供体材料可为以下化学式1-1至1-6中的至少一者。
[化学式1-1]
[化学式1-2]
[化学式1-3]
[化学式1-4]
[化学式1-5]
[化学式1-6]
在化学式1-1至1-6中，
X1至X8彼此相同或不同，并且各自独立地为SiRR’或NR，
R、R’和R1至R11彼此相同或不同，并且各自独立地为烷基，
a、b、c、d、e、f、g和h彼此相同或不同，并且各自独立地为0至1的实数，
a+b＝1，
c+d＝1，
e+f＝1，
g+h＝1，并且
n为1至10000的整数。
根据本申请的另一个示例性实施方案，下表1中的材料可用作电子受体材料，但是电子受体材料不限于此。
[表1]
表1描述了可由材料显示的颜色，但是可根据由所述材料组成的层的厚度来调整颜色。
作为电子受体材料，可以使用选自以下的材料：芴、芴衍生物、浴铜灵、半导体元素、半导体化合物、及其组合，但是电子受体材料不限于此。具体地，作为电子受体材料，可以使用选自以下的一种或两种或更多种化合物：富勒烯、富勒烯衍生物((6,6)-苯基-C61-丁酸-甲基酯(PCBM)或(6,6)-苯基-C61-丁酸-胆甾醇基酯(PCBCR))、苝、聚苯并咪唑(PBI)和3,4,9,10-苝-四甲酸双-苯并咪唑(PTCBI)。
根据本申请的又一个示例性实施方案，光活性层在可见光线区域的至少一部分中的吸光度为2或更小。例如，当包含电子供体材料和电子受体材料的光活性层的厚度为30nm至600nm时，光活性层在可见光线区域的至少一部分中的吸光度可为2或更小。
在本申请的一个示例性实施方案中，第一电极是阳极，第二电极是阴极。在另一个示例性实施方案中，第一电极是阴极，第二电极是阳极。根据本说明书的示例性实施方案的有机太阳能电池还可包括与阳极侧或阴极侧接触的基底。
在本申请的一个示例性实施方案中，在有机太阳能电池中，阴极、光活性层和阳极可按此顺序布置，并且阳极、光活性层和阴极可按此顺序布置，但布置顺序不限于此。
根据本申请的另一个示例性实施方案，在光活性层与阳极之间还可包括空穴传输层。此外，在光活性层与阴极之间还可包括电子传输层。例如，在有机太阳能电池中，阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极也可按此顺序布置，并且阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极也可按此顺序布置，但布置顺序不限于此。
在本申请的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有正常结构。正常结构可意指阳极形成在基底上。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，当有机太阳能电池具有正常结构时，待形成在基底上的第一电极可为阳极。
在本申请的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有倒置结构。倒置结构可意指阴极形成在基底上。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，当有机太阳能电池具有倒置结构时，待形成在基底上的第一电极可为阴极。
在本申请的一个示例性实施方案中，有机太阳能电池具有串联或堆叠结构。在这种情况下，有机太阳能电池可包括具有两个或更多个层的光活性层。在根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池中，光活性层可具有一个层或两个或更多个层。
在本申请的另一个示例性实施方案中，缓冲层可设置在光活性层与空穴传输层之间，或者光活性层与电子传输层之间。此时，还可在阳极与空穴传输层之间设置空穴注入层。此外，还可在阴极与电子传输层之间设置电子注入层。
在本说明书中，基底可以是具有优异的透明度、表面光滑度、易操作性和防水特性的玻璃基底或透明塑料基底，但不限于此，并且基底没有限制，只要该基底通常用于有机太阳能电池中即可。其具体实例包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、三乙酰纤维素(TAC)等，但不限于此。
阳极电极可由透明的且具有优异的电导率的材料制成，但不限于此。其实例包括：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；导电聚合物，例如聚(3-甲基噻吩)、聚[3,4-(亚乙基-1,2-二氧基)噻吩](PEDOT)、聚吡咯和聚苯胺等，但不限于此。
阴极电极可以是具有低功函数的金属，但不限于此。其具体实例包括：金属，例如镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、铝、银、锡和铅，或其合金；和具有多层结构的材料，例如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Fe、Al:Li、Al:BaF2和Al:BaF2:Ba，但不限于此。
空穴传输层和/或电子传输层材料用于有效地将从光活性层分离的电子和空穴转移至电极，并且材料没有特别限制。
空穴传输层材料可以是掺杂有聚(苯乙烯磺酸)的聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT:PSS)和钼氧化物(MoOx)、钒氧化物(V2O5)、镍氧化物(NiO)、钨氧化物(WOx)等，但不限于此。
电子传输层材料可以是提取电子的金属氧化物，并且其具体实例包括：8-羟基喹啉的金属配合物、包含Alq3的配合物、包含Liq的金属配合物、LiF、Ca、钛氧化物(TiOx)、氧化锌(ZnO)和碳酸铯(Cs2CO3)等，但不限于此。
本申请的又一个示例性实施方案提供了一种用于制造有机太阳能电池的方法，所述有机太阳能电池包括：第一电极；设置成面向所述第一电极的第二电极；和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，其中所述有机材料层中的一个或更多个层通过涂覆方法形成为包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
根据本申请的再一个示例性实施方案，涂覆方法为喷涂。
作为一个实例，可通过使用制造的两个或更多个掩模在各区域中顺序地进行喷涂以使得在具有不同厚度的各区域中进行喷涂。喷涂可通过使用其中形成该层的有机材料溶解在有机溶剂中的溶液来进行。为了调节有机材料层的厚度，如果需要的话，可调节喷射的喷雾的量，或者涂覆可重复一次或两次或更多次。通过重复涂覆一次或两次或更多次来有利地形成期望的厚度。
除了包括具有不同厚度的两个或更多个区域的有机材料层以外，电极和有机材料层可通过使用本领域的方法和材料来形成。
形成阳极电极的方法没有特别限制，但是阳极电极可例如通过使用以下方法施加到基底的一个表面上或者通过以膜的形式涂覆来形成：溅射、电子束、热沉积、旋涂、丝网印刷、喷墨印刷、刮涂或凹版印刷法。
当在基底上形成阳极电极时，阳极电极可经受清洗、除去水分和亲水改性的过程。
例如，用清洗剂丙酮和异丙醇(IPA)顺序地清洗图案化的ITO基底，然后在100℃至150℃的热板上干燥1分钟至30分钟，优选在120℃下干燥10分钟以除去水分，并且当基底被彻底清洗时，对基底的表面进行亲水改性。
通过如上所述的表面改性，接点表面电势可保持在适合于光活性层的表面电势的水平。此外，在改性期间，可容易地在阳极电极上形成聚合物薄膜，并且还可提高薄膜的质量。
用于阳极电极的预处理技术的实例包括：a)使用平行平板型放电的表面氧化法，b)通过经由在真空状态下使用UV(紫外线)射线产生的臭氧使表面氧化的方法，c)使用经由等离子体产生的氧自由基的氧化方法等。可根据阳极电极或基底的状况以选择所述方法中之一。然而，即使使用任何方法，优选通常防止氧从阳极电极或基底表面离开并且最大限度地抑制水分和有机材料残留。此时，可以使预处理的实质效果最大化。
作为一个具体实例，可以使用通过经由使用UV产生的臭氧来使表面氧化的方法。此时，将超声清洗后的图案化的ITO基底在热板上烘烤并充分干燥，然后将其引入室中，并且所述图案化的ITO基底可通过经由操作UV灯使氧气与UV光反应产生的臭氧来清洗。
然而，本说明书中图案化的ITO基底的表面改性方法不必特别限制，并且可使用任何方法，只要该方法是使基底氧化的方法即可。
可在显示出5×10-7托或更低的真空度的热蒸发器中沉积和形成阴极电极，但形成方法不仅限于此方法。
有机材料层例如空穴传输层、电子传输层和光活性层可通过如下形成：将形成所述层的材料溶解在有机溶剂中，然后通过诸如棒涂、旋涂、浸涂、丝网印刷、喷涂、刮涂和刷涂的方法施加所述溶液，但形成方法不限于此。
根据本说明书的示例性实施方案的有机太阳能电池可通过两种或更多种颜色来显示字母或图案，因此可用于显示特定信息或设计。例如，有机太阳能电池也可用于具有有机太阳能电池功能的用途，例如遮光物、窗帘、玻璃窗、平板纸、天窗和标识牌。
具体实施方式
下文中，将通过实施例来举例说明本发明。然而，提供以下实施例仅用于举例说明本发明，而不旨在限制本发明的范围。
实施例1
为了清洗图案化的ITO玻璃或ITO PET基底的表面，通过依次使用清洗剂丙酮和异丙醇(IPA)进行超声波清洗各20分钟，然后通过干燥图案化的ITO玻璃或ITO PET基底完全除去水分。当图案化的ITO基底被彻底清洗时，在UVO清洗器中对其表面进行改性15分钟。
通过使用棒涂法将包含在IPA(异丙醇)中的2.5重量％的ZnO纳米颗粒(由Nanograde LLC制造)的溶液施加至设置有ITO层的玻璃基底上。对于棒涂法，溶液以20mm/秒的速度往复涂覆。随后，通过在空气中在150℃的烘箱中进行热处理10分钟来形成电子传输层。
随后，通过在80℃下将包含下表2中的电子供体材料和电子受体材料的溶液完全地溶解在氯苯(CB)中，然后在室温下在空气中喷涂所述溶液而在电子传输层上形成包括区域1至区域5的光活性层。使用相同的材料，通过根据位置改变溶液的浓度或涂层的数量，区域2或3显示出不同的可见光线透过率(不同的颜色)。
[表2]
随后，作为空穴传输层，通过热蒸发方法以的速度沉积MoO3层，并且形成为具有10nm的厚度。
通过借助于热蒸发方法在空穴传输层上以的速度沉积Ag金属来形成厚度为100nm的电极，由此制造具有图7所示结构的有机太阳能电池组件。
图1示出了实施例1中制造的有机太阳能电池的外观照片。图2示出了有机太阳能电池在各区域中的吸光度(ITO基底/ZnO/光活性层的吸光度)。
实施例2
以与实施例1中相同的方式进行实验，不同之处在于通过在80℃下在空气中将包含下表3中的电子供体材料和电子受体材料的溶液完全地溶解在氯苯(CB)中，然后在室温下在空气中喷涂所述溶液而在电子传输层上形成包括区域1至区域4的光活性层。
[表3]
图3示出了实施例2中制造的有机太阳能电池的外观照片。图4示出了有机太阳能电池在各区域中的吸光度(ITO基底/ZnO/光活性层的吸光度)。

Claims (13)

1.一种有机太阳能电池，包括：
第一电极；
设置成面向所述第一电极的第二电极；以及
设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，
其中所述有机材料层中的一个或更多个层包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述具有不同厚度的两个或更多个区域在可见光线的至少一部分中具有不同的吸光度。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述具有不同厚度的两个或更多个区域由相同材料形成。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述具有不同厚度的两个或更多个区域的构成材料中的至少一种彼此不同。
5.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中包括所述具有不同厚度的两个或更多个区域的所述有机材料层的厚度为30nm至600nm。
6.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中包括所述具有不同厚度的两个或更多个区域的所述有机材料层是光活性层。
7.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其中所述光活性层包含电子供体材料和电子受体材料。
8.根据权利要求7所述的有机太阳能电池，其中所述电子供体材料包括以下化学式1-1至1-6中的至少一者：
[化学式1-1]
[化学式1-2]
[化学式1-3]
[化学式1-4]
[化学式1-5]
[化学式1-6]
在化学式1-1至1-6中，
X1至X8彼此相同或不同，并且各自独立地为SiRR’或NR，
R、R’和R1至R11彼此相同或不同，并且各自独立地为烷基，
a、b、c、d、e、f、g和h彼此相同或不同，并且各自独立地为0至1的实数，
a+b＝1，
c+d＝1，
e+f＝1，
g+h＝1，并且
n为1至10000的整数。
9.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其中所述光活性层在可见光线区域的至少一部分中的吸光度为2或更小。
10.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述有机太阳能电池具有串联或堆叠结构。
11.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的有机太阳能电池的方法，所述有机太阳能电池包括：第一电极；设置成面向所述第一电极的第二电极；以及设置在所述第一电极与所述第二电极之间的具有一个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层，
其中所述有机材料层中的一个或更多个层通过涂覆方法形成为包括具有不同厚度的两个或更多个区域。
12.根据权利要求11所述的用于制造有机太阳能电池的方法，其中所述涂覆方法为喷涂。
13.根据权利要求11所述的用于制造有机太阳能电池的方法，其中进行两次或更多次喷涂以形成具有不同厚度的两个或更多个区域中的至少一个区域。
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