CN112390947A - 电极界面层材料、两性离子聚合物和有机光伏元件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电极界面层材料、两性离子聚合物和有机光伏元件。本发明提供一种用于制作一电极界面层的电极界面层材料或两性离子聚合物。本发明利用一改性剂与聚乙烯亚胺反应，将聚乙烯亚胺上的胺基通过与该改性剂反应而转变成铵基，以形成一种两性离子聚乙烯亚胺。而当于该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层时，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触时，可以降低电极界面层中的胺基对非富勒烯材料被破坏的可能性。此外，本发明还提供一种包括所述电极界面层材料或两性离子聚合物的有机光伏元件。
Description
技术领域
本发明有关于一种电极界面层材料、其制备方法和其在有机光电元件上的应用，该电极界面层材料应用于有机光伏元件(organic photovoltaics)。
背景技术
有机太阳能电池具有质量轻巧、制作工艺简单、制备成本低廉、可携带及可大面积工艺等优点，并可通过元件结构设计来优化有机太阳能电池的光电特性。因此，有机太阳能电池被广泛地研究，其应用性与前瞻性非常广阔。
有机太阳能电池已经被广泛的发展，其中N型无机氧化物电极界面层材料例如氧化钛(TiO2)或氧化锌(ZnO)被作为制作电极界面层(例如空穴阻挡层)的界面修饰电极材料，以帮助电荷的传递并且也可使电极的功函数与活化层的能阶达到匹配。然而氧化钛或氧化锌这类氧化物材料需要高温的工艺(大于150℃)，这使得应用可挠曲软性基材制作有机太阳能电池时，因受制于温度的限制而极为不便利。
发明内容
因此，本发明提供一种适用于低温工艺的电极界面层材料，该电极界面层材料用于制作一电极界面层。本发明利用聚乙烯亚胺(线性聚乙烯亚胺(linear PEI)或分枝状聚乙烯亚胺(branched PEI))的主链及侧链上的胺基的氮上的孤电子对与一改性剂进行反应，以形成一种两性离子(zwitterionic)聚乙烯亚胺的该电极界面层材料，使得该两性离子聚乙烯亚胺的的主链及侧链上的胺基的氮上无孤电子对或只存在少量孤电子对，或者使得该两性离子聚乙烯亚胺的的主链及侧链上的胺基的氮上的孤电子对的数量少于聚乙烯亚胺的主链及侧链上的胺基的氮上的孤电子对的数量。换言之，本发明是将聚乙烯亚胺上的胺基，通过与该改性剂反应而转变成铵基。而当于该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层(active layer,ATL)时，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触时，由于两性离子聚乙烯亚胺的的主链及侧链上的胺基的氮上已无孤电子对或只存在少量孤电子对，或者由于该两性离子聚乙烯亚胺的的主链及侧链上的胺基的氮上的孤电子对的数量少于聚乙烯亚胺的主链及侧链上的胺基的氮上的孤电子对的数量，因此可以降低对非富勒烯材料被破坏的可能性。再者，由于两性离子聚乙烯亚胺可溶于水和醇类溶剂(例如正丁醇，沸点约117.7℃)，因此可用于低温(例如低于150℃)工艺，并且适合透过涂布(Coating)工艺或大面积工艺而获得具有较佳的平整性与均匀性的薄膜，亦可进一步运用于卷对卷(Roll-to-Roll)工艺，所以可以在低成本下生产具有可塑性及重量轻等优点的有机光伏元件。
本发明提供一种电极界面层材料，其包含一具有两性离子基团的聚乙烯亚胺，而所述两性离子基团具有阳离子基团及阴离子基团；其中，该阳离子基团为选自由仲铵阳离子基、叔铵阳离子基及季铵阳离子基所组成组群中至少其中之一。
依据前述该电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团选自由氧阴离子基、羧酸根阴离子基、磷酸根阴离子基及磺酸根阴离子基所组成组群中至少其中之一。
依据前述该电极界面层材料，其中，前述具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与改性剂进行反应所形成。
依据前述该电极界面层材料，其中，该改性剂为环氧化合物、酸酐、内酯、磺内酯或磷酸盐，前述具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与环氧化合物、酸酐、内酯、磺内酯或磷酸盐所反应形成。
依据前述该电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与具有至少二个交联基团的化合物进行交联反应所形成。
依据前述该电极界面层材料，其中，该交联基团为环氧基团、酸酐基团或异氰酸酯基团。
依据前述该电极界面层材料，其中，前述具有两性离子基团的聚乙烯亚胺依序由以下步骤所形成：聚乙烯亚胺与具有至少二个交联基团的化合物进行交联反应；接着，再与改性剂进行反应，该改性剂为内酯、磺内酯或磷酸盐。
依据前述该电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团为氧阴离子基，且该聚乙烯亚胺以环氧化合物(Ethylene Oxide)为交联剂彼此交联，所述环氧化合物为甘油二缩水甘油基醚(Glycerol diglycidyl ether)、双酚A二环氧甘油醚(bisphenol Adiglycidyl ether)、1,4-丁二醇二缩水甘油醚(1,4-Butanediol diglycidyl ether)、聚丙二醇二缩水甘油醚(poly(propylene glycol)diglycidyl ether)或三羟甲基丙烷三缩水甘油醚(Trimethylolpropane triglycidyl ether)。
依据前述该电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团为羧酸根阴离子基，且该聚乙烯亚胺以酸酐为交联剂彼此交联，所述酸酐为乙酸酐(Aceticanhydride)或顺丁烯二酸酐(Maleic anhydride)。
依据前述该电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团为磺酸根阴离子基，且该聚乙烯亚胺以磺内酯为交联剂彼此交联，所述磺内酯为1,3-丙烷磺内酯(1,3-Propanesultone)或1,4-丁烷磺内酯(1,4-Butanesultone)。
依据前述该电极界面层材料，其中，前述具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的溶剂为醇类。
依据前述该电极界面层材料，其中，前述具有两性离子基团之聚乙烯亚胺的溶剂为醇与水的混合物。
依据前述该电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液以醋酸、硫酸、盐酸、磷酸，过氯酸、碳酸、硝酸、对甲苯磺酸或三氟醋酸调整pH值。
依据前述该电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液的pH值为介于5～8之间。
依据前述该电极界面层材料，其中，该电极界面层材料适用于制作一倒置型有机太阳能电池之一电极界面层；该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触。
本发明还提供一种有机光伏元件，其包括所述电极界面层材料。
依据前述该有机光伏元件，其中，该有机光伏元件至少包括：一第一电极、积层于该第一电极上方的一电极界面层，积层于该电极界面层上方的一活化层，积层于该活化层上方的一空穴传输层，积层于该空穴传输层上方的一第二电极，该电极界面层包含该电极界面层材料。
依据前述该有机光伏元件，其中，该有机光伏元件也可以是包括：一第一电极、积层于该第一电极上方的一空穴传输层，积层于该空穴传输层上方的一活化层，积层于该活化层上方的一电极界面层，积层于该电极界面层上方的一第二电极。
本发明还提供一种两性离子聚合物，如式I所示：
其中，N为氮，N+为阳离子基团。
其中，R1、R2及R3各自独立地为H或聚乙烯亚胺基，且在R1、R2及R3中至少其中之一为聚乙烯亚胺基。
其中，A-为阴离子基团，A-为链上一个H被氧阴离子(-O-)基、羧酸根阴离子(-C(＝O)O-)基、磷酸根阴离子(-PO4 3-)基或磺酸根阴离子(-S(＝O)(＝O)-O-)基取代的具有1至4个碳的经取代或未取代烷基。
依据前述该两性离子聚合物，其中，该两性离子聚合物适用于制作一倒置型有机太阳能电池一电极界面层；该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触。
本发明还提供另一种有机光伏元件，其包括所述该两性离子聚合物。
依据前述该有机光伏元件，其中，该有机光伏元件至少包括：一第一电极、积层于该第一电极上方的一电极界面层，积层于该电极界面层上方的一活化层，积层于该活化层上方的一空穴传输层，积层于该空穴传输层上方的一第二电极，该电极界面层包含该两性离子聚合物。
依据前述该有机光伏元件，其中，该有机光伏元件也可以是包括：一第一电极、积层于该第一电极上方的一空穴传输层，积层于该空穴传输层上方的一活化层，积层于该活化层上方的一电极界面层，积层于该电极界面层上方的一第二电极。
附图说明
图1为本发明的有机光伏元件第一种态样的结构示意图。
图2为本发明的有机光伏元件第二种态样的结构示意图。
图3为本发明实施例5～8与比较例1的有机光伏元件的电压-电流密度图。
图4为本发明实施例9～10与比较例2的有机光伏元件的电压-电流密度图。
图5为本发明实施例11与比较例3的有机光伏元件的电压-电流密度图。
其中，附图标记说明如下：
10 基板
20 第一电极
30 电极界面层
40 活化层
50 空穴传输层
60 第二电极
具体实施方式
以下通过较佳实施例详细说明本发明，以使本领域普通技术人员易于了解本发明的说明书所揭示的益处及功效。然而，实施例为示例，本发明并不限于此。
本发明提供一种电极界面层材料，该电极界面层材料适用于一倒置型有机太阳能电池一电极界面层；该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触。
该电极界面层材料包含一具有两性离子(zwitterionic)基团的聚乙烯亚胺，所述两性离子基团具有阳离子基团及阴离子基团；其中，该阳离子基团为选自由仲铵阳离子基、叔铵阳离子基及季铵阳离子基所组成组群中至少其中之一。该两性离子基团的该阴离子基团选自由氧阴离子基、羧酸根阴离子基、磷酸根阴离子基及磺酸根阴离子基所组成组群中至少其中之一。
或者，该电极界面层材料包含下列式I的聚合物，前述具有两性离子基团的聚乙烯亚胺可以是式I的聚合物，该聚合物为两性离子聚合物：
于式I的聚合物中，N为氮；N+为阳离子基团。
于式I的聚合物中，R1、R2及R3各自独立地为H(氢)或聚乙烯亚胺基，且在R1、R2及R3中至少其中之一为聚乙烯亚胺基。当R1、R2及R3中其中二个为H及另外一个为聚乙烯亚胺基时时，N+为仲铵阳离子基的阳离子基团；当R1、R2及R3中只有其中一个为H及另外二个为聚乙烯亚胺基时，N+为叔铵阳离子基的阳离子基团；当R1、R2及R3皆为聚乙烯亚胺基时，N+为季铵阳离子基的阳离子基团。
于式I的聚合物中，A-为阴离子基团；A-为链上一个H被氧阴离子(-O-)基、羧酸根阴离子(-C(＝O)O-)基、磷酸根阴离子(-PO4 3-)基或磺酸根阴离子(-S(＝O)(＝O)-O-)基取代的具有1至4个碳的经取代或未取代烷基。
于式I的聚合物中，该阳离子基团的摩尔数等于该阴离子基团的摩尔数，或者该阳离子基团的数量等于该阴离子基团的数量。
该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺可由有三种方式制备：制备方式(A)，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与改性剂进行反应所形成，该改性剂为环氧化合物、酸酐、内酯、磺内酯或磷酸盐；制备方式(B)，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与具有至少二个交联基团的化合物进行交联反应所形成；制备方式(C)，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺依序由以下步骤所形成：聚乙烯亚胺与具有至少二个交联基团的化合物进行交联反应；接着，再与改性剂进行反应，该改性剂为内酯、磺内酯或磷酸盐。
为方便说明及理解，以下是以制备方式(A)作为实施方式的举例说明。
所述该电极界面层材料或式I的该两性离子聚合物根据以下之一种电极界面层材料的制造方法(也称为一种两性离子聚合物的制造方法)来制备。所述该电极界面层材料的制造方法(或该两性离子聚合物的制造方法)可以是以下方法一或方法二的其中之一。
方法一：(1)依据聚乙烯亚胺及改性剂所对应的重量，准备聚乙烯亚胺及改性剂，前述聚乙烯亚胺可采用分支型聚乙烯亚胺(branched polyethylenimine，b-PEI)，分支型聚乙烯亚胺是由伯、仲、叔胺以33％：41％：26％的胺基比例组成，例如重量平均分子量约25000g/mol.Sigma-Aldrich，Product Number:408727，CAS Number:9002-98-6；(2)将已经准备好的聚乙烯亚胺及改性剂，置于反应瓶中，再加入20mL的2-丁醇搅拌溶解，于氮气系统下以80℃持续加热12～16小时。方法一适用于实施例1、实施例2及实施例3。
方法二：(1)依据聚乙烯亚胺(同方法一)、第一改性剂及第二改性剂所对应的重量，准备聚乙烯亚胺、第一改性剂及第二改性剂；(2)将已经准备好的聚乙烯亚胺及第一改性剂，置于反应瓶中，再加入20mL的2-丁醇搅拌溶解，于氮气系统下以80℃持续加热12～16小时之后降至室温；(3)接着，再加入第二改性剂置于反应瓶中，于70℃持续加热16小时。方法二适用于实施例4。
以下通过实施例详细说明本发明的性质与功效。该实施例仅用于说明本发明之性质，本发明并不限定于该实施例所例示者。
实施例1，根据前述方法一制备该两性离子聚合物(具有两性离子基团之聚乙烯亚胺)的聚合物1，其中该两性离子聚合物的阴离子基团为链上一个H被氧阴离子(-O-)基取代的具有2个碳的经取代烷基。于实施例1中，该改性剂为丙二醇二环氧丙酯(glyceroldiglycidyl ether，别名为甘油二缩水甘油基醚)，聚乙烯亚胺的重量为1.0克，丙二醇二环氧丙酯的重量为0.5克。特别说明的是，聚合物1可以丙二醇二环氧丙酯为交联剂(cross-linker)彼此交联。因此，该两性离子基团的该阴离子基团为氧阴离子基，且该聚乙烯亚胺以环氧化合物(Ethylene Oxide)为交联剂彼此交联，所述环氧化合物为甘油二缩水甘油基醚(Glycerol diglycidyl ether)、双酚A二环氧甘油醚(bisphenol A diglycidylether)、1,4-丁二醇二缩水甘油醚(1,4-Butanediol diglycidyl ether)、聚丙二醇二缩水甘油醚(poly(propylene glycol)diglycidyl ether)或三羟甲基丙烷三缩水甘油醚(Trimethylolpropane triglycidyl ether)。
实施例2，根据前述方法一制备该两性离子聚合物(具有两性离子基团之聚乙烯亚胺)的聚合物2，其中该两性离子聚合物的阴离子基团为链上一个H被羧酸根阴离子(-C(＝O)O-)基取代的具有3个碳的经取代烷基。于实施例2中，该改性剂为戊二酸酐(Glutaricanhydride)，聚乙烯亚胺的重量为1.0克，戊二酸酐的重量为0.5克。当然类似地，聚合物2可以酸酐为交联剂彼此交联，而该两性离子基团的该阴离子基团为羧酸根阴离子基，且该聚乙烯亚胺以酸酐为交联剂彼此交联，所述酸酐为乙酸酐(Acetic anhydride)或顺丁烯二酸酐(Maleic anhydride)。
实施例3，根据前述方法一制备该两性离子聚合物(具有两性离子基团之聚乙烯亚胺)的聚合物3，其中该两性离子聚合物的阴离子基团为链上一个H被磺酸根阴离子(-S(＝O)(＝O)-O-)基取代的具有4个碳的未取代烷基。于实施例3中，该改性剂为1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-Butanesultone)，聚乙烯亚胺的重量为1.0克，1,4-丁烷磺酸内酯的重量为0.5克。当然类似地，聚合物3可以磺内酯为交联剂彼此交联，而该两性离子基团的该阴离子基团为磺酸根阴离子基，且该聚乙烯亚胺以磺内酯为交联剂彼此交联，所述磺内酯为1,3-丙烷磺内酯(1,3-Propanesultone)或1,4-丁烷磺内酯(1,4-Butanesultone)。
实施例4，根据前述方法二制备该两性离子聚合物(具有两性离子基团之聚乙烯亚胺)的聚合物4，其中该两性离子聚合物的阴离子基团同时具有：链上一个H被氧阴离子(-O-)基取代的具有2个碳的经取代烷基，以及链上一个H被磺酸根阴离子(-S(＝O)(＝O)-O-)基取代的具有4个碳的未取代烷基。于实施例4中，该第一改性剂为丙二醇二环氧丙酯(glycerol diglycidyl ether)，该第二改性剂为1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-Butanesultone)，聚乙烯亚胺的重量为1.0克，丙二醇二环氧丙酯的重量为0.25克，1,4-丁烷磺酸内酯的重量为0.25克。
以下说明利用本发明的两性离子聚合物(具有两性离子基团的聚乙烯亚胺)制造有机光伏元件。
图1是表示本发明中使用的有机光伏元件第一种态样的结构例的剖面图，该有机光伏元件为倒置型有机太阳能电池，包含：一第一电极20、积层于该第一电极20上方的一电极界面层30，积层于该电极界面层30上方的一活化层40，积层于该活化层40上方的一空穴传输层50，积层于该空穴传输层50上方的一第二电极60。另外，该有机光伏元件还可包含一基板10，该第一电极20积层于该基板10的上方。
当然，本发明中也可以如图2所示的有机光伏元件第二种态样的结构，该有机光伏元件包含：该第一电极20、积层于该第一电极20上方之该空穴传输层50，积层于该空穴传输层50上方的该活化层40，积层于该活化层40上方的该电极界面层30，积层于该电极界面层30上方的该第二电极60。另外，该有机光伏元件还可包含该基板10，该第一电极20积层于该基板10的上方。
为方便说明及理解，以下是以图1的有机光伏元件第一种态样的结构作为实施方式。
该基板10较佳为使用具有机械强度、热强度且具有透明性的玻璃基板或透明性树脂膜。透明性树脂膜可列举：聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯基丁醛、尼龙、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚胺基甲酸酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚丙烯等。最佳地，该基板10为玻璃基板。
该第一电极20除了金、铂、铬、镍等金属以外，较佳为使用具有透明性的铟、锡等的金属氧化物，复合金属氧化物(铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)、铟锌氧化物(IndiumZinc Oxide，IZO)等)。最佳地，该第一电极20使用铟锡氧化物。
该电极界面层30的材料为ZnO(氧化锌)以作为后述比较例1、比较例2及比较例3的电极界面层；另外，本发明所述该两性离子聚合物(具有两性离子基团之聚乙烯亚胺)，亦即为聚合物1(来自实施例1)、聚合物2(来自实施例2)、聚合物3(来自实施例3)、聚合物4(来自实施例4)对应形成后述表1所对应的实施例5～11的电极界面层。
该活化层40为电子供体与电子受体所构成的块材异质接面(bulkheterojunction，BHJ)；该活化层40的材料为非富勒烯材料，该活化层40由电子供体及非富勒烯材料的电子受体(Non-fullerene acceptor,NFA)依照后述表1所列的重量比例进行混和而得。电子供体选自后述电子供体1、电子供体2；电子受体选自后述电子受体1、电子受体2、电子受体3。
其中，电子供体1为PBDB-T(Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione)])，电子受体1为ITIC(3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene。以下为电子供体1(PBDB-T)及电子受体1(ITIC)的结构。
电子供体2为(Poly(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)-4-chlorothiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))-bisdecyl-2,2’:5’,2”-terthiophene-3,3”-dicarboxylate)，电子受体2为(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b’]di(cyclopenta-dithiophene)bis-(2-(3-oxo-2,3-dihydroinden-5,6-dichloro-1-ylidene)-malononitrile)。以下为电子供体2及电子受体2的结构。
电子受体3为(2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-bis(2-ethylhexyl)-3,9-diundecyl-12,13-dihydro-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[2″,3″:4',5']thieno[2',3':4,5]pyrrolo[3,2-g]thieno[2',3':4,5]thieno[3,2-b]indole-2,10-diyl)bis(methanylylidene))bis(3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile)。以下为电子受体3的结构。
该空穴传输层50的材料为三氧化钼(MoO3)。
该第二电极60可使用碱金属或碱土类金属，具体而言使用锂、镁、钙。另外，锡或银、铝亦可较佳使用。最佳地，该第二电极60为银。
有机光伏元件(OPV)的制作：使用以下方式制备实施例5至实施例11以及比较例1的倒置型有机太阳能电池，结果示于后述的表1。
制备有机光伏元件之前，将已图样化的ITO玻璃基板(12Ω/□)于超音波震荡槽中依序使用清洁剂、去离子水、丙酮及异丙醇分别清洗15分钟。ITO玻璃基板经过超音波震荡清洗后，于UV-ozone清洁机中进行表面处理20分钟。其中，玻璃基板即为所述该基板10，ITO即为所述该第一电极20。
以ZnO(氧化锌)蒸镀积层于ITO玻璃基板上，以作为后述比较例1、比较例2及比较例3的电极界面层。另外，将聚合物1～聚合物4分别调制成适合于旋转涂布的具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液，接着分别旋转涂布于ITO玻璃基板上，于空气中在100℃下烘烤5分钟以对应形成后述表1所对应的实施例5～11的电极界面层30。其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液以醋酸、硫酸、盐酸、磷酸，过氯酸、碳酸、硝酸、对甲苯磺酸或三氟醋酸调整pH值，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液的pH值为介于5～8之间。
接着，将电子供体及非富勒烯材料的电子受体(Non-fullerene acceptor,NFA)依照后述表1所列的重量比例，加入氯苯为溶剂溶解之，接着分别旋转涂布于比较例1～3的电极界面层、实施例5～11的该电极界面层30上，然后加热去除氯苯，分别作为比较例1、实施例5～11的该活化层40。
再接着，分别于比较例1～3、实施例5～11的该活化层40上，以真空腔体于1.0x10-6torr下热沉积三氧化钼(厚度4nm)，以形成比较例1～3、实施例5～11的该空穴传输层50。
接着，分别于比较例1～3、实施例5～11的该空穴传输层50上，以真空腔体加热沉积Ag金属(厚度100nm)，以形成比较例1～3、实施例5～11的该第二电极60。
有机光伏元件的量测区域经由金属遮罩定义为0.04cm2。Keithley 2400作为电源供应器，以Lab-View程式控制，在照度100mW/cm2的AM1.5G模拟太阳光(SAN-EI XES-40S3)的照射下量测元件的电性，并以电脑程式记录，得到电压-电流密度图如图3、图4及图5所示。
表1 有机光伏元件的特性
表1中，Voc表示开路电压(open voltage)、Jsc表示短路电流(short-circuitcurrent)、FF表示填充因数(fill factor)、以及PCE表示能量转换效率(energyconversion efficiency)。请同时参阅图3、图4、图5，其中开路电压及短路电流各为电压-电流密度曲线于X-轴及Y-轴的截距，此外，填充因数为将曲线内可绘出之面积除以短路电流与开路电压的乘积的值，当开路电压、短路电流及填充因数等三值除以所照射之光时，可得到能量转换效率，且以较高值为佳。由表1的结果可以发现，相较于比较例1～3(以ZnO为电极界面层)的有机光伏电池，实施例5～11(以具有两性离子基团之聚乙烯亚胺之聚合物1～4为电极界面层)的有机光伏电池的短路电流(Jsc)、填充因数(FF)及能量转换效率(PCE)较高。因此，由前述结果可知，以本发明的具有两性离子基团的聚乙烯亚胺作为电极界面层材料时，更能有效提升有机光伏电池的能量转换效率(PCE)。
虽然本发明已透过特定具体实施例揭露和说明，然本发明适用于各种其他具体实施例对本领域普通技术人员为显而易见。因此，本发明的保护范围当是本案所附的权利要求所界定者为准。
Claims (22)
1.一种电极界面层材料，包含一具有两性离子基团的聚乙烯亚胺，所述两性离子基团具有阳离子基团及阴离子基团；其中，该阳离子基团为选自由仲铵阳离子基、叔铵阳离子基及季铵阳离子基所组成组群中至少其中之一。
2.如权利要求1所述的电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团选自由氧阴离子基、羧酸根阴离子基、磷酸根阴离子基及磺酸根阴离子基所组成组群中至少其中之一。
3.如权利要求2所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与改性剂进行反应所形成，该改性剂为环氧化合物、酸酐、内酯、磺内酯或磷酸盐。
4.如权利要求2所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺由聚乙烯亚胺与具有至少二个交联基团的化合物进行交联反应所形成。
5.如权利要求4所述的电极界面层材料，其中，该交联基团为环氧基团、酸酐基团或异氰酸酯基团。
6.如权利要求2所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺依序由以下步骤所形成：聚乙烯亚胺与具有至少二个交联基团的化合物进行交联反应；接着，再与改性剂进行反应，该改性剂为内酯、磺内酯或磷酸盐。
7.如权利要求2所述的电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团为氧阴离子基，且该聚乙烯亚胺以环氧化合物为交联剂彼此交联，所述环氧化合物为甘油二缩水甘油基醚、双酚A二环氧甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚或三羟甲基丙烷三缩水甘油醚。
8.如权利要求2所述的电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团为羧酸根阴离子基，且该聚乙烯亚胺以酸酐为交联剂彼此交联，所述酸酐为乙酸酐或顺丁烯二酸酐。
9.如权利要求2所述的电极界面层材料，其中，该两性离子基团的该阴离子基团为磺酸根阴离子基，且该聚乙烯亚胺以磺内酯为交联剂彼此交联，所述磺内酯为1,3-丙烷磺内酯或1,4-丁烷磺内酯。
10.如权利要求1所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团聚乙烯亚胺的溶剂为醇类。
11.如权利要求1所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的溶剂为醇与水的混合物。
12.如权利要求1所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液以醋酸、硫酸、盐酸、磷酸，过氯酸、碳酸、硝酸、对甲苯磺酸或三氟醋酸调整pH值。
13.如权利要求8所述的电极界面层材料，其中，该具有两性离子基团的聚乙烯亚胺的水溶液的pH值为介于5～8之间。
14.如权利要求1所述的电极界面层材料，其中，该电极界面层材料适用于制作一倒置型有机太阳能电池的一电极界面层；该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触。
15.一种有机光伏元件，其包括权利要求1所述的该电极界面层材料。
16.如权利要求15所述的有机光伏元件，其中，该有机光伏元件至少包括：一第一电极(20)、积层于该第一电极(20)上方的一电极界面层(30)，积层于该电极界面层(30)上方的一活化层(40)，积层于该活化层(40)上方的一空穴传输层(50)，积层于该空穴传输层(50)上方的一第二电极(60)，该电极界面层(30)包含该电极界面层材料。
17.如权利要求15所述的有机光伏元件，其中，该有机光伏元件至少包括：一第一电极(20)、积层于该第一电极(20)上方的一空穴传输层(50)，积层于该空穴传输层(50)上方的一活化层(40)，积层于该活化层(40)上方的一电极界面层(30)，积层于该电极界面层(30)上方的一第二电极(60)。
18.一种两性离子聚合物，如式I所示：
其中，
N为氮，N+为阳离子基团；
R1、R2及R3各自独立地为H或聚乙烯亚胺基，且在R1、R2及R3中至少其中之一为聚乙烯亚胺基；
A-为阴离子基团，A-为链上一个H被氧阴离子(-O-)基、羧酸根阴离子(-C(＝O)O-)基、磷酸根阴离子(-PO4 3-)基或磺酸根阴离子(-S(＝O)(＝O)-O-)基取代的具有1至4个碳的经取代或未取代烷基。
19.如权利要求18所述的两性离子聚合物，其中，该两性离子聚合物适用于制作一倒置型有机太阳能电池的一电极界面层；该电极界面层的表面形成一含有非富勒烯材料的活化层，或者该电极界面层的表面与一非富勒烯材料接触。
20.一种有机光伏元件，其包括权利要求18所述的两性离子聚合物。
21.如权利要求20所述的有机光伏元件，其中，该有机光伏元件至少包括：一第一电极(20)、积层于该第一电极(20)上方的一电极界面层(30)，积层于该电极界面层(30)上方的一活化层(40)，积层于该活化层(40)上方的一空穴传输层(50)，积层于该空穴传输层(50)上方的一第二电极(60)，该电极界面层(30)包含该两性离子聚合物。
22.如权利要求20所述的有机光伏元件，其中，该有机光伏元件至少包括：一第一电极(20)、积层于该第一电极(20)上方的一空穴传输层(50)，积层于该空穴传输层(50)上方的一活化层(40)，积层于该活化层(40)上方的一电极界面层(30)，积层于该电极界面层(30)上方的一第二电极(60)。
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