CN114930541A - 作为太阳能电池的缓冲和颜色调整层的对亚苯基材料 - Google Patents

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Abstract

公开了具有联接到缓冲层的光活性层的光伏器件。这种器件可透可见光，但是吸收近红外光和/或紫外光。该光伏器件可以包括充当缓冲层的对亚苯基层。该光伏器件可以包括一个或多个光活性层。该一个或多个光活性层可以包括单个平面异质结、单个体异质结(BHJ)或具有互补吸收特性的多个层叠的BHJ、以及其他可能性。

Description

作为太阳能电池的缓冲和颜色调整层的对亚苯基材料
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月16日提交的标题为“作为太阳能电池的缓冲和颜色调整层的对亚苯基材料(PARA-PHENYLENES AS BUFFER AND COLOR TUNING LAYERS FOR SOLARCELLS)”的美国临时专利申请第62/887,983号的优先权权益，该美国临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文，以用于所有目的。
背景技术
光伏器件通常用于通过利用光伏效应将光转换成电，在光伏效应中，吸收的光使得电子或其它载流子激励到更高能态。相反类型的载流子的分离导致可由外部电路利用的电压。光伏器件(例如光伏太阳能电池)可以封装在一起，以构成更大的光伏系统的光伏阵列(例如太阳能电池板)。使用光伏系统发电是可再生能源的重要形式，这在世界范围内持续成为主流电源。
为了抵消大部分不可再生能源消耗，利用太阳能所必需的表面积仍然存在障碍。出于该原因，期望可集成到家庭、摩天大楼和汽车的窗玻璃上的低成本、透光、有机光伏(Organic Photovoltaic，OPV)器件。例如，在汽车和建筑中利用的窗玻璃对于可见光谱(例如波长为约450nm至650nm的光)分别通常为70％至80％和40％至80％的透射率。无机半导体的低机械柔性、高模块成本以及更重要的是波段状吸收限制了其在透光太阳能电池中的潜在应用。尽管取得了一定进步，但在本领域中仍需要透光太阳能技术领域中的改进的系统、方法和器件结构。
发明内容
为了提供大的表面积以利用太阳能，期望可集成到窗玻璃上的透光有机光伏(OPV)器件。与无机半导体相比，有机和分子半导体的光学特性导致吸收光谱高度结构化，其吸收最小值和最大值与无机对应物的波段吸收独特地不同。然而，虽然存在多种有机和分子半导体，但是许多有机和分子半导体在可见光谱中显示出强吸收，因此对于在基于窗玻璃的光伏器件的使用中不是最佳的。
本申请总体上涉及光学活性材料和器件领域，更具体地涉及可透可见光和不可透可见光的光伏器件以及用于可透可见光和不可透可见光的光伏器件的材料。
参考下文给出的各种示例提供本发明的概述。如下文所使用的，对一系列示例的任何引用应被理解为对这些示例中的每一者的单独引用(例如，“示例1至4”应被理解为“示例1、2、3或4”)。
示例1是一种有机光伏器件，包括：基板；第一电极，其联接到基板；缓冲层，其联接到第一电极，其中，缓冲层包括具有对亚苯基材料的对亚苯基层；第二电极，其布置在第一电极上方；以及一个或多个光活性层，其布置在缓冲层与第二电极之间，一个或多个光活性层具有至少一种电子供体材料和至少一种电子受体材料。
示例2是示例1的有机光伏器件，其中，对亚苯基材料包括对七联苯材料、对六联苯材料、对四联苯材料或对五联苯材料。
示例3是示例1的有机光伏器件，其中，对亚苯基材料具有下式：
Figure BDA0003594931350000021
其中，各个X独立地为C-R或N，其中，n为1、2、3、4或5，并且其中，各个R独立地为H、F、Cl、Br、CH3、OCH3、Si(CH3)3、NH2、OH、SH、CN或CF3。
示例4是示例1的有机光伏器件，其中，一个或多个光活性层包括单异质结。
示例5是示例4的有机光伏器件，其中，单异质结是平面异质结。
示例6是示例4的有机光伏器件，其中，单异质结是体异质结(BHJ)。
示例7是示例1的有机光伏器件，其中，一个或多个光活性层包括：第一BHJ活性层，其包括第一电子供体材料和第一电子受体材料的第一共混物；和第二BHJ活性层，其包括第二电子供体材料和第二电子受体材料的第二共混物，其中，第二BHJ活性层与第一BHJ活性层接触。
示例8是示例1的有机光伏器件，还包括：第一子电池，其包括一个或多个第一光活性层；第二子电池，其布置在第一子电池与第二电极之间，第二子电池包括一个或多个第二光活性层；以及电荷复合区，其布置在第一子电池与第二子电池之间。
示例9是示例8的有机光伏器件，其中，缓冲层布置在第一电极与第一子电池之间。
示例10是示例8的有机光伏器件，其中，缓冲层布置在电荷复合区与第二子电池之间。
示例11是示例8的有机光伏器件，其中，缓冲层布置在第一电极与第一子电池之间，并且其中，有机光伏器件还包括：第二缓冲层，其布置在电荷复合区与第二子电池之间，其中，第二缓冲层包括具有第二对亚苯基材料的第二对亚苯基层。
示例12是示例11的有机光伏器件，其中，第二对亚苯基材料与第一对亚苯基材料不同。
示例13是示例11的有机光伏器件，其中，第二对亚苯基材料与第一对亚苯基材料相同。
示例14是示例1的有机光伏器件，其中，一个或多个光活性层通过热蒸发来沉积。
示例15是示例1的有机光伏器件，其中，一个或多个光活性层通过溶液处理来沉积。
示例16是示例1的有机光伏器件，其中，有机光伏器件是透光的。
示例17是示例16的有机光伏器件，其中，有机光伏器件具有-10至10之间的玻璃反射的a*。
示例18是示例16的有机光伏器件，其中，有机光伏器件具有-10至10之间的玻璃反射的b*。
示例19是示例1的有机光伏器件，其中，有机光伏器件是不透光的。
示例20是示例1的有机光伏器件，还包括：空穴注入层，其布置在第一电极与对亚苯基层之间，其中，空穴注入层是对应于化学计量成分和非化学计量成分两者的MoOx、NiOx、CuOx、VOx、WOx、CoOx、CrOx、Li:NiOx、Mg:NiOx、Cs:NiOx、Cu:CrOx、CryCuzOx、LiMgLiO、CuSCN、CuI、BiI3、石墨烯、氧化石墨烯或MoS2中的一者。
示例21是示例1的有机光伏器件，其中，对亚苯基层具有2nm至50nm之间的厚度。
示例22是示例1的有机光伏器件，其中，有机光伏器件具有40％至70％之间的平均可见光透射率(AVT)。
示例23是一种形成有机光伏器件的方法，方法包括：提供基板；形成联接到基板的第一电极；形成联接到第一电极的缓冲层，其中，缓冲层包括具有对亚苯基材料的对亚苯基层；在第一电极上方形成第二电极；以及在缓冲层与第二电极之间形成一个或多个光活性层，一个或多个光活性层具有至少一种电子供体材料和至少一种电子受体材料。
示例24是示例23的方法，其中，一个或多个光活性层包括单异质结。
示例25是示例23的方法，其中，一个或多个光活性层包括：第一BHJ活性层，其包括第一电子供体材料和第一电子受体材料的第一共混物；和第二BHJ活性层，其包括第二电子供体材料和第二电子受体材料的第二共混物。
示例26是示例23的方法，其中，形成一个或多个光活性层包括通过热蒸发沉积一个或多个光活性层。
示例27是示例23的方法，其中，形成一个或多个光活性层包括通过溶液处理沉积一个或多个光活性层。
示例28是示例1的有机光伏器件，其中，一个或多个光活性层包括第一BHJ活性层，其包括第一电子供体材料和第一电子受体材料的第一共混物。
示例29是示例28的有机光伏器件，其中，一个或多个光活性层还包括第二BHJ活性层，其包括第二电子供体材料和第二电子受体材料的第二共混物，其中，第一BHJ活性层的峰值吸收波长与第二BHJ活性层的峰值吸收波长至少部分互补。
示例30是示例29的有机光伏器件，其中，第一供体材料与第二供体材料不同，并且其中，第一受体材料与第二受体材料不同。
示例31是示例29的有机光伏器件，其中，第一供体材料与第二供体材料不同，并且其中，第一受体材料与第二受体材料相同。
示例32是示例29的有机光伏器件，其中，第一供体材料与第二供体材料相同，并且其中，第一受体材料与第二受体材料不同。
示例33是示例29的有机光伏器件，其中，第一供体材料与第二供体材料相同，并且其中，第一受体材料与第二受体材料相同。
示例34是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层的最低未占分子轨道(LUMO)能级大于第二BHJ活性层的LUMO能级。
示例35是示例34的有机光伏器件，其中，第二BHJ活性层的LUMO能级大于第二电极的能级。
示例36是示例29的有机光伏器件，其中，第二BHJ活性层的最高占据分子轨道(HOMO)能级小于第一BHJ活性层的HOMO能级。
示例37是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层的HOMO能级小于第一电极的能级。
示例38是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层的LUMO能级在第二BHJ活性层的LUMO能级的300meV内。
示例39是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层的HOMO能级在第二BHJ活性层的HOMO能级的300meV内。
示例40是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层联接到第二BHJ活性层。
示例41是示例29的有机光伏器件，其中，第一共混物是三元、四元或更高阶共混物，其包括额外的电子供体材料或额外的电子受体材料中的至少一者。
示例42是示例29的有机光伏器件，其中，第二共混物是三元、四元或更高阶共混物，其包括额外的电子供体材料或额外的电子受体材料中的至少一者。
示例43是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层联接到第二BHJ活性层。
示例44是示例29的有机光伏器件，其中，第一BHJ活性层联接到对亚苯基层。
本发明实现了优于传统技术的许多益处。例如，本发明的实施例提供了用于吸收用于光伏发电的近红外辐射和/或紫外辐射同时可透可见光的方法和系统。有利地，这些光学特性提供了在光伏器件中从入射太阳辐射发电的能力，同时仍然允许有用的可见光通过，从而允许观察者看穿光伏器件。
使用短链对亚苯基材料(para-phenylene或p-phenylene)作为阳极缓冲层被证明改善了OPV的性能和颜色。在一些实施例中，对四联苯、对五联苯和对六联苯成功地用作与氧化钼(MoO3)空穴注入层接触的缓冲层。在其他实施例中，对亚苯基层可以联接到阳极处的其他空穴注入层或缓冲物。对亚苯基层也可以联接到多结电池中的电荷复合层。
对亚苯基层的一个主要的电益处是其特别地通过增加光电流产生而提高太阳能电池的效率。至少三种不同的D:A共混体系示出这种情况。通过空间分离在阳极/有机界面处感应的空间电荷和光活性层的激子来减少阳极处的激子复合，从而改善光电流。另外，光电流可通过调整缓冲物厚度通过光学微腔效应来增强。由于对亚苯基材料的高空穴迁移率，未掺杂的缓冲层在一些实施例中被证明可在高达50nm的厚度下发挥作用而没有明显的性能损失。
由于短链对亚苯基材料的宽带隙，当用作阳极缓冲物时，短链对亚苯基材料有效地阻止电子从活性层复合到阳极。这导致阳极的电荷选择性增强，并且在一些实施例中，导致OPV的填充因子(FF)和开路电压(Voc)得到改善。
在例如透光PV的应用中，反射和透射颜色对PV的美学质量具有很大影响。独立于活性层变化调节反射或透射颜色的能力对于制造美学上期望的PV系统是关键的。短链对亚苯基材料在可见光谱中是透光的，并且可以沉积成膜，这些膜足够厚，以在透光PV中设计反射和透射颜色。由于短链对亚苯基材料缺乏可见光或近红外光吸收，因此可以在活性层下方沉积厚层，而不会在缓冲物内引入寄生吸收。另外，对亚苯基缓冲物有助于分离活性层成分和PV颜色，这使得能够基于性能而不是活性层共混物的固有颜色来优化活性层共混物。对于非透光PV，对亚苯基缓冲物的颜色调整效果应当甚至更显著，在非透光PV中，微腔效应通过光学厚金属电极显著增强。
结合下文和附图更详细地描述本发明的这些和其它实施例和方面以及许多其优点和特征。
附图说明
图1例示了根据本发明实施例的可透可见光的光伏器件的简化示意图。
图2例示了用于光活性层的各种示例性单结构造的概览。
图3例示了太阳光谱、人眼敏感度和示例性可透可见光光伏器件吸收作为波长的函数的简化曲线图。
图4例示了用于操作示例性有机光伏器件(例如可透可见光的光伏器件)的示意性能级图概览。
图5A至图5D例示了示出可用于可透可见光的光伏器件的不同电子供体和电子受体构造的示例吸收波段的各种曲线图。
图6例示了根据本发明实施例的可透可见光的光伏器件的示意图。
图7A和图7B例示了添加对亚苯基层对跨光伏器件层的光电场强度的效果。
图8A至图8D例示了示意性地示出了结合有对亚苯基层的光伏器件的能级图。
图9例示了根据本发明某些实施例的平面器件结构。
图10例示了电流密度-电压曲线。
图11A至图11D例示了各种器件结构。
图12A至图12D例示了不同光活性层的效率作为对六联苯层厚度的函数。
图13A至图13C例示了示出当包括对六联苯层作为缓冲层时不同光活性层的颜色参数的图表。
图14例示了根据本发明某些实施例的串联器件结构。
图15例示了串联器件结构的效率作为对六联苯层厚度的函数。
图16A和图16B例示了对六联苯层具有不同厚度的串联器件的反射和透射颜色坐标。
图17例示了溶液处理的体异质结(BHJ)器件结构。
图18例示了效率作为对六联苯层厚度的函数。
图19A和图19B例示了具有不同厚度的对亚苯基层的反射和透射颜色坐标。
图20例示了用于制造可透可见光的光伏器件的方法。
具体实施方式
本发明涉及有机光伏器件(OPV)，并且在一些实施例中，涉及结合有可透可见光的光活性化合物的可透可见光的光伏器件。该可透可见光的光活性化合物在近红外光区和/或紫外光区更强烈地吸收光，而在可见光区不那么强烈地吸收光，从而允许将其用于可透可见光的光伏器件中。所公开的可透可见光的光伏器件包括可透可见光的电极，其中在可透可见光的电极之间定位有可透可见光的光活性材料。
图1例示了根据本发明实施例的可透可见光的光伏器件100的简化示意图。如图1所例示的，可透可见光的光伏器件100包括下文更全面讨论的多个层和元件。如本文所讨论的，可透可见光指示光伏器件吸收例如450nm至650nm的可见光波段之外的波长的光能，同时大致透射可见光波段之内的可见光。如图1所图示的，UV(紫外)光和/或NIR(近红外)光在光伏器件的层和元件中被吸收，而可见光透过该器件。因此，本文所提供的透过率的讨论应当理解为可见光透过率。
可以是玻璃或其它对所例示的其它层和结构提供足够机械支撑的可透可见光材料的基板105支撑光层110和112。这些光层可提供多种光学特性，包括抗反射(AR)特性、波长选择性反射或分布布拉格反射特性、折射率匹配特性、封装性等。光层有利地可以是可透可见光的。额外的光层114可以用作例如AR涂层、折射率匹配层、被动红外光或紫外光吸收层等。可选地，光层可透过紫外光和/或近红外光，或可透过紫外光波段和/或近红外光波段中的波长的至少一个子集。根据构造，额外光层114也可以是被动可见光吸收层。示例性基板材料包括各种玻璃和刚性或柔性聚合物。也可使用多层基板(例如层压板等)。基板可具有提供其它层和结构所需的机械支撑的任何合适的厚度(例如1mm至20mm的厚度)。在一些情况下，基板可以是或包括粘合膜，以允许将可透可见光的光伏器件100施加到另一结构(例如窗玻璃、显示器件等)。
应当理解，尽管器件总体上可以表现出可见光透过率(例如在450nm至650nm范围内大于30％、大于40％、大于50％、大于60％、大于70％、或高达或接近100％的透过率)，但是单独采用的某些材料可能在部分可见光谱中表现出吸收。可选地，在可透可见光的光伏器件中的各个单独的材料或层在可见光范围内具有高透过率，例如大于30％(即，在30％至100％之间)。应当理解，透射或吸收可表达为百分比且可取决于材料吸收特性、穿过吸收材料的厚度或路径长度及吸收材料的浓度，使得如果穿过吸收材料的路径长度较短及/或吸收材料以低浓度存在，那么在可见光谱区中具有吸收的材料仍可表现出低吸收或高透射。
如本文和下文所描述的，各种光活性层中的光活性材料有利地在可见光区中表现出最小吸收(例如小于20％、小于30％、小于40％、小于50％、小于60％或小于70％)，相反在近红外光区和/或紫外光区中表现出高吸收(例如大于50％、大于60％、大于70％或大于80％的吸收峰)。对于一些应用，可见光区中的吸收可以大到70％。其它材料的各种构造(例如基板、光层和缓冲层)可允许这些材料提供总体可见光透过率，即使这些材料可表现出一定量的可见光吸收。例如，在透光电极中可以包括金属的薄膜，例如表现出可见光吸收的金属(如Ag或Cu)；然而，当以薄膜构造提供时，膜的总体透过率可能较高。类似地，包括在光层或缓冲层中的材料可能在可见光范围内表现出吸收，但是可以以可见光吸收的总量较低的浓度或厚度来提供，从而提供可见光透过率。
可透可见光的光伏器件100还包括一组透光电极120和122，其中光活性层140定位于电极120与122之间。
可以使用ITO、薄金属膜或其它合适的可透可见光材料制造的这些电极提供到所例示的各层中的一者或多者的电连接。例如，铜、银或其它金属的薄膜可以适合用作可透可见光的电极，即使这些金属可能吸收可见光波段中的光。然而，当作为薄膜(例如厚度为1nm至200nm(例如约5nm、约10nm、约15nm、约20nm、约25nm、约30nm、约35nm、约40nm、约45nm、约50nm、约55nm、约60nm、约65nm、约70nm、约75nm、约80nm、约85nm、约90nm、约95nm、约100nm、约105nm、约110nm、约115nm、约120nm、约125nm、约130nm、约135nm、约140nm、约145nm、约150nm、约155nm、约160nm、约165nm、约170nm、约175nm、约180nm、约185nm、约190nm或约195nm)的膜)提供时，薄膜在可见光波段中的总透射率可保持较高，例如大于30％、大于40％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％或大于90％。有利地，当用作透光电极时，薄金属膜在紫外光波段中的吸收可以表现为比可用作透光电极的其它半导体材料(例如ITO)低，因为一些半导体透光导电氧化物表现出在紫外光波段中呈现的带隙，因此高度吸收紫外光或不可透过紫外光。然而，在一些情况下，可以使用紫外光吸收透光电极，例如以屏蔽至少一部分来自下层组件的紫外光，因为紫外光可能使某些材料劣化。
可使用多种沉积技术来生成透光电极25，这些沉积技术包括真空沉积技术(例如原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、热蒸发、溅射沉积、外延等)。在一些情况下，也可以使用基于溶液的沉积技术(例如旋涂、狭缝挤压涂布、刮涂、喷涂等)。另外，透光电极可以使用微制造领域中已知的技术(包括光刻、剥离、蚀刻等)来图案化。
缓冲层130和132以及光活性层140用于实现光伏器件的电学和光学特性。这些层可以是单一材料的层，或者可以包括适于特定应用的多个子层。因此，术语“层”不旨在表示单一材料的单层，而是可以包括相同或不同材料的多个子层。在一些实施例中，缓冲层130、一个或多个光活性层140和缓冲层132以层叠构造重复，以提供串联器件构造，例如包括多个异质结。在一些实施例中，一个或多个光活性层包括电子供体材料和电子受体材料(也称为供体和受体)。这些供体和受体是可透可见光的，但在可见光波段之外吸收，以提供器件的光活性特性。
有用的缓冲层包括用作电子传输层、电子阻挡层、空穴传输层、空穴阻挡层、激子阻挡层、光学间隔物、物理缓冲层、电荷复合层或电荷生成层的缓冲层。缓冲层可表现出提供期望的缓冲效果的任何合适的厚度，并且可以可选地存在或不存在。当存在时，有用的缓冲层可具有1nm至1μm的厚度。各种材料可以用作缓冲层，包括富勒烯材料、碳纳米管材料、石墨烯材料、金属氧化物(例如氧化钼、氧化钛、氧化锌等)、聚合物(例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺等)、共聚物、聚合物混合物和小分子(例如浴铜灵)。可以使用沉积工艺(例如热蒸发)或溶液处理方法(例如旋涂)来施加缓冲层。
在本发明的各种实施例中，可以用作活性/缓冲(传输层)/光学材料的材料示例包括近红外光吸收材料、紫外光吸收材料和/或特征在于在电磁波谱的近红外光或紫外光区中的强吸收峰的材料。近红外光吸收材料包括酞菁、卟啉、萘酞菁、方酸、硼-亚甲基二吡咯、萘、萘嵌苯、苝、四氰基醌型噻吩化合物、四氰基引达省化合物、咔唑硫代卟啉化合物、金属二硫纶、含苯并噻二唑的化合物、含二氰基亚甲基茚满酮的化合物、其组合等。紫外光吸收材料包括富勒烯、萘嵌苯、苝、苯并咪唑、六碳腈、三芳胺、双三芳胺、菲咯啉、其组合等。
图2例示了光活性层140的各种示例性结构造的概览。可选地，光活性层140可以对应于混合的供体/受体(体异质结)构造、平面的供体/受体构造、平面的且混合的供体/受体构造、梯度供体/受体构造、或层叠的异质结构造。可选地，可以使用各种材料作为光活性层140，例如在紫外光波段或近红外光波段中吸收但在可见光波段中仅最低程度地吸收(如果有的话)的材料。这样，光活性材料可以用于生成电子-空穴对，其用于通过紫外光和/或近红外光吸收来为外部电路供电，从而使可见光相对不受干扰，以提供可见光透过率。如图所例示的，光活性层140可以包括平面异质结，该平面异质结包括单独的供体层和受体层。光活性层140可以替代性地包括平面混合异质结结构，该结构包括分离的受体层和供体层以及混合的供体-受体层。光活性层140可以替代性地包括混合异质结结构，该结构包括完全混合的受体-供体层或包括具有各种相对浓度梯度的混合供体-受体层的异质结结构。
光活性层可具有任何合适的厚度，并可具有任何合适浓度或组成的光活性材料，以提供期望水平的透过率和紫外光/近红外光吸收特性。光活性层的示例厚度可以在约1nm至约1μm、约1nm至约300nm、或约1nm至约100nm的范围内。在一些情况下，光活性层可以由单独的子层或层的混合物组成，以提供合适的光伏发电特性，如图2所例示的。可以使用图2所描述的各种构造，并且这些构造取决于所使用的特定供体和受体材料，以便提供有利的光伏发电。例如，一些供体和受体组合可以受益于特定的构造，而其他供体和受体组合可以受益于其他特定的构造。供体材料和受体材料可以以任何比例或浓度提供，以提供合适的光伏发电特性。对于混合层，可选地，供体与受体的相对浓度在约20:1与约1:20之间。可选地，供体与受体的相对浓度可选地在约5:1与约1:5之间。可选地，供体和受体以1:1的比例存在。
各种可透可见光的光活性化合物可用作电子供体光活性材料，并且在一些实施例中，可与合适的电子受体光活性材料配对，以便在光伏器件中提供有用的光活性层。各种可透可见光的光活性化合物可用作电子受体光活性材料，并且可与合适的电子供体光活性材料配对，以便在光伏器件中提供有用的光活性层。分别于2017年6月16日提交的美国临时申请第62/521,154号、第62/521,158号、第62/521,160号、第62/521,211号、第62/521,214号和第62/521,224号中描述了示例供体和受体材料，这些美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。
在实施例中，各种光活性化合物的化学结构可以用一个或多个定向基团(例如供电子基团、吸电子基团、或在核金属原子周围或到核金属原子的取代基)来官能化，以便为材料提供期望的电学特性。例如，在一些实施例中，光活性化合物用胺基、酚基、烷基、苯基或其它供电子基团官能化，以改善材料在光伏器件中充当电子供体的能力。作为另一示例，在一些实施例中，光活性化合物用氰基、卤素、磺酰基或其它吸电子基团官能化，以改善材料在光伏器件中充当电子受体的能力。
在实施例中，光活性化合物被官能化，以提供期望的光学特性。例如，在一些实施例中，可以用扩展的共轭来官能化光活性化合物，以使材料的吸收曲线红移。应当理解，共轭可指分子中π电子的离域，且特征可以在于分子结构中交替的单键和多重键。例如，扩展电子共轭的官能化可以包括将一个或多个芳族基团融合到材料的分子结构。可以提供扩展共轭的其它官能化包括烯烃官能化(例如通过乙烯基)、芳族或杂芳族官能化、羰基官能化(例如通过酰基)、磺酰基官能化、硝基官能化、氰基官能化等。应当理解，各种分子官能化可以影响光活性化合物的光学特性和电学特性。
应当理解，器件功能可能受到固态活性层的形态的影响。将电子供体和受体分离成尺寸在激子扩散长度尺度上并且界面面积大的离散域对于实现高器件效率可以是有利的。有利地，可以定制光活性材料的分子框架，以控制材料的形态。例如，如本文所描述的官能团的引入可对固态材料的形态具有较大的影响，而不管这样的改性是否影响材料的能量特性或电子特性。在纯材料中以及当特定材料与对应的供体或受体混合时，可以观察到这种形态变化。控制形态的有用功能包括但不限于烷基链、共轭连接基、氟化烷烃、庞大基团(例如叔丁基、苯基、萘基或环己基)的加成、以及设计成迫使结构的部分离开分子平面以抑制过度结晶的更复杂的偶联程序。
在实施例中，其它分子结构特性可在光活性化合物中提供期望的电学特性和光学特性。例如，在一些实施例中，光活性化合物可以表现出分子的可以表征为供电子的部分，而分子的其他部分可以表征为受电子的部分。不希望受任何理论的束缚，与缺少交替的供电子部分和受电子部分的类似分子相比，包括交替的供电子部分和受电子部分的分子可以导致分子的吸收特性红移。例如，交替的供电子部分和受电子部分可以减小或以其他方式导致最高占据分子轨道与最低未占分子轨道之间的较低能隙。有机供体和/或受体基团可用作可透可见光的光活性化合物中的R基团取代基，例如在任何芳基、芳族、杂芳基、杂芳族、烷基或烯基上。
当供体/受体材料作为光活性层结合到透光光伏器件中作为电子供体或电子受体时，可以控制层的厚度以改变器件的输出、吸收或透射。例如，增大供体或受体层厚度可以增加该层中的光吸收。在一些情况下，增大供体或受体层中供体/受体材料的浓度可类似地增加该层中的光吸收。然而，在一些实施例中，供体/受体材料的浓度可能是不可调节的，例如当活性材料层包括纯的或大致纯的供体/受体材料层或纯的或大致纯的供体/受体材料混合物时。可选地，供体/受体材料可以在溶剂中提供或悬浮在载体(例如缓冲层材料)中，在这种情况下，可以调节供体/受体材料的浓度。在一些实施例中，选择使产生的电流最大化的供体层浓度。在一些实施例中，选择使产生的电流最大化的受体层浓度。
然而，由于电荷载流子的“行进距离”增加，电荷收集效率可能随着供体或受体厚度的增加而降低。因此，随着层厚度的增加，在吸收增加与电荷收集效率降低之间存在折衷。因此，选择具有高吸收系数和/或浓度的材料以允许每厚度的光吸收增加可以是有利的。在一些实施例中，选择使产生的电流最大化的供体层厚度。在一些实施例中，选择使产生的电流最大化的受体层厚度。
除了单独的光活性层厚度之外，还可以选择透光光伏器件中的其它层的厚度和成分，以增强光活性层内的吸收。其它层(缓冲层、电极等)通常基于其在薄膜器件叠层和所得光学腔的背景下的光学特性(折射率和消光系数)来选择。例如，近红外光吸收光活性层可以定位于近红外光波长的光场的峰值中，在该峰值处，该活性层吸收，以最大化吸收和由器件产生的所得电流。这可以通过使用第二光活性层和/或光层作为间隔物将光活性层与电极隔开适当的距离来实现。类似的方案可以用于紫外光吸收光活性层。在许多情况下，与较短波长光场的峰值相比，较长波长光场的峰值将定位为更远离两个透光电极中反射性更大的电极。因此，当使用分开的供体和受体光活性层时，可选择供体和受体，以将吸收红色更多(较长波长)的材料定位为更远离反射性更大的电极，并且将吸收蓝色更多(较短波长)的材料定位为更靠近反射性更大的电极。
在一些实施例中，可以包括光层，以增加供体在供体层中吸收的波长处的光场强度，从而增加光吸收，因此增加由供体层产生的电流。在一些实施例中，可以包括光层，以增加受体在受体层中吸收的波长处的光场强度，从而增加光吸收，因此增加由受体层产生的电流。在一些实施例中，光层可用于通过减少可见光吸收或可见光反射来改善叠层的透过率。进一步地，可以选择电极材料和厚度，以增强光活性层内可见光范围外的吸收，同时优先透射可见光范围内的光。
可选地，增强可透可见光的光伏器件的光谱覆盖通过使用可透可见光的光伏器件的多电池串联叠层来实现，该串联叠层称为串联电池，可以被包括作为缓冲层130、光活性层140和缓冲层132的多个层叠实例，如参考图1所描述的。该架构包括多于一个的光活性层，其通常由例如一个或多个缓冲层和/或薄金属层的组合分开。在这种架构中，在各个子电池中生成的电流串联地流向相对的电极，因此，例如，电池中的净电流受到由特定子电池生成的最小电流的限制。开路电压(Voc)等于子电池的Voc的总和。通过组合利用在太阳光谱的不同区域中吸收的不同供体-受体对制造的子电池，可以实现相对于单结电池的效率的显著提高。
下文提供了关于在一个或多个缓冲层和光活性层(包括供体层和/或受体层)中使用的材料的另外的描述。
图3例示了太阳光谱、人眼敏感度和示例性可透可见光光伏器件吸收作为波长的函数的简化曲线图。如图3例示的，本发明的实施例利用了在约450nm至约650nm之间的可见光波段内具有低吸收但在紫外光波段和近红外波段中(即在可见光波段外)吸收的光伏结构，从而实现了可透可见光的光伏操作。在实施例中，紫外光波段或紫外光区可以描述为在约200nm至450nm之间的光波长。应当理解，在一些实施例中，地平面处的有用太阳辐射可具有小于约280nm的有限量的紫外光，因此，紫外光波段或紫外光区可描述为在约280nm至450nm之间的光波长。在实施例中，近红外光波段或近红外光区可以描述为约650nm至1400nm之间的光波长。本文所描述的各种成分可表现出包括紫外光峰和/或近红外光峰的吸收，其中在可见光区中的最大吸收强度小于在近红外光区或紫外光区中的最大吸收强度。
图4例示了用于操作示例有机光伏器件(例如可透可见光的光伏器件100)的示意性能级图概览。例如，在这种光伏器件中，各种光活性材料可以表现出电子供体或电子受体特性，这取决于光活性材料的分子特性和用于缓冲层、电极等的材料的类型。如图4所描述的，供体和受体材料中的每一者都具有HOMO和LUMO。可以通过光子的吸收来给予电子从HOMO到LUMO的跃迁。材料的HOMO与LUMO之间的能量(HOMO-LUMO能隙)近似地代表该材料的光学带隙的能量。对于可用于本文所提供的透光光伏器件的电子供体和电子受体材料，电子供体和电子受体材料的HOMO-LUMO能隙优选落在可见光范围内的光子能量之外。例如，HOMO-LUMO能隙可以在紫外光区或近红外光区，这取决于光活性材料。应当理解，HOMO与传统导体或半导体中的价带相当，而LUMO与传统导体或半导体中的导带相当。
与供体相邻的缓冲层(通常称为阳极缓冲层或空穴传输层)被选择为使得缓冲层的HOMO能级或价带(在无机材料的情况下)在能量图景中与供体的HOMO能级对齐，以将空穴从供体传输到阳极(透光电极)。在一些实施例中，缓冲层具有高空穴迁移率可能是有用的。与受体相邻的缓冲层(通常称为阴极缓冲层或电子传输层)被选择为使得缓冲层的LUMO能级或导带(在无机材料的情况下)在能量图景中与受体的LUMO能级对齐，以将电子从受体传输到阴极(透光电极)。在一些实施例中，缓冲层具有高电子迁移率可能是有用的。
图5A至图5D例示了示出可用于可透可见光的光伏器件的不同电子供体和电子受体构造的示例吸收波段的各种曲线图。在图5A中，供体材料在近红外光中表现出吸收，而受体材料在紫外光中表现出吸收。图5B描述了相反的构造，在该构造中，供体材料在紫外光中表现出吸收，而受体材料在近红外光中表现出吸收。
图5C描述了另外的构造，在该构造中，供体材料和受体材料都在近红外光中表现出吸收。如图所例示的，太阳光谱在近红外光中表现出大量的有用辐射，而在紫外光中仅有相对少量的有用辐射，从而使得图5C所描述的构造对于从太阳光谱捕获大量能量是有用的。应当理解，考虑了其它实施例，其中，供体材料和受体材料都在近红外光中表现出吸收，例如图5D所描述的，在图5D中，受体相对于供体蓝移，与图5C所描述的构造相反，在图5C中，供体相对于受体蓝移。
图6例示了根据本发明实施例的可透可见光的光伏器件600的示意图。光伏器件可以包括基板605、光层610和612、透光电极620、一个或多个缓冲层630、一个或多个光活性层640、一个或多个缓冲层632、透光电极622和一个或多个光层614，其可以类似于本文先前描述的组件。例如，光活性层640可以包括第一体异质结(BHJ)活性层和第二BHJ活性层。
在光活性层640与透光电极622之间，可以使用各种类型的缓冲层630和632来提供光学、电子或形态学益处，从而改善太阳能电池性能、美观、制造或稳定性。理想地，这些夹层提供所有这些益处。有机太阳能电池可以利用包括各种各样的材料的单层或多层缓冲物。在阳极处，可以利用的夹层包括是导电透光聚合物共混物的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)和MoO3。包括掺杂和未掺杂的有机半导体的各种其它材料可以为各种光活性层叠层提供各种优点。
在本发明的一些实施例中，对亚苯基材料用作阳极缓冲层，用于改善透光太阳能电池的性能和颜色。具体地，2nm至50nm厚的对亚苯基薄层631(包含对亚苯基材料)可通过热蒸发沉积在MoO3或其它阳极缓冲层与光活性层640之间。在一些实施例中，对亚苯基层可以与其它有机HTL材料(非无机氧化物)(例如HAT-CN)配对。对亚苯基层的一个主要的电益处是其特别地通过增加光电流产生而提高电池的效率。这可以用如参考图12A至图12D和图13A至图13C所示的三种不同的D:A共混体系、三种不同的对亚苯基材料和两种不同的缓冲物来证明。
在一些实施例中，对亚苯基材料具有下式：
Figure BDA0003594931350000131
其中各个X独立地为C-R或N，其中，n为1、2、3、4或5，并且其中，各个R独立地为H、F、Cl、Br、CH3、OCH3、Si(CH3)3、NH2、OH、SH、CN或CF3。
在一些实施例中，缓冲层630可以包括布置在透光电极620与对亚苯基层631之间的空穴注入层。可能的空穴注入层对应于化学计量成分和非化学计量成分两者包括但不限于：MoOx、NiOx、CuOx、VOx、WOx、CoOx、CrOx、Li:NiOx、Mg:NiOx、Cs:NiOx、Cu:CrOx、CryCuzOx、LiMgLiO、CuSCN、CuI、BiI3、石墨烯、氧化石墨烯和MoS2。
图7A和图7B例示了添加对亚苯基层对跨光伏器件的层的光电场强度的效果。参考图7A，光电场强度在缓冲层内具有最大值，并且跨光伏层稳定地减小。当对亚苯基层被添加到图7A的光伏器件中时，在前一缓冲层与光活性层之间，光电场强度跨缓冲层和对亚苯基层增大，并且在光活性层内具有最大值，如参考图7B所示。因此，添加对亚苯基层的效果是最大光电场强度朝向光活性层移位。
光电场强度的移位是负责在添加了对亚苯基层的太阳能电池中看到的效率提高的几种机制中的一者，该效率提高可以证明为与电流增加10％一样显著。一些机制与将该透光层添加到叠层中的光学效果有关。由于薄膜太阳能电池依赖于腔效应，并且添加层改变了叠层内的光电场分布，通过调节对苯基层的厚度，通过改变适当波长处的光电场强度的空间分布，可以增强活性层内的光生。除了光学效果之外，对六联苯可通过电极与活性层的静电去耦而有助于减少复合。这通过在仍然允许费米能级对齐以用于高效的电荷收集的同时减少电极界面附近的像势的影响以及在有机/电极界面处存在的态密度加宽来实现。这种效果是由于材料的HOMO和LUMO能级造成的，如参考图8A至图8D所示。最后，对亚苯基层可以示出为帮助定向沉积在对亚苯基层的顶部上的材料。棒状对亚苯基分子的强对齐和高度定向晶粒的生长导致随后层的优先定向。这种模板化可以导致器件的光学质量改善和电荷生成和传输改善。
图8A至图8D例示了示意性地示出了结合有对亚苯基层的光伏器件的能级图。图8A例示了具有对亚苯基层802A和包括电子供体层和电子受体层的平面光活性层804A的光伏器件的能级图。图8B例示了具有对亚苯基层802B和BHJ光活性层804B的光伏器件的能级图。图8C中的光伏器件与图8B的不同之处在于光活性层804C包括包含具有不同电子供体材料的两个BHJ层的层叠BHJ。图8D例示了在各个子电池内具有对亚苯基层802D和BHJ光活性层804D的串联光伏器件的能级图。
对于所有器件，通过电极与活性层的静电去耦，通过添加对亚苯基层减少了阳极处的激子和电荷复合。这种效果是由于材料的HOMO能级低造成的，该HOMO能级比光活性层的HOMO能级深。此外，浅LUMO能级有助于材料用作有效的电子阻挡层。
图9例示了结合有对六联苯层的平面异质结器件结构900。活性层由电子供体SubPc和电子受体Cl6SubPc组成。在MoO3与供体层之间插入5nm的对六联苯层，从而抑制载流子和激子在MoO3/SubPc界面处复合。
图10例示了SubPc/Cl6SubPc平面异质结器件的电流密度-电压曲线，该曲线是在模拟AM1.5G照明下测试的对六联苯厚度的函数。如图10所示，所有的器件参数(Jsc、Voc、FF和PCE)都通过包括薄对六联苯层而得到增强。最显著地，由于激子的消除和MoO3/SubPc供体界面处的电荷复合，Jsc从1.6mA cm-2增加到2.2mA cm-2，从而导致PCE从1.7％改善到2.2％。这进一步突出了对亚苯基缓冲物与高Voc器件的相容性。
图11A至图11D例示了用于不同BHJ和结合有不同厚度的对亚苯基层的层叠BHJ器件的器件结构1100。根据某些实施例，在各种情况下，对亚苯基层可以由对四联苯、对五联苯或对六联苯组成。图11B中的BHJ器件通过选择活性层而不同于图11A中的BHJ器件，而图11D中的层叠BHJ器件通过选择阳极缓冲层而不同于图11C中的层叠BHJ器件(分别为HAT-CN对MoO3)。
图12A至图12D例示了相对于没有对亚苯基层不同BHJ和层叠BHJ光活性层的效率作为对亚苯基层631厚度的函数。如图12A所示，与没有对六联苯层的归一化统一效率相比，D-100:C60光活性层在10nm的层厚度下具有约1.1的最大归一化效率。在第二示例中，通过插入9nm的对五联苯层，将器件从归一化统一效率提高到约1.1。在第三示例中，通过插入6nm的对四联苯层提高了器件的归一化效率。如图12B所示，与没有对六联苯层的归一化统一效率相比，D-310:C60光活性层在30nm的层厚度下具有约1.2的最大归一化效率。在第二示例中，通过插入24nm的对五联苯层，将器件提高约20％。在第三示例中，通过插入18nm的对四联苯层，将器件提高到～1.1的归一化效率。
如图12C所示，与没有对六联苯层的归一化统一效率相比，包括组合的D-310:C70和D-300:C70 BHJ光活性层的层叠BHJ在沉积在MoO3层上的层厚度为24nm时具有约1.3的最大归一化效率。在第二示例中，通过插入18nm的对五联苯层，将器件提高约10％。如图12D所示，与没有对六联苯层的归一化统一效率相比，包括D-310:C70和D-300:C70 BHJ光活性层使用替代阳极缓冲层HAT-CN的层叠BHJ在24nm的层厚度下具有约3的最大效率。通过将0nm层厚度(例如不包括对苯基层631)下的效率与各个亚苯基层的最大效率进行比较，可以在图12A至图12D的每一者中观察到提高的效率。在各个单独的示例中，所有其它层保持恒定，使得提高具体归因于对亚苯基层的插入。
图13A至图13C例示了示出对于包括对六联苯层的情况(底行)和不包括对六联苯层的情况(中间行)的不同光活性层的CIELAB颜色参数和平均可见光反射(AVR)的表。除了提高电气性能之外，对六联苯层还可用于调整透光太阳能电池的玻璃侧反射颜色。玻璃侧反射的颜色是窗户制造的重要器件参数。通常，期望玻璃侧反射颜色的更负的b*值。对于本文所描述的一些D:A体系，结合对六联苯导致更负的b*值，如D-100:C60器件(图13A)和包括D-310:C60和D-300:C60 BHJ的层叠BHJ(图13C)所示。
图13A至图13C所示的颜色参数可以基于对六联苯层的厚度而变化。因此，对六联苯层除了可以充当缓冲层之外还可以充当颜色调整层，从而允许校准层厚度，以便产生期望的效率(如参考图12A至图12D所示)和/或期望的颜色特性(如参考图13A至图13C所示)。例如，在一些实现方式中，在-10与0之间的a*和/或b*值可以是优选的。在这样的实现方式中，可以通过改变厚度来找到最大效率，同时另外满足颜色偏好。
图14例示了包括两个具有不同厚度的对六联苯层的子电池的串联器件结构1400。两个子电池的活性层为D-310:C70 BHJ，其通过中心电荷复合区(CRZ)串联电连接。CRZ由TPBi:C60、Ag和MoO3的分层结构形成，该分层结构用作底部子电池的阴极和顶部子电池的阳极两者。对六联苯层插入在两个子电池中的阳极与活性层之间。
图15例示了对于底部子电池(x)或顶部子电池(y)串联器件结构的PCE作为对六联苯厚度的函数。如可以看到的，任一子电池中的对六联苯层的消除导致与峰值相比高达10％至20％的性能的显著损失。对于底部子电池的最佳对六联苯厚度是10nm，而对于顶部子电池的最佳厚度是5nm，从而导致3.7％的最大PCE。偏离这个最佳值导致性能的显著降低，特别是对于顶部子电池。
图16A和图16B例示了串联器件结构的反射和透射CIELAB颜色参数作为底部子单元(x)或顶部子单元(y)的对六联苯厚度的函数。如图16A中可以看到的，反射颜色对两个子电池中的对六联苯厚度非常敏感，这导致在所研究的20nm范围内反射的a*移位高达7。类似地，反射的b*可以从顶部子电池中的对亚苯基材料负向移位高达7。如图16B所示，在对亚苯基厚度的范围内，透射的a*和b*值的变化不超过1，这证明对亚苯基层允许独立控制玻璃反射的颜色，而对透射的颜色的影响可忽略。
图17例示了采用溶液处理的活性层和不同厚度的对六联苯层的BHJ器件结构1700。PCE10:COi8DFIC:PC71BM活性层通过从溶液旋涂到对六联苯涂布的基板上而施加。
图18例示了溶液处理的器件效率作为对六联苯层厚度的函数。PCE相对稳定(偏差在5％以内)，对六联苯厚度高达20nm，从而允许颜色调整而没有显著的性能损失。由于对六联苯和其它对亚苯基材料的低溶解度以及它们与用于溶液处理OPV的大多数普通有机溶剂的正交性，对六联苯层在旋涂过程期间不被除去。因此，对亚苯基缓冲层与溶液和真空处理的器件都相容。
图19A和图19B例示了溶液处理器件的反射和透射CIELAB颜色参数作为对六联苯厚度的函数。如图19A中可以看到的，在所研究的20nm的范围内，反射的a*的移位可以超过7。如图19B所示，在对亚苯基厚度的范围内，透射的a*和b*值的变化不超过1，这证明对亚苯基层允许独立控制玻璃反射的颜色，而对溶液处理器件中的透射的颜色的影响可忽略。
图20例示了用于制造光伏器件(例如可透可见光的光伏器件100)的方法2000。在各个实施例中，光伏器件可以是可透可见光的或者可以是非可见光可透过的或不可透可见光的。例如，参考方法2000描述的光伏器件的任何组件都可以是非可见光可透过的，例如不透光的第一电极(在框2006)或不透光的第二电极(在框2014)。此外，在一些实施例中，参考方法2000描述为可透可见光的任何组件可以是非可见光可透过的或不可透可见光的。方法2000可以包括比图20中例示的步骤更多或更少的步骤。此外，方法2000的一个或多个步骤可以以与图20所例示的顺序不同的顺序执行。
方法2000开始于框2002，其中，提供基板(例如透光基板)。应当理解，有用的透光基板包括可透可见光的基板(例如玻璃、塑料、石英等)。柔性和刚性基板可用于各个实施例。可选地，透光基板设置有在顶面和/或底面上预先形成的一个或多个光层。
在框2004，在透光基板上或上方(例如在透光基板的顶面和/或底面上)可选地形成一个或多个光层。可选地，一个或多个光层形成在其他材料(例如居间层或材料(例如透光导体))上。可选地，一个或多个光层定位为与可透可见光的基板相邻和/或接触。应当理解，光层的形成是可选的，并且一些实施例可不包括与透光基板相邻和/或接触的光层。光层可以使用各种方法来形成，包括但不限于一种或多种化学沉积方法(例如电镀、化学溶液沉积、旋涂、浸涂、狭缝挤压涂布、刮涂、喷涂、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积)、或者一种或多种物理沉积方法(例如热蒸发、电子束蒸发、分子束外延、溅射、脉冲激光沉积、离子束沉积和电喷雾沉积)。应当理解，有用的光层包括可透可见光的光层。有用的光层包括提供一种或多种光学特性的光层，光学特性包括例如抗反射特性、波长选择性反射或分布布拉格反射特性、折射率匹配特性、封装性等。有用的光层可以可选地包括可透过紫外光和/或近红外光的光层。然而，根据构造，一些光层可以可选地提供被动红外光和/或紫外光吸收。可选地，光层可以包括本文所描述的可透可见光的光活性化合物。
在框2006，形成第一(例如底部)电极(例如第一透光电极)。如上所述，透光电极可以对应于ITO薄膜或其它透光导电膜，例如薄金属膜(例如Ag、Cu等)、包括薄金属膜(例如Ag、Cu等)和介电材料的多层叠层、或导电有机材料(例如导电聚合物等)。应当理解，透光电极包括可透可见光的电极。透光电极可使用一种或多种沉积工艺来形成，沉积工艺包括真空沉积技术(例如原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、热蒸发、溅射沉积、外延等)。在一些情况下，也可以使用基于溶液的沉积技术(例如旋涂)。另外，透光电极可以通过微制造技术(例如光刻、剥离、蚀刻等)来图案化。
在框2008，可选地形成一个或多个缓冲层，例如在透光电极上。缓冲层可以使用各种方法来形成，包括但不限于一种或多种化学沉积方法(例如电镀、化学溶液沉积、旋涂、浸涂、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积)、或者一种或多种物理沉积方法(例如热蒸发、电子束蒸发、分子束外延、溅射、脉冲激光沉积、离子束沉积和电喷雾沉积)。应当理解，有用的缓冲层包括可透可见光的缓冲层。有用的缓冲层包括用作电子传输层、电子阻挡层、空穴传输层、空穴阻挡层、光学间隔物、物理缓冲层、电荷复合层或电荷生成层的缓冲层。在一些情况下，所公开的可透可见光的光活性化合物可以用作缓冲层材料。例如，缓冲层可以可选地包括本文所描述的可透可见光的光活性化合物。
在一些实施例中，在框2008形成对亚苯基层。该对亚苯基层可以通过在透光电极或不同的缓冲层上气相沉积对亚苯基材料来形成。例如，在本文所描述的任何实施例中，对亚苯基层可形成在MoO3层上。在一些实施例中，材料可以从溶液沉积、电化学地或反应性地生长在表面上。在一些实施例中，可以使用实现类似的效率增强的其它相关材料。相关材料可具有与所公开的对亚苯基材料(例如其它低亚苯基材料或取代的对亚苯基材料)类似的分子特性，并且它们可与其它阳极层或缓冲层结合使用，而不是与本文所描述的ITO和/或MoO3层结合使用。在一些实施例中，对亚苯基层用于串联架构，在该架构中，对亚苯基材料沉积在互连复合层的顶部上、阳极上或两者上，对于各个子电池具有相同的一般效果。在一些实施例中，对亚苯基层以倒置架构使用，在该架构中，阳极沉积在光活性层的顶部，具有相同的一般效果。可以受益于对亚苯基层的其他类型的太阳能电池可以包括卤化铅和其他钙钛矿、量子点和染料敏化电池。
在框2010，形成一个或多个光活性层，例如在缓冲层或透光电极上。如上所述，光活性层可以包括电子受体层和电子供体层或电子供体和受体的共沉积层。光活性层可以使用各种方法来形成，包括但不限于一种或多种化学沉积方法(例如电镀、化学溶液沉积、旋涂、浸涂、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积)、或者一种或多种物理沉积方法(例如热蒸发、电子束蒸发、分子束外延、溅射、脉冲激光沉积、离子束沉积和电喷雾沉积)。
在框2012，可选地形成一个或多个缓冲层，例如在光活性层上。在框2012形成的缓冲层可以与在框2008形成的缓冲层类似地形成。
在框2014，形成第二(例如顶部)电极(例如第二透光电极)。第二透光电极可以形成在缓冲层或光活性层上。
在框2016，可选地形成一个或多个额外光层，例如在第二透光电极上。
方法2000可以可选地扩展到对应于用于生成电能的方法。例如，用于生成电能的方法可包括：提供可透可见光的光伏器件，例如通过根据方法2000制造可透可见光的光伏器件。用于生成电能的方法还可包括：将可透可见光的光伏器件暴露于可见光、紫外光和/或近红外光，以驱动电子-空穴对的形成和分离，例如用于生成电能。可透可见光的光伏器件可以包括本文所描述的可透可见光的光活性化合物作为光活性材料、缓冲材料和/或光层。
如本文所用的，“包括”与“包含”或“特征在于”同义，并且是包括性的或开放式的，并且不排除另外的未列举的元素或方法步骤。如本文所用的，“由……构成”排除权利要求元素中未指定的任何元素、步骤或成分。如本文所用的，“基本上由……构成”不排除实质上不影响权利要求的基本和新颖特性的材料或步骤。本文中任何对术语“包括”的叙述，特别是在对成分的组分的描述或对器件的元件的描述中，应被理解为包括基本上由所述组分或元件构成和由所述组分或元件构成的成分和方法。本文说明性描述的本发明可以在缺少任何未在本文具体公开的一个或多个元素、一个或多个限制的情况下适当地实践。
可用于本说明书的缩写包括：
TPBi：2,2’,2”-(1,3,5-苯三基)-三(1-苯基-1-H-苯并咪唑)
HAT-CN：双吡嗪并[2,3-f:2',3'-h]喹喔啉-2,3,6,7,10,11-六甲腈
ITO：铟锡氧化物
MoO3：三氧化钼
SubPc：硼亚酞菁氯化物
Cl6SubPc：2,3,9,10,16,17-六氯硼亚酞菁氯化物
PCE10：聚[4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[l,2-b；4,5-b']二噻吩-2,6-二基-alt-(4-(2-乙基己基)-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-)-2-羧酸酯-2,6-二基)]
COi8DFIC：2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2””,3””:4”’,5”’]噻吩并[2”’,3”’:4”,5”]吡喃并[2”,3”:4',5']噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[3,2-b]吡喃-2,9-二基]双[次甲基(5,6-二氟)]
PC71BM：[6,6]-苯基1-C71-丁酸甲酯
所采用的术语和表述被用作描述性的术语而非限制性的术语，并且在使用这种术语和表述时不旨在排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物，但是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内，各种修改是可能的。因此，应当理解，尽管本发明已经通过优选实施例和可选特征具体公开，但是本领域技术人员可以采取本文公开的概念的修改和变型，并且这种修改和变化被认为在如由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种有机光伏器件，包括：
基板；
第一电极，其联接到所述基板；
缓冲层，其联接到所述第一电极，其中，所述缓冲层包括对亚苯基层，所述对亚苯基层具有对亚苯基材料；
第二电极，其布置在所述第一电极上方；和
一个或多个光活性层，其布置在所述缓冲层与所述第二电极之间，所述一个或多个光活性层具有至少一种电子供体材料和至少一种电子受体材料。
2.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述对亚苯基材料包括对七联苯材料、对六联苯材料、对四联苯材料、或对五联苯材料。
3.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述对亚苯基材料具有下式：
Figure FDA0003594931340000011
其中，各个X独立地为C-R或N，其中，n为1、2、3、4或5，并且其中，各个R独立地为H、F、Cl、Br、CH3、OCH3、Si(CH3)3、NH2、OH、SH、CN或CF3。
4.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述一个或多个光活性层包括单异质结。
5.根据权利要求4所述的有机光伏器件，其中，所述单异质结是平面异质结。
6.根据权利要求4所述的有机光伏器件，其中，所述单异质结是体异质结(BHJ)。
7.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述一个或多个光活性层包括：第一BHJ活性层和第二BHJ活性层；所述第一BHJ活性层包括第一电子供体材料和第一电子受体材料的第一共混物；所述第二BHJ活性层包括第二电子供体材料和第二电子受体材料的第二共混物，其中，所述第二BHJ活性层与所述第一BHJ活性层接触。
8.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，还包括：
第一子电池，其包括一个或多个第一光活性层；
第二子电池，其布置在所述第一子电池与所述第二电极之间，所述第二子电池包括一个或多个第二光活性层；和
电荷复合区，其布置在所述第一子电池与所述第二子电池之间。
9.根据权利要求8所述的有机光伏器件，其中，所述缓冲层布置在所述第一电极与所述第一子电池之间。
10.根据权利要求8所述的有机光伏器件，其中，所述缓冲层布置在所述电荷复合区与所述第二子电池之间。
11.根据权利要求8所述的有机光伏器件，其中，所述缓冲层布置在所述第一电极与所述第一子电池之间，并且其中，所述有机光伏器件还包括：
第二缓冲层，其布置在所述电荷复合区与所述第二子电池之间，其中，所述第二缓冲层包括第二对亚苯基层，所述第二对亚苯基层具有第二对亚苯基材料。
12.根据权利要求11所述的有机光伏器件，其中，所述第二对亚苯基材料与所述第一对亚苯基材料不同。
13.根据权利要求11所述的有机光伏器件，其中，所述第二对亚苯基材料与所述第一对亚苯基材料相同。
14.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述一个或多个光活性层是通过热蒸发沉积的。
15.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述一个或多个光活性层是通过溶液处理沉积的。
16.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述有机光伏器件是透光的。
17.根据权利要求16所述的有机光伏器件，其中，所述有机光伏器件在国际照明委员会(CIE)L*a*b*(CIELAB)颜色空间中具有在-10至10之间的玻璃反射的a*。
18.根据权利要求16所述的有机光伏器件，其中，所述有机光伏器件在国际照明委员会(CIE)L*a*b*(CIELAB)颜色空间中具有在-10至10之间的玻璃反射的b*。
19.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，所述有机光伏器件是不透光的。
20.根据权利要求1所述的有机光伏器件，其中，还包括：
空穴注入层，其布置在所述第一电极与所述对亚苯基层之间，其中，所述空穴注入层是对应于化学计量成分和非化学计量成分两者的MoOx、NiOx、CuOx、VOx、WOx、CoOx、CrOx、Li:NiOx、Mg:NiOx、Cs:NiOx、Cu:CrOx、CryCuzOx、LiMgLiO、CuSCN、CuI、BiI3、石墨烯、氧化石墨烯或MoS2中的一者。
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