太阳能电池及其制造方法与流程

文档序号:11161588
太阳能电池及其制造方法与制造工艺

本申请要求于2014年4月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0052664的优先权和权益,其全部内容通过引用并入本文。

本说明书涉及太阳能电池及其制造方法。



背景技术:

为了解决由化石燃料消耗及其使用所引起的全球环境问题,已经对可再生且清洁的替代能源(例如太阳能、风能和水力)积极地进行了研究。其中,对直接将太阳光改变为电能的太阳能电池的关注已显著增加。本文,太阳能电池意指通过从太阳光吸收光能以使用产生电子和空穴的光伏效应产生电流-电压的电池。

太阳能电池是可通过应用光伏效应将太阳能直接转换为电能的器件。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。

已经对太阳能电池进行了大量研究,以通过根据设计的多种层以及电极的改变而提高能量转换效率。



技术实现要素:

技术问题

本说明书的目的是提供太阳能电池及其制造方法。

技术方案

本说明书提供了太阳能电池,包括:

第一电极;

设置成面向所述第一电极的第二电极;

设置在所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层;以及

在所述光活性层与所述第一电极或所述第二电极之间的包含由以下化学式1表示的电荷传输材料的电荷传输层。

[化学式1]

在化学式1中,

n为括号中结构的重复数并且为1至3,

当n为2或更大时,所述括号中的两个或更多个结构彼此相同或不同,

X1至X4彼此相同或不同,并且各自独立地为O、S或NR,

R和R1至R16彼此相同或不同,并且各自独立地为氢;卤素基团;羧酸基;硝基;腈基;酰亚胺基;酰胺基;亚胺基;硫代酰亚胺基;酸酐基;羟基;经取代或未经取代的酯基;经取代或未经取代的硫酯基;经取代或未经取代的硫羰酯基;经取代或未经取代的羰基;经取代或未经取代的硫酮基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳基烷基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫基;经取代或未经取代的芳基硫基;经取代或未经取代的烷基磺酰基;经取代或未经取代的芳基磺酰基;经取代或未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经取代的杂环基,或者相邻取代基彼此结合形成经取代或未经取代的烃环;或者经取代或未经取代的杂环,并且

当R1至R16和取代基彼此结合形成经取代或未经取代的烃环时,所形成烃环的取代基的至少一者为可交联取代基。

此外,本说明书提供了用于制造上述太阳能电池的方法,所述方法包括:准备基底;在所述基底上形成第一电极;在所述第一电极上形成包括具有两个或更多个层的有机材料层的具有两个或更多个层的有机材料层,其包括光活性层和电荷传输层;以及在所述有机材料层上形成第二电极。

有益效果

根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池具有优异的电子转移能力,并因此可实现短路电流密度(Jsc)的增加和效率的提高。

根据本说明书的一个示例性实施方案的化学式1可包含金属颗粒或离子基团。在这种情况下,光吸收可通过入射光的再分布而增加,并且电荷势垒可以由于界面偶极子的增加而得以调节。此外,由于电导率的增加,可以预期具有高效率的太阳能电池。

此外,根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池可提高填充因数,并且因此可以实现高效率。

此外,根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池可由于简单的制造工艺而降低生产成本和/或提高工艺效率。

此外,根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池可具有卷绕结构,并且在这种情况下,可在各个方向上有效地吸收光以提高效率。

附图说明

图1至4为举例说明根据一个示例性实施方案的有机太阳能电池的视图。

图5为举例说明当使依照根据本说明书的一个示例性实施方案的实验例制造的各个有机太阳能电池在80℃的温度下经历热处理时器件效率变化的视图。

具体实施方式

下文中,将对本说明书进行更详细地描述。

在本说明书中,当将一个构件布置在另一个构件“上”时,这不仅包括其中一个构件与另一个构件相接触的情况,还包括其中又一个构件存在于所述两个构件之间的情况。

在本说明书中,当一个部件“包括”一个组成元件时,除非另外特别说明,否则这不意指排除另一个组成元件,而是意指还可包括另一个组成元件。

本说明书提供了一种太阳能电池,包括:第一电极;设置成面向所述第一电极的第二电极;设置在所述第一电极与所述第二电极之间的光活性层;以及在所述光活性层与所述第一电极或所述第二电极之间的包含由化学式1表示的电荷传输材料的电荷传输层。

本说明书的一个示例性实施方案包含如化学式1中的冠型(crown type)电荷转移材料。

在相关技术中,使用金属氧化物作为具有倒置结构的电荷传输层。然而,当使用金属氧化物作为电荷传输层时,需要高温热处理以具有高电荷迁移率,并且因此,难以将电荷传输层施加于柔性基底,并且难以调节与用于待施加的光活性层的材料的能垒。

根据本说明书的一个示例性实施方案的包含由化学式1表示的电荷传输材料的电荷传输层具有优异的电荷迁移率,并且由于不需要进行用于形成传输电荷所需纳米结构的单独热处理而可以容易地施加于柔性基底。此外,通过向由化学式1表示的冠型材料的取代基和/或化学式1的中心插入离子基团易于调节电荷迁移率和功函数。因此,存在的优点在于与用于光活性层的材料的能垒得以容易地调节。

在本说明书的一个示例性实施方案中,在具有至少一个可交联取代基作为由化学式1表示的电荷传输材料的情况下,存在形成的电荷传输层的热稳定性增加的效果,并且因此器件的使用寿命增加,并且在将其中两个或更多个离子彼此结合的冠型材料混合的情况下,存在可形成均匀混合的层的效果。

在本说明书的一个示例性实施方案中,由化学式1表示的电荷传输材料可由以下化学式1-1或1-2表示。

[化学式1-1]

[化学式1-2]

在化学式1-1和1-2中,

n、X1至X4、R5至R8和R13至R16的定义与上述那些相同,

Cy1至Cy4彼此相同或不同,并且各自独立地为经取代或未经取代的芳香环;或者经取代或未经取代的杂环。

在本说明书的一个示例性实施方案中,X1为O。

在另一个示例性实施方案中,X1为NR。

在本说明书的一个示例性实施方案中,X2为O。

在一个示例性实施方案中,X2为NR。

在本说明书的一个示例性实施方案中,X3为O。

在另一个示例性实施方案中,X3为NR。

在又一个示例性实施方案中,X4为O。

在再一个示例性实施方案中,X4为NR。

在本说明书的一个示例性实施方案中,R为氢。

在本说明书的一个示例性实施方案中,Cy1至Cy4为苯环。

在本说明书中,“可交联取代基”为变成中间体的取代基,在所述中间体中化合物可与若干化合物直接结合或通过连接体结合。

在本说明书的一个示例性实施方案中,可交联取代基为经取代或未经取代的乙烯基;经取代或未经取代的芳基;经取代或未经取代的丙烯酸酯基;羟基;或异氰酸酯基。

在本说明书的一个示例性实施方案中,n为1。

在另一个示例性实施方案中,n为2。

在又一个示例性实施方案中,n为3。

在本说明书的一个示例性实施方案中,由化学式1表示的电荷传输材料可选自以下结构。

在所述结构中,在具有所述结构的碳中被取代的氢可被上述可交联取代基取代。

在本说明书的一个示例性实施方案中,由化学式1表示的电荷传输材料可选自以下结构。

在所述结构中,a为至4的整数。

在本说明书的一个示例性实施方案中,基于电荷传输层的总质量,由化学式1表示的电荷传输材料以0.01重量%至2重量%的量包含在内。在本说明书的一个示例性实施方案中,基于电荷传输层的总质量,由化学式1表示的电荷传输材料以0.02重量%至0.5重量%的量包含在内。

根据本说明书的一个示例性实施方案,当由化学式1表示的电荷传输材料的含量在所述范围之外时,其含量由于偶极子的形成而超出传输电荷的界限,因此显著降低了电流密度。因为此原因,存在器件的效率快速降低的问题。在所述范围内,可以防止含量由于偶极子的形成而超出传输电荷的界限。

取代基的实例将在下文中描述,但不限于此。

术语“取代”意指与化合物的碳原子结合的氢原子变成另一个取代基,并且待取代的位置没有限制,只要所述位置为氢原子被取代的位置,即取代基可以被取代的位置即可,并且当两个或更多个被取代时,所述两个或更多个取代基可以彼此相同或不同。

本文中所使用的术语“经取代或未经取代”意指被选自以下中的一种或更多种取代基取代:氘;卤素基团;烷基;烯基;烷氧基;酯基;羰基;羧基;羟基;环烷基;甲硅烷基;芳基烯基;芳氧基;烷基硫基;烷基磺酰基;芳基磺酰基;硼基;烷基胺基;芳烷基胺基;芳基胺基;杂芳基;咔唑基;芳基胺基;芳基;腈基;硝基;羟基;和杂环基,或者没有取代基。

在本说明书中,卤素基团可为氟、氯、溴或碘。

在本说明书中,酰亚胺基的碳原子数没有特别限制,但是优选为1至25。具体地,酰亚胺基可为具有以下结构的化合物,但不限于此。

在本说明书中,硫代酰亚胺基为其中酰亚胺基的C=O被C=S取代的基团。

在本说明书中,酸酐基为其中酰亚胺基的N原子被O取代的基团。

在本说明书中,对于酰胺基,酰胺基的一个或两个氮原子可被氢,具有1至25个碳原子的直链、支化或环状烷基,或具有6至25个碳原子的芳基取代。具体地,酰胺基可为具有以下结构式的化合物,但不限于此。

在本说明书中,酰胺基还包括环状基团,例如内酰胺。

在本说明书中,酯基的通式可由或表示。R'为氢;具有1至60个碳原子的烷氧基;具有1至60个碳原子的经取代或未经取代的烷基;具有3至60个碳原子的经取代或未经取代的环烷基;具有7至50个碳原子的经取代或未经取代的芳基烷基;具有2至60个碳原子的杂芳基烷基;具有1至40个碳原子的经取代或未经取代的酯基;具有1至40个碳原子的经取代或未经取代的羰基;具有6至60个碳原子的经取代或未经取代的芳基;或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的具有2至60个碳原子的经取代或未经取代的杂环基。

在本说明书中,酯基还包括环状基团,例如内酯基。

在本说明书中,硫酯基为其中酯基的C=O被C=S取代的基团。

在本说明书中,羰基可由表示。R'为氢;具有1至20个碳原子的经取代或未经取代的烷基;具有3至60个碳原子的经取代或未经取代的环烷基;具有7至50个碳原子的经取代或未经取代的芳基烷基;具有6至60个碳原子的经取代或未经取代的芳基;或者具有2至60个碳原子的经取代或未经取代的杂环基。

本说明书的硫酮基为其中羰基的O原子被S原子取代的基团。

在本说明书中,亚胺基可由或表示。R'和R"彼此相同或不同,并且为氢;具有1至25个碳原子的经取代或未经取代的直链、支化或环状烷基;或者具有6至25个碳原子的经取代或未经取代的芳基。

在本说明书中,醚基可由表示。R为具有1至25个碳原子的经取代或未经取代的直链、支化或环状烷基;或者具有6至25个碳原子的经取代或未经取代的芳基。具体地,Z1至Z3彼此相同或不同,并且为具有6至25个碳原子的经取代或未经取代的直链、支化或环状烷基;或者具有6至25个碳原子的经取代或未经取代的芳基。

在本说明书中,意指与另一个取代基连接的部分。

在本说明书中,烷基可为直链的或支化的,并且其碳原子数没有特别限制,但是优选为1至50。其具体实例包括甲基、乙基、丙基、正丙基、异丙基、丁基、正丁基、异丁基、叔丁基、仲丁基、1-甲基-丁基、1-乙基-丁基、戊基、正戊基、异戊基、新戊基、叔戊基、己基、正己基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、4-甲基-2-戊基、3,3-二甲基丁基、2-乙基丁基、庚基、正庚基、1-甲基己基、环戊基甲基、环己基甲基、辛基、正辛基、叔辛基、1-甲基庚基、2-乙基己基、2-丙基戊基、正壬基、2,2-二甲基庚基、1-乙基-丙基、1,1-二甲基-丙基、异己基、2-甲基戊基、4-甲基己基、5-甲基己基等,但不限于此。

在本说明书中,环烷基没有特别限制,但是其碳原子数优选为3至60,并且其具体实例包括环丙基、环丁基、环戊基、3-甲基环戊基、2,3-二甲基环戊基、环己基、3-甲基环己基、4-甲基环己基、2,3-二甲基环己基、3,4,5-三甲基环己基、4-叔丁基环己基、环庚基、环辛基等,但不限于此。

在本说明书中,烷氧基可为直链、支化或环状的。烷氧基的碳原子数没有特别限制,但是优选为1至20。其具体实例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基、异丙基氧基、正丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、仲丁氧基、正戊氧基、新戊氧基、异戊氧基、正己氧基、3,3-二甲基丁氧基、2-乙基丁氧基、正辛氧基、正壬氧基、正癸氧基、苄氧基、对甲基苄氧基等,但不限于此。

在本说明书中,芳基烷基的碳原子数没有特别限制,但在本说明书的一个示例性实施方案中,芳基烷基的碳原子数为7至50。具体地,芳基部分的碳原子数为6至49,并且烷基部分的碳原子数为1至44。其具体实例包括苄基、对甲基苄基、间甲基苄基、对乙基苄基、间乙基苄基、3,5-二甲基苄基、α-甲基苄基、α,α-二甲基苄基、α,α-甲基苯基苄基、1-萘基苄基、2-萘基苄基、对氟苄基、3,5-二氟苄基、α,α-二三氟甲基苄基、对甲氧基苄基、间甲氧基苄基、α-苯氧基苄基、α-苄氧基苄基、萘基甲基、萘基乙基、萘基异丙基、吡咯基甲基、吡咯基乙基、氨基苄基、硝基苄基、氰基苄基、1-羟基-2-苯基异丙基、1-氯-2-苯基异丙基等,但不限于此。

在本说明书中,烯基可为直链的或支化的,并且其碳原子数没有特别限制,但是优选为2至40。其具体实例包括乙烯基、1-丙烯基、异丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、3-甲基-1-丁烯基、1,3-丁二烯基、烯丙基、1-苯基乙烯基-1-基、2-苯基乙烯基-1-基、2,2-二苯基乙烯基-1-基、2-苯基-2-(萘基-1-基)乙烯基-1-基、2,2-双(二苯基-1-基)乙烯基-1-基、芪基、苯乙烯基等,但不限于此。

在本说明书中,丙烯酸酯的碳原子数没有特别限制,但是优选为3至40。其具体实例包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸3-(丙烯酰氧基)丙酯等,但不限于此。

在本说明书中,甲硅烷基的具体实例包括三甲基甲硅烷基、三乙基甲硅烷基、叔丁基二甲基甲硅烷基、乙烯基二甲基甲硅烷基、丙基二甲基甲硅烷基、三苯基甲硅烷基、二苯基甲硅烷基、苯基甲硅烷基等,但不限于此。

在本说明书中,芳基可为单环的,并且其碳原子数没有特别限制,但是优选为6至60。芳基的具体实例包括单环芳香族基团,例如苯基、联苯基和三联苯基;多环芳香族基团,例如萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、并四苯基、基、芴基、苊基、三亚苯基和荧蒽基等,但不限于此。

在本说明书中,芴基可以被取代,并且相邻取代基可彼此结合形成环。

当芴基被取代时,芴基可为等。然而,所述芴基不限于此。

在本说明书中,杂环基或杂芳基包含除碳以外的一种或更多种原子,即杂原子,并且具体地,杂原子可包括选自O、N、S、Si、Se等中的一种或更多种原子。杂环基的碳原子数没有特别限制,但是优选为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、菲咯啉基、二苯并呋喃基等,但不限于此。

在本说明书中,杂芳氧基中的杂芳基可选自杂芳基的上述实例。在本说明书中,芳氧基、芳基硫基、芳基磺酰基和芳烷基胺基中的芳基与芳基的上述实例相同。具体地,芳氧基的实例包括苯氧基、对甲苯氧基、间甲苯氧基、3,5-二甲基-苯氧基、2,4,6-三甲基苯氧基、对叔丁基苯氧基、3-联苯氧基、4-联苯氧基、1-萘氧基、2-萘氧基、4-甲基-1-萘氧基、5-甲基-2-萘氧基、1-蒽氧基、2-蒽氧基、9-蒽氧基、1-菲氧基、3-菲氧基、9-菲氧基等,芳基硫基的实例包括苯基硫基、2-甲基苯基硫基、4-叔丁基苯基硫基等,并且芳基磺酰基的实例包括苯磺酰基、对甲苯磺酰基等,但是所述实例不限于此。

在本说明书中,烷基硫基、烷基磺酰基、烷基胺基和芳烷基胺基中的烷基与烷基的上述实例相同。具体地,烷基硫基的实例包括甲基硫基、乙基硫基、叔丁基硫基、己基硫基、辛基硫基等,并且烷基磺酰基的实例包括甲磺酰基、乙基磺酰基、丙基磺酰基、丁基磺酰基等,但实例不限于此。

在本说明书中,胺基的碳原子数没有特别限制,但是优选为1至30。胺基的具体实例包括甲基胺基、二甲基胺基、乙基胺基、二乙基胺基、苯基胺基、萘基胺基、联苯基胺基、蒽基胺基、9-甲基-蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、三苯基胺基等,但不限于此。

在本说明书中,芳基胺基的实例包括经取代或未经取代的单芳基胺基、经取代或未经取代的二芳基胺基、或者经取代或未经取代的三芳基胺基。芳基胺基中的芳基可为单环芳基或多环芳基。包含两个或更多个芳基的芳基胺基可包含单环芳基、多环芳基、或单环芳基和多环芳基二者。

芳基胺基的具体实例包括苯基胺基、萘基胺基、联苯基胺基、蒽基胺基、3-甲基-苯基胺基、4-甲基-萘基胺基、2-甲基-联苯基胺基、9-甲基-蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、咔唑、三苯基胺基等,但不限于此。

在本说明书中,杂芳基胺基中的杂芳基可选自杂环基的上述实例。

本说明书中的相邻基团意指在彼此相邻的碳中取代的取代基。

在本说明书中,相邻基团彼此结合形成烃环或杂环的情况意指相邻取代基形成键以形成5元至8元单环或多环烃环,或者包含一个或更多个杂原子的5元至8元单环或多环杂环。

在本说明书中,烃环包括所有环烷基、环烯基、芳香环基或脂肪环基,可为单环的或多环的,并且包括所有通过使这些基团中的一种或两种或更多种结合而稠合的环。

本说明书中形成的杂环意指烃环的至少一个碳原子被杂原子取代,可为脂肪环或芳香环,并且可为单环的或多环的。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输材料还包含离子基团。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输材料还包含离子基团,并且离子基团设置成插入由化学式1表示的电荷传输材料的中心部分。即,离子基团设置在冠型化合物中心处的空的空间,并且形成化学键。在本说明书的一个示例性实施方案中,不仅冠型化合物的单个分子,而且两个或更多个分子可形成3-D结构以参与离子的结合。

然而,如果需要的话,本领域技术人员可进行热处理或UV处理以使多个冠型化合物交联。

具体地,可提供如下电荷传输材料。

在所述结构中,R1至R16、n和X1至X4与上述那些相同,并且

M为离子基团。

在本说明书的一个示例性实施方案中,待插入的金属的离子数和金属的类型可通过调节重复数n来选择,从而调节冠型电荷传输材料的尺寸。

在如上所述包含离子基团的情况下,光吸收可通过入射光的再分布而增加,并且电荷的势垒可由于界面偶极子的增加而得以调节。此外,由于电导率增加,可以预期具有高效率的太阳能电池。

此外,由于通过调节金属的类型来调节电荷传输层的功函,因此与光活性层的能垒得以容易地调节。

在本说明书中,离子基团可为正离子基团或负离子基团。

在本说明书的一个示例性实施方案中,离子基团可包括一个分子,并且还包括其中两个或更多个分子形成3-D结构并且彼此结合的情况。

在本说明书的一个示例性实施方案中,离子基团为选自钛(Ti)、锆(Zr)、锶(Sr)、锌(Zn)、铟(In)、镧(La)、钒(V)、钼(Mo)、钨(W)、锡(Sn)、铌(Nb)、镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)、铝(Al)、钇(Y)、钪(Sc)、钐(Sm)、镓(Ga)、钾(K)、钴(Co)、铜(Cu)、银(Ag)、钠(Na)和铅(Pb)中的金属的正离子;选自NH4+和CH3NH3+中的铵离子;或者选自N3-、CH3CO2-、CN-、Br-、Cl-、I-、F-、SCN-、ClO4-、NO3-、CO32-、SO42-、PO43-、H2PO-42-、PdCl62-、Na-、Cs-、柠檬酸离子(柠檬酸根3-)、SiF5-、SiF62-、GeF62-和BF4-中的负离子。

在本说明书的一个示例性实施方案中,光活性层和电荷传输层设置成彼此接触。设置成彼此接触不限于物理结合或化学结合。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输层设置在光活性层的接近第一电极的一个表面上。在另一个示例性实施方案中,电荷传输层设置在光活性层的接近第二电极的一个表面上。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输层作为缓冲层。电荷传输层可用于促进电子在光活性层与电荷传输层之间的迁移。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输层的厚度为1nm至70nm。在一个示例性实施方案中,所述厚度为1nm至20nm。电荷传输层在所述范围内的厚度具有提高电荷迁移率并防止复合增加的效果。

在本说明书的一个示例性实施方案中,光活性层的厚度为30nm至600nm。在另一个示例性实施方案中,所述厚度为80nm至500nm。

在又一个示例性实施方案中,太阳能电池具有正常结构,其中第一电极为阳极并且第二电极为阴极,并且电荷传输层设置在光活性层与第二电极之间。

正常结构可意指在基底上形成阳极。具体地,根据本说明书的一个示例性实施方案,当太阳能电池具有正常结构时,在基底上形成的第一电极可为阳极。

图1举例说明了根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池的一个实例。具体地,图1举例说明了具有正常结构的太阳能电池。在图1中,将ITO设置为基底上的阳极,并且缓冲层设置在阳极上。此外,将光活性层设置在缓冲层上,并且在光活性层上形成包含上述冠型电荷传输材料的电荷传输层。此外,通过使用Al形成阴极。

然而,根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池不限于图1中的结构和材料,可设置附加层,并且各个层可通过使用多种材料来构成。

在本说明书的一个示例性实施方案中,太阳能电池具有倒置结构,其中第一电极为阴极并且第二电极为阳极,并且电荷传输层设置在光活性层与第一电极之间。

倒置结构可意指在基底上形成阴极。具体地,根据本说明书的一个示例性实施方案,当太阳能电池具有倒置结构时,在基底上形成的第一电极可为阴极。

图2举例说明了根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池的一个实例。具体地,图2举例说明了具有倒置结构的太阳能电池。在图2中,将ITO设置为基底上的阴极,并且在阴极上形成包含上述冠型电荷传输材料的电荷传输层。此外,光活性层设置在电荷传输层上,并且缓冲层设置在光活性层上,并且使MoO3/Al形成为阳极。

此外,阴极上还可包含上述冠型电荷传输材料和正离子或负离子的离子基团。

然而,根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池不限于图2中的结构和材料,可设置附加层,并且各个层可通过使用多种材料来构成。

本说明书的缓冲层可为阴极缓冲层或阳极缓冲层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输层还包含选自金属氧化物、碳化合物、金属碳化物介电材料和量子点化合物中的一种或两种或更多种材料。

本说明书的一个示例性实施方案包含含有选自金属氧化物、碳化合物、金属碳化物介电材料和量子点化合物中的一种或两种或更多种材料的第二电荷传输层。

在本说明书中,金属氧化物的实例包括氧化钛(TiOx)、氧化锌(ZnO)、氧化钒(V2O5)、氧化镍(NiOx)或氧化钌(RuOx)等,但不限于此。

在本说明书中,碳化合物的实例包括石墨烯、碳纳米管(CNT)等,但不限于此。

在本说明书中,介电材料的实例包括聚乙烯亚胺(PEI)、乙氧基化聚乙烯亚胺(PEIE)、聚[(9,9-双(3'-二甲基氨基)丙基)-2,7-芴)-交替-2,7-(9,9-二辛基芴)]等,并且不限于此。

在本说明书中,金属碳化物的实例包括碳酸铯等,但不限于此。

在本说明书中,量子点化合物的实例包括Cds、Pds、CdTe或其混合物等,但不限于此。

在本说明书的一个示例性实施方案中,用由化学式1表示的电荷传输材料掺杂第二电荷传输层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,相对于选自金属氧化物、碳化合物、金属碳化物介电材料和量子点化合物中的一种或两种或更多种材料(第二电荷传输材料)的质量,由化学式1表示的电荷传输材料的浓度为0.1重量%至10重量%。优选地,相对于第二电荷传输材料的质量,由化学式1表示的电荷传输材料的掺杂浓度为0.1重量%至1重量%。

当由化学式1表示的电荷传输材料的掺杂浓度超过10重量%时,在包含金属氧化物和/或金属碳化物的第二电荷传输层的表面上或内部形成簇,并因此充当电荷的捕获位点。因此,掺杂浓度变成电流密度和填充因数降低的原因。因此,在所述范围内,存在防止在第二电荷传输层的表面上和/或内部形成簇的效果。

图3举例说明了根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池的一个实例。具体地,图1举例说明了具有倒置结构的太阳能电池。在图1中,将ITO设置为基底上的阴极,并将第二电荷传输层设置在阴极上。此外,在第二电荷传输层上形成包含由化学式1表示的电荷传输材料的第一电荷传输层。此外,将光活性层设置在第一电荷传输层上,并且使MoO3/Al形成为阳极。

在本说明书的一个示例性实施方案中,具体地,第二电荷传输层可包含ZnO。在另一个示例性实施方案中,第二电荷传输层可包含介电材料。所述介电材料可包含聚[(9,9-双(3'-二甲基氨基)丙基)-2,7-芴)-交替-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)作为共轭聚合物电解质,以及聚乙烯亚胺(PEI)和/或乙氧基化聚乙烯亚胺(PEIE)作为非共轭聚合物电解质。

图4举例说明了根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池的一个实例。具体地,图4举例说明了具有倒置结构的太阳能电池。在图4中,将ITO设置为基底上的阴极,并且在阴极上形成用由化学式1表示的电荷传输材料掺杂的第二电荷传输层。此外,将光活性层设置在电荷传输层上,并且在光活性层上形成MoO3/Al。

在一个示例性实施方案中,太阳能电池包括第一电荷传输层和第二电荷传输层,所述第一电荷传输层包含由化学式1表示的电荷传输材料,所述第二电荷传输层包含选自金属氧化物、碳化合物、金属碳化物介电材料和量子点化合物中的一种或两种或更多种材料。

在另一个示例性实施方案中,第一电荷传输层和第二电荷传输层设置成彼此接触。具体地,将包含由化学式1表示的电荷传输材料的第一电荷传输层设置在光活性层与第二电荷传输层之间。

在本说明书中,电荷传输层意指传输“空穴”或“电子”的层,并且可为电子传输层或空穴传输层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电荷传输层为电子传输层。本说明书的电子传输层可为阴极缓冲层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,第一电极可为阴极。在另一个示例性实施方案中,第一电极可为阳极。

在本说明书的一个示例性实施方案中,第二电极可为阳极。在另一个示例性实施方案中,第一电极可为阴极。

本说明书的第一电极可为阴极电极,并且可为透明导电氧化物层或金属电极。

当第一电极为透明电极时,第一电极可为导电氧化物,例如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。此外,第一电极还可为半透明电极。当第一电极为半透明电极时,第一电极可通过使用半透明金属例如Ag、Au、Mg、Ca或其合金来制备。当使用半透明金属作为第一电极时,太阳能电池可具有微腔结构。

当本说明书的电极为透明导电氧化物层时,除玻璃和石英板以外,还可使用其中将导电材料掺杂至柔性且透明的材料如塑料的电极,其包括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)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、丙烯腈苯乙烯共聚物(AS树脂)、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS树脂)、三乙酰纤维素(TAC)和聚芳酯(PAR))。具体地,电极可为氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化铟锌(IZO)、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、氧化锑锡(ATO)等,并且更具体地,电极可为ITO。

在本说明书的一个示例性实施方案中,第二电极可为阳极,并且第二电极可为金属电极。具体地,金属电极可包括选自以下中的一种或两种或更多种:银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、钨(W)、铜(Cu)、钼(Mo)、金(Au)、镍(Ni)和钯(Pd)。更具体地,金属电极可为银(Ag)。

在本说明书的一个示例性实施方案中,在形成第一电极和/或第二电极中,图案化ITO基底用清洁剂、丙酮和异丙醇(IPA)依次清洗,并且然后在热板上于100℃至250℃下干燥1分钟至30分钟,特别地在250℃下干燥10分钟以除去水分,并且当基底被完全清洁时,可对基底的表面进行亲水性改性。作为用于此目的的预处理技术,可使用a)使用平行平板型放电的表面氧化方法;b)经由通过在真空状态下使用UV射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的氧化方法,等。接合表面电势可通过上述表面改性维持在适合于空穴注入层的表面电势的水平,并且在ITO基底上容易地形成聚合物薄膜并且可提高薄膜的品质。根据基底的状况,选择所述方法之一,并且无论使用什么方法,仅当防止氧从基底表面离开并最大限度地抑制水分和有机材料残留时,通常才可预期预处理的实质性作用。

在下文所述的本说明书的实施例中,使用了经由通过使用UV所产生的臭氧来氧化表面的方法,并且在超声波清洗之后,将图案化ITO基底在热板上充分地烘烤并干燥,引入下一个室,并且开启UV灯以借助通过使氧气与UV光反应所产生的臭氧来清洗图案化ITO基底。然而,本发明中对图案化ITO基底表面进行改性的方法不需要特别限制,并且可使用任何方法,只要所述方法为氧化基底的方法即可。

在本说明书的一个示例性实施方案中,太阳能电池还包括选自以下中的一个或两个或更多个有机材料层:空穴注入层、空穴传输层、空穴阻挡层、电荷产生层、电子阻挡层、电子注入层和电子传输层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,太阳能电池具有倒置结构,其中第一电极为阴极并且第二电极为阳极,阴极缓冲层设置在第一电极与光活性层之间,并且阳极缓冲层设置在第二电极与光活性层之间。

除了阳极缓冲层和阴极缓冲层以外,本说明书的一个示例性实施方案还可包含另外的有机材料层。另一个示例性实施方案可仅包含阳极缓冲层和阴极缓冲层之一,并且可以不包含缓冲层。

在又一个示例性实施方案中,在本说明书的一个示例性实施方案中,太阳能电池具有正常结构,其中第一电极为阳极并且第二电极为阴极,阳极缓冲层设置在第一电极与光活性层之间,并且阴极缓冲层设置在第二电极与光活性层之间。

在本说明书的一个示例性实施方案中,阴极缓冲层可为电子传输层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,阳极缓冲层可为空穴传输层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,太阳能电池为有机太阳能电池或有机-无机混合太阳能电池。

在本说明书的一个示例性实施方案中,在有机太阳能电池或有机-无机混合太阳能电池中,如果需要的话,本领域技术人员可选择用于光活性层的材料。

具体地,有机太阳能电池中的光活性层为光活性材料,并且包含电子供体材料和电子受体材料。在本说明书中,光活性材料可意指电子供体材料和电子受体材料。

根据本说明书的一个示例性实施方案,电子供体材料可包含:至少一种电子供体;或至少一种电子受体和至少一种电子供体的聚合物。电子供体材料可包含至少一种电子供体。此外,电子供体材料包含至少一种电子受体和至少一种电子供体的聚合物。

具体地,电子供体材料可为多种聚合材料,例如基于噻吩、基于芴和基于咔唑的材料、以及起始于聚[2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基](MEH-PPV)的单分子材料。

具体地,单分子材料可包括选自以下中的一种或更多种材料:酞菁铜(II)、酞菁锌、三[4-(5-二氰基亚甲基甲基-2-噻吩基)苯基]胺、2,4-双[4-(N,N-二苄基氨基)-2,6-二羟基苯基]方酸、苯并[b]蒽和并五苯。

具体地,聚合材料可包括选自以下中的一种或更多种材料:聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[N-9'-十七烷基-2,7-咔唑-交替-5,5-(4'-7'-二-2-噻吩基-2',1',3'-苯并噻二唑)](PCDTBT)、聚[2,6-(4,4-双(2-乙基己基)-4H-环戊[2,1-b;3,4-b']二噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)、聚[2,7-(9,9-二辛基-芴)-交替-5,5-(4,7-二-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑)](PFO-DBT)、聚[[4,8-双[(2-乙基己基)氧基]苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基](PTB7)以及聚[2,7-(9,9-二辛基-二苯并噻咯)-交替-4,7-双(噻吩-2-基)苯并-2,1,3-噻二唑](PSiF-DBT)。

在本说明书的一个示例性实施方案中,电子受体材料可为富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。

如果需要的话,富勒烯衍生物可为C60至C120富勒烯衍生物,并且可由本领域技术人员选择。如果需要的话,富勒烯衍生物选自上述取代基中,并且可被取代或未被取代。

与非富勒烯衍生物相比,富勒烯衍生物具有分离电子-空穴对(激子)的优异能力和优异的电荷迁移率,因此在效率特性方面是有利的。

此外,在本说明书的一个示例性实施方案中,光活性层可具有本体异质结结构或双层结结构。本体异质结结构可为本体异质结(BHJ)结型,并且双层结结构可为双层结型。

将上述光活性材料溶解在有机溶剂中,并且然后通过例如旋涂的方法以50nm至280nm范围的厚度施加溶液以引入光活性层。在这种情况下,可对光活性层应用例如浸涂、丝网印刷、喷涂、刮涂和刷涂的方法。

在另一个示例性实施方案中,对于有机-无机混合太阳能电池中的光活性层而言,如果需要的话,本领域技术人员可选择用于光活性层的材料,例如使用量子点的量子点太阳能电池;使用硅层的硅太阳能电池;或者使用具有钙钛矿型结构的化合物的钙钛矿型太阳能电池。

根据本说明书的一个示例性实施方案,电子传输层的导电氧化物可为提取电子的金属氧化物,并且具体地,可包括选自氧化钛(TiOx)、氧化锌(ZnO)和碳酸铯(Cs2CO3)中的一种或更多种。

根据本说明书的一个示例性实施方案,所述金属可为核壳材料,包括:银(Ag)纳米颗粒;金(Au)纳米颗粒;和金属氧化物,例如Ag-SiO2、Ag-TiO2和Au-TiO2。核壳材料包含作为核的金属,以及作为壳的金属氧化物,例如Ag-SiO2、Ag-TiO2和Au-TiO2

电子传输层可通过使用以下方法施加至基底的一个表面上或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。

可将空穴传输层通过诸如以下的方法引入经预处理的光活性层的上部:旋涂、浸涂、喷墨印刷、凹版印刷、喷涂、刮涂、棒涂、凹版涂覆、刷涂和热沉积。在这种情况下,通常使用聚(3,5-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸酯)[PEDOT:PSS]作为导电聚合物溶液,并且可使用氧化钼(MoOx)、氧化钒(V2O5)、氧化镍(NiO)、氧化钨(WOx)等作为提取空穴的金属氧化物材料。根据本说明书的一个示例性实施方案,空穴传输层可通过经由热沉积系统沉积MoO3至厚度为5nm至10nm来形成。

根据本说明书的一个示例性实施方案,太阳能电池还可包括基底。具体地,可将基底设置在第一电极的下部。

根据本说明书的一个示例性实施方案,作为基底,可使用具有优良透明度、表面光滑度、易于处理和防水性的基底。具体地,可使用玻璃基底、薄膜玻璃基底或透明塑料基底。塑料基底可包括单层或多层形式的膜,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)和聚酰亚胺(PI)。然而,所述基底不限于此,并且可使用通常用于太阳能电池的基底。

根据本说明书的一个示例性实施方案,太阳能电池可具有卷绕结构。具体地,太阳能电池可以以柔性膜的形式制造,并且可制成其中膜以圆柱形式卷绕的具有中空卷绕结构的太阳能电池。当太阳能电池具有卷绕结构时,可以以其中太阳能电池竖立在地面上的方式安装太阳能电池。在这种情况下,在其中安装太阳能电池的位置处,可在太阳自东向西移动时确保其中光的入射角变得最大的部分。因此,存在这样的优点:当太阳上升时,可以尽可能多地吸收光并可提高效率。

此外,本说明书提供了用于制造上述太阳能电池的方法,所述方法包括:准备基底;在所述基底上形成第一电极;在所述第一电极上形成包括具有两个或更多个层的有机材料层的具有两个或更多个层的有机材料层,其包括光活性层和电荷传输层;以及在所述有机材料层上形成第二电极。

在本说明书中,用于制造太阳能电池的方法可使用通常使用的方法,不同之处在于包含上述电荷传输层。

根据本说明书的一个示例性实施方案,形成第一电极可在清洗第一电极之后对第一电极的表面进行亲水性改性。

根据本说明书的一个示例性实施方案,制造单层太阳能电池还可包括形成空穴传输层以及形成电子传输层。

在本说明书的一个示例性实施方案中,太阳能电池还包括在形成有机材料层之后进行热处理或进行UV处理。

根据本说明书的一个示例性实施方案的电荷传输材料包括其中将离子基团插入由化学式1表示的冠型化合物的中心的电荷传输材料。在还包括进行如上所述的热处理或UV处理的情况下,由化学式1表示的化合物可以彼此结合形成化学结合的单富勒烯层。在这种情况下,存在热稳定性增强的效果。

在本说明书中,基底、第一电极、光活性层、电子传输层和第二电极与上述那些相同。

实施例

下文中,将参照用于具体描述本说明书的实施例来详细地描述本说明书。然而,根据本说明书的实施例可以以多种形式进行修改,并且不应理解为本说明书的范围限于下文中详细描述的实施例。提供本说明书的实施例以向本领域的普通技术人员更完整地描述本说明书。

实验例1.

将在溶液(其中乙酸乙酯与甲醇以1:1的比混合)中包含0.1重量%具有以下可交联取代基的冠衍生物的电荷传输层旋涂在ITO玻璃上作为第一电极,然后使其经历热处理,并且然后形成膜。使用P3HT:PC60BM在电荷传输层上形成光活性层。使用MoO3在光活性层上形成缓冲层,并且然后使用Ag在缓冲层上形成第二电极以制造具有倒置结构的有机太阳能电池。

ITO/可交联[18-冠-6]/P3HT:PC60BM/MoO3/Ag

可交联[18-冠-6]

实验例2.

以与实验例1中相同的方式制造有机太阳能电池,不同之处在于:使用在实验例1中的18-冠-6的中心处包含钾离子(K+)的材料。

可交联[18-冠-6]K+

比较例1.

以与实验例1中相同的方式制造有机太阳能电池,不同之处在于:使用ZnO代替可交联[18-冠-6]作为实验例1中的电荷传输层。

比较例2.

以与实验例1中相同的方式制造有机太阳能电池,不同之处在于:在实验例1中使用以下冠衍生物。

[18-冠-6]

比较例3.

以与实验例1中相同的方式制造有机太阳能电池,不同之处在于:使用在实验例1中的18-冠-6的中心处包含钾离子(K+)的材料。

ITO/[18-冠-6]K+/P3HT:PC60BM/MoO3/Ag

[18-冠-6]K+

比较例4.

以与实验例3中相同的方式制造有机太阳能电池,不同之处在于:在实验例1中使用以下六氮杂环十八烷(hexacyclen)。

ITO/六氮杂环十八烷/P3HT:PC60BM/MoO3/Ag

六氮杂环十八烷

根据实验例和比较例制造的有机太阳能电池的光电转换特性在下表1中示出。

[表1]

当在80℃的温度下进行热处理时,各个有机太阳能电池中的器件效率变化在以下图5中示出。当没有进行交联时,由于18-冠-6的低熔点,器件的效率比使用ZnO的情况下降得更快;但是当进行交联时,可观察到器件的热稳定性显著增强,并且因此,即使在热处理进行15小时之后仍维持96%或更高的器件性能。(ZnO:86%,18-冠-6:78%)

即使当没有进行交联时,六氮杂环十八烷仍由于高介电常数和熔点而表现出比ZnO更好的热稳定性,并且与18-冠-6的情况相比,可通过高的开路电压、电流密度和填充因数获得提高至50%或更高的效率。

已经对本发明的示例性实施方案进行了描述,但是由于提供具体说明是为了告知本领域普通技术人员本发明所属的发明种类,因此明显的是本发明的范围不受限制。因此,本发明的实质范围将由所附权利要求书及其等同方案限定。

再多了解一些
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