专利名称：一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有掺杂磷光材料给体层的有机 太阳能电池。
背景技术：
目前，有机太阳能电池(OPV)由于其材料来源广泛、成本低、重量轻、可大面积生 产等优点受到国内外科研机构和公司的广泛关注。据美国能源部预测，如果OPV的能量转 换效率能够超过10%，寿命在10年以上，便可以投入商业化生产。近年来OPV的能量转换 效率提高的比较快，从2007年首次超过6%，到2010年10月达到8. 3%，但OPV的效率距 大规模商业化的要求还有一段距离。在传统的无机硅太阳能电池中，入射光子被吸收后，产生的电子-空穴对在常温 下可直接生成自由移动的电子和空穴载流子，然后电子和空穴分别传输到阴极和阳极被收 集。而在OPV中，有机材料常温下被光激发并不能直接生成可自由移动的电子和空穴载流 子，而是生成了束缚的电子-空穴对即激子，然后激子扩撒到给体、受体的界面(D/A界面) 发生解离，解离后的电子空穴分别被阴极、阳极收集。要想利用有机材料产生光电流，必须 使光激发产生的激子扩散到D/A界面。但是有机材料的单线态激子的扩散长度太短，仅为 IOnm左右，也就是说只有在靠近D/A界面处较短范围内产生的激子才能被利用，而距离D/A 界面较远处产生的激子就被浪费掉，从而制约了 OPV效率的提高。有机材料激子的扩散长度和激子的寿命有关。和单线态激子相比，三线态激子寿 命比它长好几个数量级，因此三线态激子的扩散长度比单线态激子更长；因此，如果能将三 线态激子引入到OPV中，将会提高有源层的厚度和对光的吸收，从而提高OPV的效率；但是 光激发荧光给体材料产生的是单线态激子，因此可以通过使用磷光材料将其转化为三线态 激子。Yang Yang等[Adv. Mater. 2005，17，2841]直接采用磷光材料八乙基卟啉钼(PtOEP) 作为有机太阳能电池的给体，结合受体材料C6tl制备了一个器件，磷光材料PtOEP将光激发 产生单线态激子经过系间窜越到达三线态激子，提高了激子的扩散距离，从而增加了 OPV 对光的俘获；但是由于磷光材料PtOEP对太阳光的吸收较弱，而且空穴的迁移率较低，所以 影响了该器件效率的进一步提高。
发明内容
本发明是利用磷光材料的敏化作用来提高OPV的效率，提出了一种具有掺杂磷光 材料给体层的有机太阳能电池。本发明所述结构的器件，可以将传统结构中远离D/A界面处原本浪费的单线态激 子转化为扩散距离较长的三线态激子，然后三线态激子扩散到D/A界面解离成自由载流 子，从而提高了 OPV的效率。本发明所述结构的器件，由阳极、空穴传输层、给体层、受体层、电子传输层和阴极 组成，其特征在于在空穴传输层和给体层之间还制备有一层掺杂磷光材料的给体层。该发明的结构通过采用将磷光材料掺入距离D/A界面较远的给体材料中，在提高激子的利用的效率的同时，既结合了给体材料较好的光吸收特性和载流子传输性能，又减 弱了掺杂对载流子迁移率的影响。本发明所述结构的器件，使有机太阳能电池的光电流来源于两个通道，一是离D/ A界面较近的给体层，光激发产生的单线态激子扩散到D/A界面解离成自由载流子；二是通 过在远离D/A界面的掺杂磷光材料的给体层，利用磷光材料的敏化作用，将传统结构中浪 费的单线态激子通过一系列能量转移过程转化为三线态激子，利用三线态激子扩散距离较 长的优点，最终到达D/A解离界面解离成自由载流子；磷光敏化的具体原理如下光激发下 产生的单线态激子通过共振能量转移传递给磷光材料的单线态上面，然后通过系间窜越到 达磷光材料的三线态，最后通过交换能量转移转移到给体的三线态上面。本发明的有益效果是由于采用了两个通道利用激子，使原来远离D/A解离界面 的浪费的激子转化为扩散距离较长的三线态激子，从而有益于有机太阳能电池短路电流和 效率的提高。衬底材料是玻璃、硅或者柔性衬底聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚甲基丙烯酸甲 脂；阳极为IT0、FT0或者金属Ag，Au, Al等，也可以使用任何电极材料且不限于此。空穴传输层由空穴传输材料或者P型材料[tetraf Iuorotetracyanoquinodimeth ane (F4-TCNQ)、P型氧化物如氧化钼、氧化铼等，可以使用任何P型材料且不限于此]掺杂 (掺杂的浓度从-30wt%不等)的空穴传输材料组成，空穴传输材料包括聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸PEDOT PSS4,4 ‘ ,4 ‘‘ -Tris (N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino) triphenylamine(m-MTDATA),Phthalocyanine，酞箐铜 CuPC，N, N, N，，N， -Tetrakis (4-methoxyphenyl) benzidine (MeO-TPD)等，可以使用任何空穴传输材料且不限于此。掺杂磷光材料的给体层所用的磷光材料为金属有机配合物，包括Bis(2-benzo[b]thiophen-2-yl-pyridine)(acetylacetonate)iridium(III) [Ir (btp) (acac)2]，Tris (l-phenyli-soquinoline) iridium(III) [Ir (piq) 3],Bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonate)-iridium(III)[Ir(ppy)(acac)]乙酰丙酮二 [2-(2，-氟代苯基)苯并噻吩]合铱(III) [ (F-BT)2-Ir (acac)]，乙酰丙酮二 (2-苯基一异喹啉)合铱(III), Ir (piq)2 (acac),三(2-苯基吡啶)合铱(III)Ir (ppy) 3，等，可以使用任何磷光材料且不限于此。掺杂磷光材料的给体层中磷光材料的掺杂浓度的为3wt % -15wt %，以利于给体、 磷光材料间的能量转移。给体材料为酞箐锌ZnPC，Phthalocyanine,酞箐铜CuPC，tris [4 -(5-phenylthiophen-2-yl) phenyl] amine (TPTPA) , N, N' -di(l-naphthyl)-N,N' -diphenylbenzidine (NPD)等，可以使用任何给体材料且不限 于此。受体层所用的材料为富勒烯-60 [Ful Ierene-C6tl (C6tl)]，
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富勒烯-70[Fullerene-C7tl(C70)]Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA)等，可以使用任何受 体材料且不限于此。所用的电子传输材料包括2,2 ‘ ,2 ‘‘ -(1,3,5-Benzinetriyl) -tris (1-phenyl-l-H-benzimidazole) (TPBi)，2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-l,10-phenanhroline(BCP)，4，7-二苯基-1，10-邻菲咯啉，BPhen 等，可以使用任何电子传输材料且不限于此。阴极为Al，Au，Ag或者为LiF/Al，LiF/Au，LiF/Ag等复合阴极，可以使用任何电极 材料且不限于此。上述提及的材料除(F-BT)2-IHacac)由中国科学院长春光机所李斌课题组合成 外(合成方法参考 Journal of Physics D =Applied Physics 41，(2008) 245101.)，其他 材料均可从台湾激光科技公司买到(公司网址:http://www. lumtec. com, tw)。
图1 本发明所述的有机太阳能电池的结构示意图。图中1为阳极，2为空穴传输层，3为掺杂磷光材料的给体层，4为给体层，5为受体 层，6为电子传输层，7为阴极。图2 实施例1制备的器件A、器件B的电流-电压曲线。
具体实施例方式实施例1 OPV的制备是在多源有机分子气相沉积系统中进行，详细过程如下[1]实验中的衬底材料选用ITO导电玻璃。首先将ITO玻璃衬底用丙酮、乙醇棉球 反复擦洗；[2]将擦洗干净的ITO衬底放入干净的烧杯中依次用丙酮、乙醇、去离子水超声10 分钟；再放在烘箱中烘干。最后将干燥清洁的ITO玻璃衬底进行紫外处理10分钟；[3]将处理好的衬底置于多源有机分子气相沉积系统中(参见中国专利 ZL03110977.2，“用于有机电致发光镀膜机的增锅式蒸发源”)，蒸发系统的真空腔体中包含 有机蒸发区(8个蒸发源)和金属蒸发区O个蒸发源)，两区之间及各个蒸发源之间相互隔 绝，避免了相互污染。系统的真空度可以达到10_5Pa，在薄膜生长的过程中系统的真空度维 持在3X10_4pa左右。材料生长的厚度和生长速率由美国IL-400型膜厚控制仪进行控制， 有机材料生长速率控制在0.4A/S。光源采用Oriel公司生产的太阳能模拟器，器件的电流电 压特性采用Keithley-2400电流-电压测试仪进行测量。所有的电流_电压测试都是在室 温大气环境中进行的。[4]制备的有机太阳能电池器件的结构为器件A IT0/PED0T PSS (30nm) /NPD IOwt % (F-Bt) 2Ir (acac) (15nm) /NPD (5nm) / C60 (40nm) /Bphen (8nm) /LiF (0. 8nm) /Al (IOOnm)
器件B IT0/PED0T PSS (30nm) /NPD (20nm) /C60 (40nm) /Bphen (8nm) /LiF (0. 8nm) / Al (IOOnm)器件A是采用本发明设计的结构，器件B为传统的有机太阳能结构。器件A，B的 电流-电压曲线如图2所示。从图中可以明显看出，器件A的电流密度明显比器件B的大， 分别为3. 54mA/cm2和2. 42mA/cm2，器件A的能量转换效率和器件B相比，提高了 50%。本实例中有关缩写名称的含义如下ITO 氧化铟锡；PEDOT PSS 聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸；NPD :N, N' _di (1-naphthyl)-N, N' -diphenylbenzidine ；C6tl :富勒烯-60;(F-Bt)2Ir(acac)乙酰丙酮二 [2_(2，-氟代苯基)苯并噻吩]合铱(III)；Bphen :4，7_ 二苯基 _1，10-邻菲咯啉；LiF:氟化锂。
权利要求
1.一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，由阳极、空穴传输层、给体层、受 体层、电子传输层和阴极组成，其特征在于在空穴传输层和给体层之间还制备有一层掺杂 磷光材料的给体层。
2.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征 在于磷光材料为 Ir(btp) (acac)2]、Ir(piq)3] > [Ir(ppy) (acac) ]、(F-BT)2_Ir (acac)]、 Ir (piq)2(acac)或 Ir (ppy)3。
3.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在 于掺杂磷光材料的给体层中磷光材料的掺杂浓度的为3wt% -15wt%。
4.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在 于给体层材料为酞箐锌ZnPC、Phthalocyanine、酞箐铜CuPC、TPTPA或NPD。
5.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在 于受体层材料为C6tl、C70或PTCDA。
6.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特 征在于空穴传输层材料为聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、m-MTDATA、 Phthalocyanine、酞箐铜CuPC或MeO-TPD，或是P型材料掺杂的上述材料。
7.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在 于电子传输层材料为TPBi、BCP、4，7-二苯基-1，10-邻菲咯啉或BPhen，或是N型材料掺 杂的上述材料。
8.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在 于衬底材料是玻璃、硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲脂。
9.如权利要求1所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池，其特征在 于阳极为 ITO、FT0、Ag、Au 或 Al，阴极为 Al、Au、Ag、LiF/Al、LiF/Au 或 LiF/Ag。
10.如权利要求1-10任何一项所述的一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能 电池，其特征在于器件结构为 IT0/PED0T PSS/NPD IOwt % (F-Bt)2Ir (acac) /NPD/C60/ Bphen/LiF/Al。
全文摘要
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有掺杂磷光材料给体层的有机太阳能电池。本发明所述结构的器件，由阳极、空穴传输层、给体层、受体层、电子传输层和阴极组成，其特征在于在空穴传输层和给体层之间还制备有一层掺杂磷光材料的给体层。磷光材料为Ir(btp)(acac)2]、Ir(piq)3]、[Ir(ppy)(acac)]、(F-BT)2-Ir(acac)]、Ir(piq)2(acac)或Ir(ppy)3，磷光材料的掺杂浓度的为3wt％～15wt％。该发明的结构通过采用将磷光材料掺入距离D/A界面较远的给体材料中，在提高激子的利用的效率的同时，既结合了给体材料较好的光吸收特性和载流子传输性能，又减弱了掺杂对载流子迁移率的影响。
文档编号H01L51/42GK102097593SQ201010572408
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者刘式墉, 李斌, 段羽, 赵毅, 陈平 申请人:吉林大学