专利名称：基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及有机光电器件技术领域，具体涉及一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Si4O(AID)6]材料的新型有机太阳能电池结构，该结构通过采用Si4O(AID)6材料作为有机太阳能电池的激子阻挡层，制备出了功率效率高/热稳定性好的有机太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的器件，是一种光伏器件。最开始研究的太阳能电池始于上一世纪的50年代，主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池，当时贝尔实验室报道的器件效率(PEC)为4%。尽管目前无机太阳能电池总能量转化效率达到了 25%以上，但是，昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀限制了无机太阳能电池的实际应用。1991年，较低成本的染料敏化二氧化钛太阳能电池出现，其转换效率可达到10%左右，但是该类电池需要液体电解液，阻碍了其实际应用。有机太阳能电池由于有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好，并且有机太阳能电池加工过程相对简单，可低温操作，器件制作成本也较低。除此之外，有机太阳能电池的潜在优势还包括可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等。因此，有机太阳能电池近年来引起了国内外各界的广泛兴趣，它有望成为无机和染料敏化太阳能电池的有益、甚至必要的补充产品，在廉价可弃、柔性及大面积等方面得到应用。在过去的几十年里，人类投入巨大的精力来研究有机太阳能电池。科研工作者们通过创新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究，来提高器件的性能。本发明中通过引入Si4O(AID)6材料作为激子阻挡层，使有机太阳能电池的功率效率得到了较大的提高，同时使有机太阳能电池的热稳定性也得到了很大的改善。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物 [Zn4O(AID)6]材料的有机太阳能电池结构。利用本发明结构，可以提高有机太阳能电池的功率转换效率，并提高有机太阳能电池的热稳定性。技术方案本发明的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构由下到上依次为衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层、阴极；所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物，电子给体层采用CuPc或ZnPc，电子受体层采用C60 或PCBM，激子阻挡层为Si4O(AID)6,阴极采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金。所述的电子给体层的厚度为200-1000 A，电子受体层的厚度为200-1000A，激子阻挡层的厚度为20-200A，阴极厚度为500-1000A。所述的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构的制备方法包括以下步骤
a.在衬底上制备阳极；b.在阳极上制备电子给体层；c.在电子给体层上制备电子受体层；d.在电子受体层上制备激子阻挡层；e.在激子阻挡层上蒸镀阴极。阳极及阴极的制备方法为真空蒸镀或溅射，如果材料是很细的颗粒，如金属、炭黑、金属氧化物、导电聚合物等，则可通过溶液的旋涂获得，另外电化学沉积也可制得相应的电极；电子给体层、电子受体层、激子阻挡层均为有机层，可采用真空蒸镀、喷涂、旋涂、 打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。在选取合适的有机层材料和器件结构之后，为获得性能更好的器件，我们在阴极和电子受体层之间引入基于Si4O(AID)6材料的激子阻挡层。激子阻挡层的引入不仅可以消除阴极引起的激子淬灭，提高了激子的利用率；阻挡蒸镀阴极时对有机层的破坏；同时还可以阻止外界如水、氧等物质的侵入，提高器件的热稳定性。电子受体层可采用C60，主要是由于C60有极好的激子迁移率(0. 5cm2/Vs)，可以产生相当大的激子扩散距离；并且由于其表面原子数多，分子内电子流动性强，故很容易吸收电子，是优秀的电子受体材料，因此我们采用了 C60为有机受体层材料。电子给体层可采用CuPc，由于CuPc在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大，而且具有极好的化学、热及光稳定性，所以可作为电子给体层材料。阳极必须是一个相对阴极较高功函数的金属或金属氧化物；阴极则必须是一个相对阳极较低功函数的金属或者合金。ITO的功函数一般在4. 5-4. SeV左右，它是相当稳定、导电性优良而且透明的材料，非常适合用作阳极导电材料，因此我们采用ITO为阳极材料。Al具有较好的成膜性与稳定性，因此可选取Al作为阴极材料。有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果本发明提供的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Si4O(AID)6]材料的新型有机太阳能电池结构，通过在阴极的前面引入激子阻挡层，有利于电荷传输并提高激子的利用率；同时避免了由于蒸镀对有机受体层造成的损害；进而可以提高有机太阳能电池的功率转换效率，改善了器件的热稳定性。
图1本发明提供的基于Si4O(AID)6M料的有机太阳能电池结构的示意图；图2标准器件-1、标准器件-2和本发明器件的I-V曲线；图3本发明器件的效率随Si4O(AID)6厚度变化曲线；图4标准器件-1、标准器件-2和本发明器件的热稳定性曲线。
具体实施例方式本发明提出的有机太阳能电池的基本结构由下到上依次为，衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层和阴极组成。其结构如下上述方案中，所述阳极为ITO ；上述方案中，所述电子给体层为吸收特性强、光谱范围宽的窄带隙有机材料，如CuPc, ZnPc 等；上述方案中，所述电子受体层为电子输运性能好、电子接受能力强的有机材料，如 C60、PCBM 等；上述方案中，所述激子阻挡层为材料Si4O(AID)6 ；上述方案中，所述阴极为Al等金属或金属合金构成。本发明提出的有机层结构厚度进行了初步的优化。其中，电子给体层的厚度为 200-1000 A，电子受体层的厚度为200-1000 A，激子阻挡层的厚度为20-200 A，阴极厚度为 500-1000A。本发明中阴极和阳的制作方法可以为真空蒸镀或溅射，如果材料是很细的颗粒， 如金属、炭黑、金属氧化物、导电聚合物等，可通过溶液的旋涂获得，另外电化学沉积也可制得相应的电极；本发明除阴极和阳极外其余的均为有机层，可采用真空蒸镀、喷涂、打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。具体步骤为在阳极上制备电子给体层；在电子给体层上制备电子受体层；在电子受体层上制备激子阻挡层；在激子阻挡层上蒸镀阴极。下面结合实施例对本发明进行具体描述，但是本发明并不仅仅局限于所列举的实施例。实施例1在清洗干净的ITO玻璃衬底(方块电阻为15Ω / □)上蒸镀有机太阳能电池，ITO 玻璃衬底依次被洗涤剂、丙酮、异丙醇以及去离子水清洗30分钟，然后在120°C下烘干至少 10分钟，在蒸镀有机层之前，再用A等离子体处理50秒。蒸镀有机材料是在8X 的压力下被真空蒸镀的，蒸镀阴极铝时的真空为6X10_3Pa。蒸镀7时ITO衬底为室温，CuPc 和Si4O(AID)6在使用前分别被升华提纯，实验中使用的C60的纯度达到了 99. 9%。CuPc和 C60的蒸镀速率约为0.4 A/s，TPBi和Si4O (AID) 6的蒸镀速率约均为0.2 A/s，Al的蒸镀速率约为18 A/s。制备好的器件的有效面积(阴极和阳极重叠部分)为0.1cm2。真空蒸镀的各层厚度是用石英晶振厚度监测仪来进行检测的。测量在太阳光模拟器产生的AM 1.5的光照下(lOOW/cm2)进行的。电流密度-电压(J-V)曲线是由Keithley MOO进行测量的。 器件没有进行封装，所有测量都而在大气环境下完成的。本发明器件结构如图1所示；标准结构器件和本发明结构器件在光照情况下的I-V曲线如图2所示。标准器件-1玻璃衬底 / ITO / CuPc (200 A)/ C60 (400 A) /Al (1000 A)标准器件-2玻璃衬底 / ITO / CuPc (200 A) / C60 (400 A) / TPBi (80 A) /Al (1000A)。本发明器件玻璃衬底/ ITO / CuPc (200 A) / C60 (400 A) / Zn4O(AID)6 (90 A) /Al (1000 A)。 表1为标准器件和本发明器件的对比。标准器件和本发明器件的性能测试均在 lOOmW/cm2的AM 1. 5的模拟光照下测得的。结果表明本发明器件的功率转换效率均高于标准器件。
表1标准器件和本发明器件的比较
权利要求
1.一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构，其特征在于该结构由下到上依次为衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层、阴极；所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物，电子给体层采用CuPc或ZnPc，电子受体层采用C60或 PCBM，激子阻挡层为Si4O(AID)6,阴极采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金。
2.根据权利要求1所述的基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物材料的有机太阳能电池结构，其特征在于所述的电子给体层的厚度为200-1000 A，电子受体层的厚度为 200-1000 A，激子阻挡层的厚度为20-200 A，阴极厚度为500-1000 A。
全文摘要
本发明公开了一种基于六-7-氮杂吲哚四锌合氧配合物[Zn4O(AID)6]材料的有机太阳能电池结构。该结构由下至上依次包括衬底、阳极、电子给体层、电子受体层、激子阻挡层和阴极组成。其中所述的衬底采用石英片、玻璃片、聚苯乙烯或聚乙烯，阳极采用功函数大于阴极的金属、金属氧化物、炭黑或导电聚合物，电子给体层采用CuPc或ZnPc，电子受体层采用C60或PCBM，激子阻挡层为Zn4O(AID)6，阴极采用功函数相对阳极较低的金属或金属合金。除阳极外各层可采用真空蒸镀、喷涂、打印等各种沉积有机薄膜的方法制备。本发明可提高有机太阳能电池的功率转换效率并改善有机太阳能电池的热稳定性。
文档编号H01L51/46GK102244197SQ20111020017
公开日2011年11月16日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者密保秀, 李志刚, 王海珊, 高志强, 黄维 申请人:南京邮电大学