[发明专利]有机薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及使用有机半导体的有机薄膜太阳能电池。

背景技术

有机薄膜太阳能电池被期望用作未来的低成本太阳能电池，因为它们 与传统的硅和化合物半导体太阳能电池相比可以更容易且以更低的设备 成本制造。

在使用p-型和n-型有机半导体的p-n异质结型有机薄膜太阳能电池 中，有机半导体形成激子(其中电子-空穴对牢固键合)，且激子扩散并迁 移到p-n结的界面处。激子因界面处的强电场而电荷分离成电子和空穴， 并且所得电子和空穴分别传输到不同的电极，从而产生电动势。但是，在 采用这种构造的太阳能电池中，因为激子的扩散长度短，仅为大致几十纳 米，载流子路径实际上只能在距p-n结界面几十纳米的距离范围内有效地 形成，由此造成极低的转换效率。

由于本体异质结技术领域的进步，能够将p-型有机半导体(给体)和 n-型有机半导体(受体)结合以使p-n结可以以纳米级分散在薄膜内，有 机薄膜太阳能电池的转换效率显著改进。例如，J.Xue，S.Uchida，B.P.Land 和S.R.Forrest等人描述了具有如图9中所示的本体异质结构造的有机薄膜 太阳能电池(Appl.Phys.Lett.，85，第5757页(2004))。该太阳能电池的 光电转换层3具有以纳米级分散并位于透明电极1和金属电极2之间的本 体异质结结构，其将p型有机半导体15与n-型有机半导体16结合。通过 在透明衬底12的表面上层压来形成这种类型的层构造。

使用低分子量材料的气相沉积法或使用高分子量材料的涂布法主要 用于形成光电转换层3。气相沉积包括同时气相沉积(共沉积)由p-型有 机半导体和n-型有机半导体构成的两种类型的材料，其特征在于能够通过 以图9的本体异质结结构的方式层叠多个分别具有不同功能的薄膜来形成 层。另一方面，涂布包括通过溶解在溶剂中来涂覆可溶的给体材料(p-型 有机半导体)或受体材料(n-型有机半导体)，且其特征在于在促进p-n 结界面的均匀分散达到高于气相沉积的程度。

在采用这种结构的有机薄膜太阳能电池中，因光吸收而产生的激子E 通过纳米级扩散和迁移立即到达p-n界面，发生电荷分离，且电子e通过 同时连接到n-型有机半导体16上的载流子路径传输到电极2，同时空穴h 通过连接到p-型有机半导体15上的载流子路径传输到对面的电极1，从而 产生电动势。此外，由于在p-型有机半导体层17和n-型有机半导体层18 之间插入光电转换层3，在光电转换层3中生成的载流子被由p-型有机半 导体层17和n-型有机半导体层18的两个层形成的内界面有效地收集。由 于光电转换层3为中性，这种结构也被称为销(pin)型。此外，由于插入 空穴传输层10和电子传输层11，可以实现载流子的选择性传输、重组的 降低和效率的进一步改进。

以这种方式，可以通过形成包含将p-型有机半导体与n-型有机半导体 结合的本体异质结结构的光电转换层来解决激子扩散距离短的问题。

另一方面，另一重要问题是电荷分离载流子在不失活(重组)的情况 下传输到电极的程度。在太阳能电池中，通过重复使生成的电子流向外部 或返回太阳能电池并与空穴重组的循环来进行工作。换言之，在收集的电 子与空穴数量不平衡的情况下，实际工作量因具有较少数量的载流子而受 到限制。在此，使用迁移率(μ)作为指示传输能力的参数。这表明在给 定电场存在下的漂移速度，并在将载流子寿命定义为和电场强度定义为 E的情况下，载流子传输距离表示为μιE。由此，具有高迁移率的材料具 有较低的重组可能性，并且能够将载流子传输更长距离。

尽管已知使用富勒烯(fullerene)作为n-型有机半导体的低分子量有机 太阳能电池表现出高转换效率，但由于富勒烯的电子传输能力超过p-型有 机半导体的空穴传输能力，因此传输了过量电子，结果空穴传输能力限制 了总生成电流。此外，在主要使用金属酞菁作为p-型有机半导体的低分子 量有机太阳能电池中，尽管金属酞菁在光吸收方面和与富勒烯的分散性方 面非常优异，但由于其低迁移率，经酞菁传输到达电极的空穴数低于经富 勒烯传输到达电极的电子数。因此，酞菁最终限制了生成的电流，从而造 成转换效率降低的问题。