[发明专利]给体采用弱外延生长薄膜的有机太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及给体采用弱外延生长薄膜的有机太阳能电池。

背景技术

近年来，伴随着有机半导体科学与技术的发展，以有机半导体为主要材料的电子器件如有机发光二极管、有机太阳能电池和有机薄膜晶体管等具有应用潜力。有机材料加工便利、原材料来源广泛，因而有机器件预期成本低廉。1986年美国的应用物理快报(C.W.Tang，Applied Physics Letters 48，183(1986))报道了一种采用双层有机异质结薄膜结构的光伏电池，能量转换效率达到0.95％。由于光生激子只能在两种有机半导体界面处分离，限制了这种双层结构器件性能的进一步提高。1995年美国的科学杂志(G.Yu，J.Gao，J.C.Hummelen，F.Wudl，A.J.Heeger，Sciences 270，1789(1995))报道了一种体异质结电池，将给体和受体两种半导体共混形成互穿网络的结构，增加了两种半导体的界面面积，进一步提高器件的效率。经过此后十多年研究，研究人员认识到有机半导体光吸收厚度(～100纳米)远大于光生激子的扩散长度(～10纳米)是限制有机太阳能电池能量转换效率的根本因素。相比于平面异质结结构，体异质结结构不但提供更大的两相界面面积，并且缩短激子达到界面的距离，极大提高激子的利用率，因此研究人员通过优化薄膜形貌制备更接近理想的体异质结结构的太阳能电池(K.M.Coakley and M.D.McGehee，Chemistry of Materials 16，4533(2004))。另一方面，由于激子的扩散长度和载流子的扩散长度都与晶体薄膜的品质相关，因此研究者通过改善晶体薄膜品质的方法，提高薄膜载流子迁移率的同时，达到提高激子扩散长度的目的。

在聚合物体系中，多将构成太阳能电池的给-受材料共溶在同一种溶剂中，利用旋涂等方法使其成膜，然后采用退火或溶剂处理等方法使两种材料之间结晶度提高并发生微相分离，形成体相异质结。

在小分子体系有机太阳能电池中，多采用将构成太阳能电池的两种材料真空共沉积的方法形成体相异质结。由于构成体异质结的两种小分子材料分子体积较小，真空共沉积时很难形成连续相，大量光生载流子因缺乏连续的导出通道而无法从器件内导出，复合损失，减小短路电流和填充因子，导致器件性能降低。2005年英国自然材料(FanYang，Max Shtein，Stephen R Forrest，Nature Materials 4，37(2005))报道了采用有机气相沉积(OVPD)方法在作为阳极的ITO衬底上制备酞菁铜纳米晶，并在此基础上制备了有机小分子体异质结太阳能电池(专利：CN1961436A)。2007年德国先进材料(Fan Yang，Kai Sun，Stephen R Forrest，Advanced Materials 19，4166(2007))报道了同样采用OVPD方法将构成太阳能电池的两种材料进行交替沉积形成纳米晶体异质结。OVPD是利用载气将受热升华的小分子运输到接近室温的基底上冷却结晶形成固态薄膜。该方法的优点是薄膜连续性好，形貌易于控制。但由于需要载气输运以及精确控制载气流速，导致成本昂贵，实验重复性差。另外，由于基底温度较低(一般在50℃以下)，构成薄膜的晶粒尺寸较小，迁移率较低，限制了器件性能的进一步提高。

另一方面，研究人员试图提高有机小分子薄膜沉积时的衬底温度或采用退火方法制备结晶性更好的薄膜，但由于高结晶度增加薄膜的粗糙度(W.Geens，T.Aernouts，&G.J.Hadziioannou，Thin Solid Film，403-404，438(2002))，从而导致薄膜出现针孔、器件出现短路现象(P.Peumans，S.Uchida，S.R.Forrest，Nature 425，158(2003))，此外退火处理增加了器件制备的复杂性以及成本，因而无法得到广泛的实际应用。因此如何制备具有理想体异质结结构以及高质量、高迁移率的有机半导体薄膜成为提高有机太阳能电池的关键。