[发明专利]包括在空间中具有垂直偏集的电活性层的有机异质结太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及本体(bulk)异质结有机太阳能电池。

背景技术

有机电子器件例如有机晶体管(OFET)、有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池(OPV或有机光伏电池)的开发处于工业化或未工业化阶段。

然而，活性材料以及器件结构仍然处于发展过程中，以符合允许拓宽这些技术的应用领域的性能和寿命标准。特别地，希望设法改善当前器件的输出和稳定性。

在一些情况下，有机电子器件的核心(core)包括电活性层，所述电活性层也称为活性层并且使用包含分别为n-型(电子受体)和p-型(电子给体)的至少两种半导体材料的混合物通过湿法形成。对于体相(volume)异质结有机太阳能电池(也称为“本体异质结OPV器件”)、发光二极管和双极性(ambipolar)有机晶体管，情况尤其如此。然而，活性层内n-型和p-型半导体材料的组织状态(organization)(其对应于活性层的形态)对于该电子器件的准确(proper)运行是最重要的。

特别地，在本体异质结有机太阳能电池的情况下，形成电活性层的混合物的形态对于获得良好的电荷转移和输运以及因此高的转换效率是最重要的。

作为例子，根据现有技术的具有标准结构的本体异质结有机太阳能电池示于图1中。该电池由相继包括如下的多层叠层(stack)制成：

－基底1，其由例如玻璃或塑料制成，

－第一电极2，其例如为由氧化铟锡(ITO)制成的薄层，

－空穴注入层3，其例如由聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(称为PEDOT:PSS)制成，

-电活性层4，其通过将p-型和n-型半导体有机材料混合(例如通过将P3HT(聚(3-己基噻吩))和PCBM([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)混合)而得到并且包括相反的面4a和4b

－和由导电材料例如薄的钙/铝双层制成的第二电极5。

在该实施方式中，第一电极2和第二电极5分别形成阳极和阴极。

在文献中报导了多种因素作为影响活性层4的形态的参数。这些参数通常与制造有机太阳能电池的方法有关，并且特别地与用于形成活性层4的初始溶液的性质和性能，以及与在活性层4的形成中起作用的动力学参数和与沉积技术有关。

必须控制所有这些参数以获得最佳的形态，并且更特别地是，对于n-型半导体材料，与阴极的最大可能的接触表面以及对于p-型半导体材料，与阳极的最大可能的接触表面，以在各电极处获得良好的电荷提取(chargeextraction)。

因此，如在Svetlana S.van Bavel等的论文“Three-Dimensional NanoscaleOrganization of Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells”(Nano Letters 2009,Vo.9，No 2，507-513)中所报导的，具有标准结构的本体异质结有机光伏电池中的活性层理想地是包括由n-型半导体材料制成的网络和由p-型半导体材料制成的网络，并且在活性层的整个厚度中对于各p-型或n-型半导体材料具有各自的相反的浓度梯度。这样的混合物形态对应于p-型和n-型半导体材料的垂直偏集(vertical segregation)。

在上述论文中，对于具有标准结构的异质结有机太阳能电池，Svetlana S.van Bavel等通过将制造过程期间的某些条件改变，并且特别地通过进行热退火或者溶剂辅助退火而观察到这样的垂直偏集。电池由包含以1:1的重量比和20mg/ml的总浓度溶解于ODCB(邻二氯苯)中的P3HT和PCBM的混合物制成。将该混合物通过以500rpm的速度旋涂而沉积在被ITO层2和具有70nm厚度的PEDOT:PSS层3覆盖的玻璃基底1上。对于已经经历了在130℃的热退火工艺20分钟或者溶剂辅助退火工艺3小时的电池，通过电子断层成像法(tomography)，观察到活性层4的形态的改善。

为了说明的目的，图1中所示并且与Svetlana S.van Bavel等的论文中所述实施方式对应的活性层4呈现出在p-型半导体材料与n-型半导体材料之间的垂直偏集。这样的垂直偏集更特别地在图1中通过从活性层4的面4b直到相反面4a的从黑色到亮灰色的渐变(progressive)层次(灰度，gradation)表示。这样的层次由此说明从活性层4的面4a到面4b分别降低和增加的p-型半导体材料(例如P3HT)的浓度和n-型半导体材料(PCBM)的浓度。