[发明专利]使用自组装单层的部分喷涂层状有机太阳能光伏电池和制造方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请主张2011年2月1日提交的题目为“Partially-Sprayed Layer Organic Solar Photovoltaic Cell using a Self-Assembled Molecule Layer and Method of Manufacture”的美国临时专利申请61/438,488号的优先权，通过参考将其内容并入本文中。

技术领域

本发明涉及喷雾制造的有机太阳能光伏电池。具体地，本发明提供一种使用喷雾沉积制造有机太阳能光伏电池的新方法和由所述方法制造的有机太阳能光伏电池。

背景技术

近年来，能耗急剧增加，部分是由于在全球范围内工业的快速发展。增高的能耗使得自然资源如化石燃料紧张，同时使得全球对消耗这些资源的副产物的处理能力变得紧张。而且，预期未来对能量的需求大大增加，因为人口增加且发展中国家需要更多的能量。这些因素要求开发经济、高效并对全球环境影响最小的新型清洁能源。

自从20世纪70年代开始，已经将光伏电池用作传统能源的替代。因为光伏电池使用源自太阳光的现有能量，所以由光伏发电造成的环境影响比传统发电小得多。大部分商业化的光伏电池是使用单晶硅、多晶硅或无定形硅的无机太阳能电池。传统上，将由硅制成的太阳能模块安装在建筑物的屋顶上。然而，这些无机硅基光伏电池以复杂的工艺方式并在高成本下制得，限制了光伏电池的使用。这些硅晶片基电池是易碎的不透明物质，限制了其在诸如窗口技术上的使用，在所述窗口技术中透明度是关键问题。此外，安装也是问题，因为这些太阳能模块重且易碎。另外，与在正常建筑中的窗口区域相比，诸如屋顶的安装位置受到限制，尤其是在摩天楼中更少。为了克服这种缺点，已经积极地对使用有机材料的光伏电池进行了研究。

在OPV中的光伏过程首先从主要通过聚合物吸收光开始，随后形成激子。然后，激子迁移到供体(聚合物)/受体(富勒烯)的界面处并在所述位置解离。分开的电子和空穴通过跳动移动到相反电极上并被收集在电极上，产生开路电压(Voc)。在连接电极时，产生光电流(短路电流Isc)。

在发现聚合物与碳C₆₀之间的快速电荷转移之后，已经对基于π共轭聚合物的有机光伏电池进行了集中研究。常规的有机光伏装置使用透明基材如铟的氧化物如铟锡氧化物(ITO)或IZO作为正极并使用铝或其他金属作为负极。将包括电子供体材料和电子受体材料的光活性材料夹在正极与负极之间。常规装置中的供体材料为聚-3-己基噻吩(P3HT)，其为共轭聚合物。常规的受体材料为(6,6)-苯基C₆₁丁酸甲酯(PCBM)，其为富勒烯的衍生物。ITO和铝的触点两者都使用溅射和热气相沉积，所述溅射和热气相沉积两者都是昂贵的、高真空技术。在这些光伏电池中，光典型地入射到基材侧面上，从而需要透明的基材和透明的电极。然而，这限制了基材和电极可选择的材料。此外，为了提高电导率，需要30～500nm的最小厚度。而且，有机光电转换层对氧气和水汽敏感，所述氧气和水汽降低功率转换效率并缩短有机太阳能电池的寿命周期。对有机光伏电池的开发已经实现了5.2%的转换效率(Martin A.Green等,Prog.Photovolt:Res.Appl.2010;18:346–352)。