[发明专利]应用于微电子机械系统的反向有机太阳能电池微阵列

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月8日提交的题为“应用于微电子机械系统等的反向有机太阳能电池微阵列”（Inverted Organic Solar Mircoarray for Applications in Microelectromechanical Systems and Others）的美国临时专利申请61/450,425的优先权，其内容在此引为参考。

技术领域

本发明涉及喷涂制造的有机太阳能光伏电池。具体来说，本发明提供了一种使用喷涂-沉积制造有机太阳能光伏电池的新方法以及由此得到的有机太阳能光伏电池。

背景技术

近年来，能量消耗急剧增加，这部分是由世界范围内增加的工业发展所造成的。增加的能量消耗，使自然资源例如化石燃料以及全球处理消耗这些资源的副产物的能力变得紧张。此外，随着人口增加和发展中国家需求更多能量，预期未来对能量的需求将极大增加。这些因素使开发经济有效并对全球环境具有最小影响的新的清洁能源成为必要。

自从20世纪70年代以来，光伏电池已被用作传统能源的替代品。由于光伏电池使用来自于日光的已有能量，因此来自于光伏发电的环境影响明显低于传统发电。大多数商业化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，由硅制成的太阳能模块安装在建筑物的屋顶上。然而，无机硅基光伏电池的生产工艺复杂且成本高，限制了光伏电池的使用。这些基于硅晶片的电池是易碎、不透明的物质，限制了它们的使用。为了解决这样的缺点，已对使用有机材料的光伏电池进行了积极研究。

OPV中的光伏过程首先从主要由聚合物吸收光开始，然后形成激子。激子然后向供体（聚合物）/受体（富勒烯）界面迁移并在该处解离。分离的电子和空穴通过跳跃向相反电极移动，并被收集在电极处，产生开路电压（V_oc）。在连接电极后，产生光电流（短路电流I_sc）。

在发现π-共轭聚合物与碳C₆₀之间的快速电荷转移之后，已对基于π-共轭聚合物的有机光伏电池进行了深入研究。常规有机光伏器件使用透明衬底例如铟氧化物如铟锡氧化物（ITO）或铟锌氧化物（IZO）作为正极，并使用铝或其他金属作为负极。包括电子供体材料和电子受体材料的光活性材料被夹在正极与负极之间。常规器件中的供体材料是聚-3-己基噻吩（P3HT），其是一种共轭聚合物。常规的受体材料是(6,6)-苯基C₆₁丁酸甲酯（PCBM），其是一种富勒烯衍生物。ITO和铝触点两者使用溅射和热气相沉积，两者都是昂贵的高真空技术。在这些光伏电池中，光通常入射在衬底侧面上，需要透明衬底和透明电极。然而，这限制了可以被选择用于衬底和电极的材料。此外，为了提高电导率，需要最少30至500nm的厚度。此外，有机光电转换层对氧和湿气敏感，这降低了有机太阳能电池的功率转换效率和寿命周期。有机光伏电池的发展已实现5.2%的转换效率（Martin A.Green等，Prog.Photovolt:Res.Appl.2010;18:346–352）。

聚合物OPV电池由于可溶液加工，有希望成为潜在的成本效益高的光伏器件。已经演示了使用下述方法制造大面积OPV：印刷（Krebs和Norrman，在卷对卷工艺中将光诱导的热裂解用于聚合物太阳能电池（Using light-induced thermocleavage in a roll-to-roll process for polymer solar cells），ACS Appl.Mater.Interfaces2(2010)877–887；Krebs等，柔性聚合物太阳能电池的卷对卷工艺：模型研究，制造和运行稳定性研究