[发明专利]一种有序体相异质结有机太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有序体相异质结有机太阳能电池及其制备方法，属于有机太阳能电池领域。

背景技术

有机太阳能电池具有成本低，重量轻，柔性，制备工艺简单等诸多优点，而且其活性层薄膜材料种类繁多，材料性能可人工调节。因此，有机太阳能电池表现出广泛的应用前景，其基础研究和产业化研究成为现在各个国家新能源研究计划中的重点方向。有机太阳能电池发展经历了几个重要的阶段：（1）肖特基型有机太阳能电池：是由一种有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，效率比较低，现在已经很少有研究；（2）平面异质结型有机太阳能电池：1986年，柯达公司的邓青云博士报道了一种采用双层有机异质结薄膜结构的太阳能电池，光电转换效率达到了0.95%（Applied Physics Letters,1986,48,183）。这种结构给体-受体形成的界面少，限制了激子的形成和分离；（3）体相异质结：1995年，Yu等人在<<科学>>上报道了给体和受体两种材料共混形成互穿网络的体相异质结，增加了给体-受体界面，提高电池的效率（Science,1995,270,1789)。但是这种体相异质结中无序的给体-受体相分离形成了很多孤立的小岛区。由于这些孤立小岛没有连续的通道，小岛界面处激子分离产生的一部分载流子不能传输出去形成有效载流子，从而容易与界面处激子分离产生的另一类载流子复合。基于此，科研人员提出并发展了有序体相异质结结构（K.M.Coakley,M.D.McGehee,Chemistry of Materials,2004,16,4533）。有序体相异质结不仅增加了活性层薄膜的厚度，提高活性层对光的吸收和激子的生成效率；同时有序的相分离形成大的界面也改善了激子扩散效率和激子分离效率；而且其连续的传输通道可以改善载流子传输效率和收集效率。

近几年来对于有序体相异质结的研究，主要集中于三个材料体系：（1）无机-有机杂化材料体系；（2）聚合物材料体系；（3）小分子材料体系。由于无机化合物纳米结构（纳米孔洞，纳米线和纳米棒）制备的方法和技术成熟，无机-有机杂化材料有序体相异质结结构的研究发展最早，最典型的就是TiO₂-聚合物和ZnO-聚合物有序体相异质结(F.J.Zhang,X.W.Xu,W.H.Tang,J.Zhang,Z.L.Zhuo,J.Wang,J.Wang,Z.Xu,Y.S.Wang,Solar Energy Materials&Solar Cells,2011,95,1785;K.M.Coakley,M.D.McGehee,Chemistry of Materials,2004,16,4533;I.Gonzalez-Valls,M.Lira-Cantu.Energy&Environmental Science,2009,2,19)。首先在ITO基底上制备出有序纳米多孔阵列或有序纳米棒阵列的TiO₂或ZnO薄膜，然后通过溶液旋涂聚合物电子给体材料，使它们渗透并填充TiO₂和ZnO有序纳米孔或纳米棒薄膜空隙，从而形成TiO₂-聚合物和ZnO-聚合物有序体相异质结，电池的转换效率也相应地得到提高。基于无机-有机杂化材料有序体相异质结研究的基础上，聚合物材料体系中有序体相异质结的制备主要发展了多孔阳极氧化铝（AAO）模板法和嵌段聚合物模板法(L.Jiang,H.L.Dong,W.P.Hu,Soft Matter,2011,7,1615;N.Haberkorn,M.C.Lechmann,B.H.Sohn,K.Char,J.S.Gutmann,P.Theato,Macromolecular Rapid Communications,2009,30,1146;C.Y.Chang,C.E.Wu,S.Y.Chen,C.H.Cui,Y.J.Cheng,C.S.Hsu,Y.L.Wang,Y.F.Li,Angewandte Chemie International Edition,2011,50,9386)。但是在两种制备方法中，当聚合物纳米棒阵列薄膜制备好以后，还需要除去模板层。这样就在一定程度上破坏有序纳米结构，影响最终的器件性能。对于第三类难溶性小分子材料体系而言，一般采用气相沉积的方法来制备薄膜电池。相对于前两个材料体系，调控制备有序体相异质结的难度较大。最近发展的斜角入射气相沉积技术制备出了并五苯、金属酞菁等纳米柱阵列（J.Zhang,I.Salzmann,S.Rogaschewski,F.Zhang,Z.Xu,Applied Physics Letters,2007,90,193117;J.G.Van Dijken,M.D.Fleischauer,M.J.Brett,Journal of Materials Chemstry,2011,21,1013;M.Thomas,B.J.Worfolk,D.A.Rider,M.T.Taschuk,J.M.Buriak,M.J.Brett,ACS AppliedMaterials&Interfaces,2011,3,1887）。但是单独的斜角入射沉积形成的纳米柱阵列薄膜结晶度低，分子取向不可控，影响电池性能。而分子层模板法已经证明可以调控分子取向，使得分子平坦排列，π-π共轭的方向垂直于基底，改善载流子在垂直方向上的传输，同时也可提高薄膜结晶度（K.V.Chauhan,P.Sullivan,J.L.Yang,T.S.Jones,Journal of Physical Chemistry C,2010,114,3304）。而且，由于分子模板法中使用的分子模板层非常薄，和器件能够完全匹配，存于器件中不会影响器件性能。目前，结合分子层模板生长方法和斜角入射沉积技术来制备具有可控分子取向的小分子-聚合物或小分子-小分子有序体相异质结有机太阳能电池还未见报道。