[发明专利]一种基于无机量子点的有机光伏电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机光伏电池，尤其涉及一种采用无机量子点作为修饰层的有机光伏电池，本发明还涉及一种基于无机量子点的有机光伏电池的制备方法。 

背景技术

有机光伏电池由于其材料来源广泛、重量轻、可大面积生产以及与柔性衬底相兼容等特点受到国内外科研工作者的广泛关注。有机光伏器件性能可通过合成和设计新型有机半导体材料进行调控。基于这些独特的优点，有机电池成为近十几年来国内外小组研究最热门的领域之一。通过合成新型的窄带隙有机吸光材料和对器件结构的优化，目前有机光伏电池的效率已超过10％，有望实现商业化的大规模生产。 

一股认为有机光伏电池的光电转换包括光子的吸收与激子的形成、激子的扩散和分离、电荷的传输和收集过程。当太阳光照射到吸光层时，只有光子能量大于有机吸光材料的禁带宽度时才被吸收。受光激发的电子从有机材料的HOMO轨道跃迁到LUMO轨道，这时留在HOMO中的空穴与激发到LUMO中的电子由于库仑力的相互作用而紧紧的束缚在一起，形成激子。在有机材料中并非所有产生的激子都可以分解成自由的电子和空穴，只有当激子扩散到合适的界面才能进行分离。当激子扩散或迁移到具有能量势差的界面时，才能克服激子的束缚能，分离成自由的电子和空穴。分离后的电子和空穴在内建电场或外加电场作用下分别向电池的阴极和阳极移动，然后被电极所收集。 

为了提高有机光伏电池的光电转换效率，前提是吸光层对入射太阳光的充分吸收，接下来是产生的光生激子在界面能得到有效的分离，最后是分离后的电子和空穴能快速的被电极所收集。这三个过程共同影响电池的光电转换效率。增加吸光层的厚度虽然能保证对光的增强吸收，但由于光生激子扩散长度有限，所以吸光层厚度的增加会导致大部分产生的光生激子在没有扩散到给体／受体分离界面就淬灭掉了。 

另外由于有机半导体材料的本征载流子迁移率低，吸光层厚度的增加容易导致分离后自由的电子和空穴复合几率增大，得不到有效的收集。目前基于互穿网络结构的体相异质结吸光层结构虽然能使光生激子的效率大大提高，但载流子和电荷转移态复合也随之增加了，造成电池开路电压的下降。为了增强电池的光吸收，同时又不影响载流子的传输和收集，可以通过对电池的修饰层的取代和优化，达到既增加电池光吸收增强的目的，又不影响载流子的传输，从而最终提高电池的效率。 

目前传统的有机电池结构为TCO／PEDOT∶PSS／吸光层／修饰层／阴极。其中PEDOT∶PSS是空穴传输层，主要起到收集空穴、阻挡电子的作用，避免光生载流子在ITO／活性层界面处发生复合，降低短路电流和能量转换效率。但是，实验证明PEDOT∶PSS 呈酸性，对ITO电极有腐蚀作用，影响电池性能的稳定性，而且传统的PEDOT∶PSS不能吸光。 

一种解决电池稳定性的有效方法采用过渡金属氧化物，如MoO₃、V₂O₅、NiO、WO₃等，来代替PEDOT∶PSS，解决电极与空穴传输层界面的稳定性问题，起到了积极的效果。如申请号为CN201010504075.5的中国发明专利申请《一种反型结构的有机小分子太阳能电池》(申请公布号为CN101997085A)公开了一种反型结构的有机小分子太阳能电池，包括在ITO玻璃衬底的导电层上依次制备阴极修饰层、有机小分子电子受体薄膜和电子给体薄膜，阳极修饰层和金属电极，其中阳极修饰层，即空穴传输层为WO₃，取代了常规的PEDOT∶PSS，有效解决了金属电极被污染的问题，但是电池效率有待提高。 

又如申请号为CN201310063285.9的中国发明专利申请《一种有机太阳能电池及其制备方法》(申请公布号为CN103151463A)公开了一种有机太阳能电池，其包括透明导电衬底、空穴传输层、有机活性层、电子传输层、金属电极，其中空穴传输层为CuS。该发明将传统的空穴传输层PEDOT∶PSS用CuS来替代，避免了空穴传输层对导电衬底的腐蚀作用，增强了稳定性，但是电池效率有待提高。