具有激子阻擋及太陽光增敏的一體式空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種有機(jī)光電子器件及其制備方法，特別是涉及一種有機(jī)太陽能電池(OPV)及其制備方法，應(yīng)用于綠色太陽能源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)光電子技術(shù)是近10年來世界學(xué)術(shù)界發(fā)展迅猛的高科技之一。隨著成膜技術(shù)的快速發(fā)展及有機(jī)材料或有機(jī)/無機(jī)雜化材料設(shè)計的多樣性，有機(jī)電致發(fā)光器件、有機(jī)太陽能電池(organic photovoltaic cell，0PV)、有機(jī)場效應(yīng)晶體管等有機(jī)光電子產(chǎn)品逐漸發(fā)展成熟，且具有易于大面積制備、柔性、抗震壓等優(yōu)點(diǎn)。其中，利用清潔能源的有機(jī)太陽能電池憑借其綠色環(huán)保、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在能源技術(shù)領(lǐng)域倍受矚目；采用有機(jī)小分子/聚合物材料及簡易的成膜工藝已經(jīng)取得了光電轉(zhuǎn)換效率超過12%的突破性進(jìn)展，為緩解化石能源的枯竭和保證人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供了良好的解決方案。尤其是OPV中的平面異質(zhì)結(jié)由于其結(jié)構(gòu)簡單，對材料純度要求不高，因此是科研工作者初步探索材料特性及器件結(jié)構(gòu)性能的首選。
[0003]然而，傳統(tǒng)的OPV器件具有一些缺點(diǎn):
1.太陽光譜中紫外光、可見光、紅外光的比例固定，如需增強(qiáng)某一部分的光強(qiáng)，需通過物理光學(xué)設(shè)計或制備特殊復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)以達(dá)到聚光或增強(qiáng)反射和折射的目的、或者通過設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)的級聯(lián)式OPV(cascade OPV)拓寬對太陽光的吸收；
2.傳統(tǒng)的平面異質(zhì)結(jié)電池中的給/受體的激子分離不夠充分，導(dǎo)致短路電流偏低；
3.體異質(zhì)結(jié)中形貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難準(zhǔn)確控制，機(jī)理不明之處較多；
4.空穴和電子的注入和傳輸速率不匹配導(dǎo)致最終產(chǎn)生的光生電流受限。
[0004]OPV中傳統(tǒng)的空穴注入或傳輸材料為poIy(3，4-ethylened1xyth1phene):poly(styrenesulfonate) (PED0T:PSS)，具有優(yōu)良的平滑導(dǎo)電基板，抑制漏電流得到較高開路電壓的作用，然而同時也是強(qiáng)激子淬滅劑，這影響了 OPV在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種具有激子阻擋及太陽光增敏的一體式空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池及其制備方法，采用增加陽極端激子阻擋層，在OPV內(nèi)形成透明陽極-空穴注入層-激子阻擋層-給體層的新型復(fù)合功能層結(jié)構(gòu)，使一體式空穴傳輸層能夠同時實(shí)現(xiàn)激子阻擋和太陽光增敏的作用，本發(fā)明工藝簡單，同時節(jié)約材料，降低成本，具有重大的產(chǎn)業(yè)價值。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
創(chuàng)造基于具有激子阻擋及太陽光增敏的一體式空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池器件，器件主要特點(diǎn)是不需要額外的復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計或制備微納結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)太陽光強(qiáng)度或提供有利的反射和折射，此空穴傳輸層即可吸收紫外光發(fā)射藍(lán)光或綠光從而額外增加入射光光子數(shù)量，且同時具有電子阻擋作用。器件結(jié)構(gòu)簡單，單一空穴傳輸層同時具備兩種功能，且其能級與給體層匹配對器件開路電壓無不良影響，較高的空穴迀移率不會制約器件填充因子。通過合理的選擇材料，巧妙地同時實(shí)現(xiàn)激子阻擋及太陽光增敏作用。
[0007]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，采用下述技術(shù)方案:
一種具有激子阻擋及太陽光增敏的一體式空穴傳輸層的有機(jī)太陽能電池，從下到上依次由襯底層、透明導(dǎo)電陽極層、空穴注入層、激子阻擋層、給體層、受體層、電子傳輸層和電極陰極層結(jié)合組成，給體層采用窄帶系具強(qiáng)吸收的有機(jī)太陽能電池材料中的任意一種材料或任意幾種材料制成，受體層采用富勒烯或富勒烯衍生物材料中的任意一種材料或任意幾種材料制成，激子阻擋層的厚度為5_20nm，激子阻擋層的材料是寬帶隙的具紫外吸收而幾乎不吸收可見光的空穴傳輸材料，且激子阻擋層的能級與給體層的能級匹配。
[0008]上述透明襯底及透明導(dǎo)電陽極所組成的基板的厚度為100-150nm，上述空穴注入層的厚度優(yōu)選為5-10nm，上述給體層的厚度優(yōu)選為10-25nm，上述受體層的厚度優(yōu)選為30-50nm,上述電子傳輸層的厚度優(yōu)選為5-10nm，上述電極陰極層的厚度優(yōu)選為80-100nmo
[0009]上述激子阻擋層材料優(yōu)選采用藍(lán)色熒光材料、綠色熒光材料、藍(lán)色磷光材料和綠色磷光材料中的任意一種材料或任意幾種材料，藍(lán)色熒光材料采用深藍(lán)染料5-(4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin_2-yl)phenyl)-10,10-diphenyl-5,10-dihydrodibenzo[b,e][1,4]azasiline (DTPDDA)、4，4，_Bis(2，2-diphenyIvinyl )-1,1，-biphenyl (DPVBi)、dipheny1-(4-{2-[4-(2-pyridin-4-yl-vinyI)-phenyI]-vinyl}-phenyl)-amine (DPVPA)、2，7-bis[2-(4-tert-butylphenyl) pyrimidine-5-yl]-9^'-Spirobifluorene(TBPSF)、5,10,15-tribenzyl-5H-diindolo [3,2-a:3，，2’-c]-carbazole(TBDI)、N，N’-dipheny1-N, N’-bis(l-naphthyl phenyl)_l，I’-biphenyl_4，4’-diamine (α-NPD)、N，N’-diphenyl_N，N’-bis(1-naphthyl)_1,1，-bipheny 1-4,4’-diamine(NPB)、4,4’-bis-9-carbozylbiphenyl (CBP)、4,4，_bis[(N-carbazole) styrylJbiphenyl (BSB-Cz)、2，4_bis{3-(9H-carbazol-9-yl)-9H-carbazol-9-yl}-6-phen yl-1,3,5-triazine (CC2TA)中的任意一種材料或任意幾種材料;綠色焚光材料采用rhodamine 6G (R6G)、2，3，6，7-tetra hydro-1,1,7,7- tetramethyl-ΙΗ,5H,IlH-10-(2-benzothiazolyl)quinoli zino_[9，9a,lgh]coumarin (C545 T)、(4s，6s)_2，4，5，6-tetra(9H-carbazol_9-yl)isophth alonitrile(4CzIPN)中的任意一種材料或任意幾種材料；藍(lán)色磷光材料采用iridium bis (4 , 6-dif1roPheny1-pyridi nato_N，C’)picolinate (Firpic)、iridium (m)bis(4,6-difluorophenylpyridinato)tetra kis(1-pyraZoIyl)borate (Fir6)、Iridium(in)bis(4,6-difluoropheny1-pyridinato)-5- (pyridine-2-yl)-lH-tetrazolate) (FirM)中的任意一種材料或任意幾種材料；綠色磷光材料采用fac-tr is (2-phenyl pyridine)iridium (Ir (ppy )3)Nbis(2-phenyl pyridine) iridium(acetyl-acetonate) ((ppy)2lr(acac))和tris[3，6-bis(phenyl)-pyridazinato-Ni，C2' ]iridium (Ir(BPP ya)3)中的任意一種材料或任意幾種材料。
[0010]上述襯底層的材料優(yōu)選為剛性玻璃材料、透明聚合物柔性材料或生物可降解的柔性材料中的任意一種材料或任意幾種的復(fù)合材料，其中透明聚合物柔性材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、聚酰樹脂和聚丙烯酸中的任意一種材料或任意幾種材料。
[0011]上述透明導(dǎo)電陽極的材料優(yōu)選為氧化銦錫(ITO)、導(dǎo)電聚合物poly(3，4-ethylened1xy th1phene): poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)、石墨稀(graphene)、碳納米管(carbon nanotube)、金屬單質(zhì)、金屬單質(zhì)納米線、金屬合金納米線、金屬異質(zhì)結(jié)納米線中的任意一種材料或任意幾種材料。
[0012]上述空穴注入層的材料優(yōu)選為Mo03、V205、Ni02、W03中的任意一種材料或任意幾種材料。
[0013]上述給體層的材料優(yōu)選為窄帶系給體材料中的boron subphthal o cyan inechloride (SubPc)、copper phthalocyanine (CuPc)、chloroaluminium phthalocyanine(ClAlPc)、zinc phthalocyanine (ZnPc)、rubrene、tetraphenyldibenzoperiflanthene(DBP)、bis[2-(4_tertbutylphenyl)benzothiazolato_N，C2’]iridium(acetylacetonate)(t_bt)2Ir (acac)、4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl_6-( I , I , 7 , 7-tetramethyljulolidy 1-9- enyl) -4H_pyran (DCJTB)中的任意一種材料或任意幾種材料。
[OOM]上述受體層材料優(yōu)選為富勒稀或富勒稀衍生物材料中的C6Q、C7Q、[6,6]-phenylC71 butyric acid met