入射光强度可调的有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种入射光强度可调的有机太阳能电池及其制备方法，本发明专利技术器件包括光致发光层、透明衬底、透明电极、空穴注入层、给体层、受体层、电子传输层和电极阴极。给体层是窄带系具强吸收的传统有机太阳能电池材料，受体层是非富勒烯或传统电子传输材料。本发明专利技术器件通过精选光致发光层并沉积于透明衬底一侧。通过太阳光对光致发光层的激发，发射出蓝光、绿光或黄光，有机太阳能电池额外增加的光子将增强入射光强度。且通过对光致发光层煅烧，可得到不同强度的光致发光强度，从而调节太阳光光谱。该器件在无其他额外聚光板、反射/折射板及微纳结构的情况下，用一种简单的方法增加入射光强度，且可调。此器件超薄，制备工艺简单，设备要求低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种有机光电子器件及其制备方法，特别是涉及一种有机太阳能电池(OPV)及其制备方法，应用于绿色太阳能源

技术介绍
自1954年，美国的贝尔实验室成功研制出硅太阳能电池，开创了光电转换研究的先河，之后关于太阳能电池的研究迅速发展。由于无机太阳能电池制作成本高、生产工艺复杂、窄带隙半导体的严重光腐蚀等缺点，很大程度上制约了太阳能发电技术的推广应用。随着有机半导体领域快速的发展，使低成本太阳能发电技术的推广应用成为可能。与传统硅基及其他无机金属化合物太阳能电池相比，有机太阳能电池(organicphotovoltaiccells,OPVs)具有独特优势：1.有机材料质量轻、柔韧性好；2.有机材料易于进行化学结构设计、裁剪和合成，无资源存量的限制；3.器件制备工艺简单且多样化，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工方法，制作成本低；4.易于实现大面积/柔性器件。由于上述优势的巨大潜力，OPV成为新一代太阳能电池的重要发展方向。OPV通常采用基于p-型给体材料和n-型受体材料的p-n异质结器件结构，包括双层异质结(PHJ)、本体异质结(BHJ)和混合异质结(MHJ)。为了提高OPV的光电转化效率，有效的方式有：1.扩大激子分离的p-n界面,增强电子与空穴的分离效果；2.插入额外空穴或电子传输层以起到激子阻挡效果；3.设计新颖的近红外吸收给体材料或能级可调、溶解性能优异的受体材料以增强光吸收；4.制备结构复杂的级联式OPV(cascadeOPV)拓宽对太阳光的吸收；5.基板层独特的微纳结构制作；6.巧妙的光学设计增强聚光或对太阳光的反射和折射作用。虽然上述增强OPV光电转化效率的方式在某些方面均有一定效果，然而其中常规的通过光学设计增强聚光或对太阳光的反射和折射作用以提升器件性能的方式具有一定局限性。1.需要有一定的物理光学背景，且能进行较准确的光学模拟及计算；2.聚光板、反射/折射板的结构需精确控制；3.制作工艺相对复杂，导致成本较高。这影响了OPV在现实应用领域的推广。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种入射光强度可调的有机太阳能电池及其制备方法，根据光致发光层调节入射光强度的原理，通过外置一个光致发光层，实现OPV的入射光强度简易可调，同时实现入射光子数量增加及太阳光光谱可调的目的，且工艺简单、同时节约材料、降低成本，具有显著的产业化价值。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术的构思是：根据入射光强度简易可调的有机太阳能电池器件原理，器件主要特点是不需要复杂的光学设计，如添加聚光板、反射/折射板或制备微纳结构来增强太阳光光强，此外置光致发光层即可吸收紫外光发射蓝光、绿光或黄光从而额外增强入射光强度；且通过选择不同发光材料及对此发光层进行煅烧处理，可对入射到后续活性层的太阳光光谱进行调节。此光致发光层置于基板非导电一端，因此其能级和空穴/电子传输特性不受限制。根据上述专利技术构思，采用下述技术方案：一种入射光强度可调的有机太阳能电池，从下到上依次由光致发光层、透明衬底、透明导电阳极、空穴注入层、给体层、受体层、电子传输层和电极阴极层结合组成，给体层采用设定吸收范围的窄带系具强吸收的有机太阳能电池材料中的任意一种材料或任意几种混合材料制成，受体层采用非富勒烯及衍生物或设定能级的电子传输材料中的任意一种材料或任意几种混合材料制成，光致发光层的厚度为5-20nm，光致发光层的材料是宽带隙且吸收紫外光而发射可见光的各种空穴传输材料和电子传输材料中的任意一种材料或任意几种材料，且包括量子点发光材料、荧光发光材料和磷光发光材料中的任意一种或任意多种。上述透明衬底及上述透明导电阳极所组成的基板的厚度优选为100-150nm，上述空穴注入层的厚度优选为5-10nm,上述给体层的厚度优选为10-60nm,上述受体层的厚度优选为30-50nm,上述电子传输层的厚度优选为5-10nm,上述电极阴极层的厚度优选为80-100nm。作为上述光致发光层的材料成分，空穴传输材料优选为5,10,15-tribenzyl-5H-diindolo[3,2-a:3’,2’-c]-carbazole(TBDI)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthylphenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(α-NPD)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(NPB)、4,4’-bis-9-carbozylbiphenyl(CBP)、tris[4-(5-phenylthiophen-2-yl)phenyl]amine(TPTPA)、4,4’-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl(BSB-Cz)中的任意一种材料或任意几种材料；作为上述光致发光层的材料成分，电子传输材料优选为tetrafluorotetracyanoquinodimethane(F4-TCNQ)、naphthalene1,4,5,8-dianhydride(NTCDA)、naphthalenetetracarboxylicdiimide(NTCDI)、phenylphenolato)aluminum(III)(BAlq)、tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium(Alq3)、bis[2-(diphenylphosphino)phenyl]etheroxide(DPEPO)中的任意一种材料或任意几种材料；作为上述光致发光层的材料成分，量子点材料优选为ZnO、ZnS、CdS、CdSe、CdTe中的任意一种材料或任意几种材料。光致发光层厚度视发光强度情况而定，发光强的材料相对膜厚较薄，发光弱的材料相对膜厚较厚，以达到一定的发射光子数量。上述衬底层的材料优选为刚性玻璃材料、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种材料或任意几种材料，其中透明聚合物柔性材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、聚酰树脂和聚丙烯酸中的任意一种材料或任意几种材料。上述透明导电阳极的材料优选为氧化铟锡(ITO)、导电聚合物poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)、石墨烯(graphene)、碳纳米管(carbonnanotube)、金属单质、金属单质纳米线、金属合金纳米线、金属异质结纳米线中的任意一种材料或任意几种材料。上述空穴注入层的材料优选为：MoO3、V2O5、NiO2、WO3、5,10,15-tribenzyl-5H-diindolo[3,2-a:3’,2’-c]-carbazole(TBDI)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthylphenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(α-NPD)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(NPB)、4,4’-bis-9-carbozylbiphenyl(CBP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：从下到上依次由光致发光层（1）、透明衬底（2）、透明导电阳极（3）、空穴注入层（4）、给体层（5）、受体层（6）、电子传输层（7）和电极阴极层（8）结合组成，所述给体层（5）采用设定吸收范围的窄带系具强吸收的有机太阳能电池材料中的任意一种材料或任意几种混合材料制成，所述受体层（6）采用非富勒烯及衍生物或设定能级的电子传输材料中的任意一种材料或任意几种混合材料制成，所述光致发光层（1）的厚度为5‑20nm，所述光致发光层（1）的材料是宽带隙且吸收紫外光而发射可见光的各种空穴传输材料和电子传输材料中的任意一种材料或任意几种材料，且包括量子点发光材料、荧光发光材料和磷光发光材料中的任意一种或任意多种。

【技术特征摘要】
1.一种入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：从下到上依次由光致发光层（1）、透明衬底（2）、透明导电阳极（3）、空穴注入层（4）、给体层（5）、受体层（6）、电子传输层（7）和电极阴极层（8）结合组成，所述给体层（5）采用设定吸收范围的窄带系具强吸收的有机太阳能电池材料中的任意一种材料或任意几种混合材料制成，所述受体层（6）采用非富勒烯及衍生物或设定能级的电子传输材料中的任意一种材料或任意几种混合材料制成，所述光致发光层（1）的厚度为5-20nm，所述光致发光层（1）的材料是宽带隙且吸收紫外光而发射可见光的各种空穴传输材料和电子传输材料中的任意一种材料或任意几种材料，且包括量子点发光材料、荧光发光材料和磷光发光材料中的任意一种或任意多种。2.根据权利要求1所述入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：所述透明衬底（2）及透明导电阳极（3）所组成的基板的厚度为100-150nm，所述空穴注入层（4）的厚度为5-10nm,所述给体层（5）的厚度为10-60nm,所述受体层（6）的厚度为30-50nm,所述电子传输层（7）的厚度为5-10nm,所述电极阴极层（8）的厚度为80-100nm。3.根据权利要求1或2所述入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：作为所述光致发光层（1）的材料成分，空穴传输材料为5,10,15-tribenzyl-5H–diindolo[3,2-a:3’,2’-c]-carbazole(TBDI)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthylphenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(α-NPD)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(NPB)、4,4’-bis-9-carbozylbiphenyl(CBP)、tris[4-(5-phenylthiophen-2-yl)phenyl]amine(TPTPA)、4,4’-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl(BSB-Cz)中的任意一种材料或任意几种材料；作为所述光致发光层（1）的材料成分，电子传输材料为tetrafluorotetracyanoquinodimethane(F4-TCNQ)、naphthalene1,4,5,8-dianhydride(NTCDA)、naphthalenetetracarboxylicdiimide(NTCDI)、phenylphenolato)aluminum(III)(BAlq)、tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium(Alq3)、bis[2-(diphenylphosphino)phenyl]etheroxide(DPEPO)中的任意一种材料或任意几种材料；作为所述光致发光层（1）的材料成分，量子点材料为ZnO、ZnS、CdS、CdSe、CdTe中的任意一种材料或任意几种材料。4.根据权利要求1或2所述入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：所述衬底层（2）的材料为刚性玻璃材料、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种材料或任意几种材料，其中所述透明聚合物柔性材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、聚酰树脂和聚丙烯酸中的任意一种材料或任意几种材料。5.根据权利要求1或2所述入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：所述透明导电阳极（3）的材料为氧化铟锡(ITO)、导电聚合物poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)、石墨烯(graphene)、碳纳米管(carbonnanotubee)、金属单质、金属单质纳米线、金属合金纳米线、金属异质结纳米线中的任意一种材料或任意几种材料。6.根据权利要求1或2所述入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：所述空穴注入层（4）的材料为：MoO3、V2O5、NiO2、WO3、5,10,15-tribenzyl-5H-diindolo[3,2-a:3’,2’-c]-carbazole(TBDI)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthylphenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(α-NPD)、N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine(NPB)、4,4’-bis-9-carbozylbiphenyl(CBP)、4,4’-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl(BSB-Cz)中的任意一种材料或任意几种材料。7.根据权利要求1或2所述入射光强度可调的有机太阳能电池，其特征在于：所述给体层（5）的材料为主要吸收蓝绿光、黄光及红光区可见光的荧光材料和红光磷光材料中的任意一种材料或任意几种材料，其中所述主要吸收蓝绿光、黄光及红光区可见光的荧光材料为boronsubphthalocyaninechloride(SubPc)、copperphthalocyanine(CuPc)、chloroaluminiumphthalocyanine(ClAlPc),zincphthalocyanine(ZnPc)、titanylphthalocyanine(TiOPc)、platinum(II)phthalocyanine(PtPc)、metalfreephthalocyanine(H2Pc)、leadphthalocyanine(PbPc)、Pentacene、tetracene、anthracene、rubrene、bis[2-(4-tertbutylphenyl)ben...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑燕琼，杨芳，张静，濮文虹，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31