有机太阳能电池及其制造方法技术

本说明书涉及有机太阳能电池及其制造方法，并且提供了这样的有机太阳能电池，其包括：第一电极；面对所述第一电极的第二电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层；以及含富勒烯衍生物层，该层与所述光活性层接触，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本说明书要求于2014年4月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0052648号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。本说明书涉及有机太阳能电池及其制造方法。
技术介绍
根据美国国家实验室NREL的能源审查材料，当前主要使用的能源为石油、煤和天然气。这些能源总计为所使用的全部能源的80％。然而，石油和煤能源目前的消耗状态逐渐成为大问题，并且向大气中排放二氧化碳和其他温室气体的增加正在产生日益严重的问题。相比之下，为无污染性绿色能源的可再生能源的使用仍为全部能源的约2％。因此，关于解决能源问题的担忧已经越来越成为促进对开发新可再生能源的研究的动力。在新可再生能源例如风、水和太阳中，太阳能最为引人注目。使用太阳能的太阳能电池产生较少污染，在资源方面没有限制，具有半永久寿命，并且因而预计是能够解决未来能量问题的能源。太阳能电池是可通过应用光伏效应将太阳能直接转换为电能的装置。根据构成薄膜的材料，太阳能电池可分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。典型的太阳能电池通过掺杂为无机半导体的结晶硅(Si)经由p-n结来制造。通过吸收光而产生的电子和空穴向p-n结点扩散并且在被电场加速的同时向电极移动。将该过程中的功率转换效率定义为给予外电路的电功率与进入太阳能电池的太阳能功率的比，并且当在目前标准化的虚拟太阳照射条件下测量时所述效率已达约24％。然而，由于相关技术中的无机太阳能电池已经显示出在经济可行性以及材料需求和供给方面的限制，因此容易加工且廉价并且具有多种功能的有机太阳能电池已经作为长期替代能源而备受瞩目。对于早期的有机太阳能电池，美国UCSBHeeger教授的团队最早引领技术的发展。有机太阳能电池的一个优点在于，所使用的单分子有机材料或聚合物材料容易且快速地能够实现廉价且大面积的加工。然而，根据至今已进行的研究，有机太阳能电池具有能量转换效率低的缺点。因此，为了获得与其他太阳能电池在这一点上的竞争力，可以说效率的提高非常重要。
技术实现思路
[技术问题]本申请专利技术的一个目的为提供有机太阳能电池及其制造方法。[技术方案]本说明书提供了太阳能电池，其包括：第一电极；设置成面对第一电极的第二电极；设置在第一电极和第二电极之间的光活性层；以及设置成与光活性层接触的含富勒烯衍生物层，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。此外，本说明书提供了用于制造上述有机太阳能电池的方法，所述方法包括：准备基底；在基底上形成第一电极；在第一电极上形成具有两个或更多个层的有机材料层，所述有机材料层包括光活性层和含富勒烯衍生物层，所述富勒烯衍生物具有冠型取代基；以及在有机材料层上形成第二电极。[有益效果]在根据本说明书的包括含富勒烯衍生物层的情况下，吸光率提高，电荷的重新结合被抑制，并且电流的传输特性得以改善。因此，根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池可以实现短路电流密度(Jsc)增加和效率增加。此外，富勒烯衍生物设置成与光活性层接触，并且因此可降低光活性层和电荷传输层之间的电荷转移势垒且可改善所述接触。在这种情况下，可提高填充因子(FF)以实现高效率。根据本说明书的一个示例性实施方案的含富勒烯衍生物层可包含离子基团。在这种情况下，光吸收可通过入射光的再分布而增加，并且电荷势垒可以因界面偶极增加而得以调节。此外，由于电导率增加，可预期具有高效率的有机太阳能电池。根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池可通过用于同时制造光活性层和含富勒烯衍生物层的方法来在保持薄厚度的同时提供均匀的缓冲层。此外，由于简单的制造工艺，可降低生产成本和/或提高工艺的效率。根据本说明书的一个示例性实施方案的有机太阳能电池可具有卷绕结构，并且当该结构为圆柱形式时，有机太阳能电池可以高效地吸收不同方向的光以提高效率。附图简述图1和2示出了根据一个示例性实施方案的有机太阳能电池。图3为示出了化学式2-2-1的富勒烯衍生物的MS谱的图。最佳实施方式下文中，将更详细地描述本说明书。在本说明书中，当将一个构件布置在另一个构件“上”时，这不仅包括该构件与另一个构件接触的情况，还包括在这两个构件之间存在又一个构件的情况。在本说明书中，当一个部分“包括”一个组成元件时，除非另外特别描述，否则这不意指排除其他组成元件，而意指还可包括其他组成元件。本说明书的一个示例性实施方案提供了有机太阳能电池，其包括：第一电极；设置成面对第一电极的第二电极；设置在第一电极和第二电极之间的光活性层；以及设置成与光活性层接触的含富勒烯衍生物层，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。在本说明书的一个示例性实施方案中，含富勒烯衍生物层包含自相分离单元。所述自相分离单元包含疏水性或亲水性取代基。在本说明书中，所述自相分离单元为冠型取代基。在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层包含含有选自电子受体材料和电子供体材料中的一种或两种或更多种材料的光活性层材料，并且含富勒烯衍生物层通过光活性层材料与用于含富勒烯衍生物层的材料的相分离来形成。在本说明书的一个示例性实施方案中，在通过相分离形成的两个层的边界处，用于所述两个层的材料可以部分地彼此混合。这种情况允许以级联模式产生能级变化。因此，这种情况可有利于传输电荷和收集电荷。此外，由于用于含富勒烯衍生物层的材料因相分离而存在于光活性层的表面上，因此表面能可因真空能级位移而发生变化。在本说明书的一个示例性实施方案中，基于光活性层材料的总含量，具有冠型取代基的富勒烯衍生物在通过相分离形成的光活性层和含富勒烯衍生物层的界面处的含量为1重量％至15重量％，并且优选地3重量％至7重量％。在本说明书的一个示例性实施方案中，当具有冠型取代基的富勒烯衍生物在通过相分离形成的光活性层和含富勒烯衍生物层的界面处的含量为15重量％或更大时，存在如下效果：相分离的层的厚度变得大于光学厚度或者在光活性层中发生聚集现象，并且因此电荷可能被俘获；或者当所述含量为1重量％或更小时，因相分离而难以形成单个层，但是存在由掺杂引起的传输电荷增加的微弱效果。本说明书中的“相分离”意指两种或更多种材料在均匀混合状态下通过的不同亲和力无需分离过程即可彼此分离以形成层相。特别地，包含富勒烯衍生物的材料可通过增加亲水性冠型取代基的量以增强亲水性来分离，并且可通过向富勒烯衍生物中引入疏水性取代基以增强疏水性来分离。在本说明书的一个示例性实施方案中，将光活性层和含富勒烯衍生物层设置成彼此接触。设置成彼此接触不限于物理结合或化学结合。在本说明书的一个示例性实施方案中，光活性层和含富勒烯衍生物层通过利用光活性层和含富勒烯衍生物层的自相分离来同时形成以彼此接触。在本说明书的一个示例性实施方案中，将含富勒烯衍生物层设置在光活性层的接近第一电极的一个表面上。在另一个示例性实施方案中，将含富勒烯衍生物层设置在光活性层的接近第二电极的一个表面上。含富勒烯衍生物层还可适用于正常结构，并且还可适用于倒置结构。在本说明书的一个示例性实施方案中，含富勒烯衍生物层充当缓冲层。含富勒烯衍生物层可用于促进电子在光活性层和电荷传输层之间的移动。此外，含富勒烯衍生物层可用于促进电荷在电荷传输层和第一电极或第二电极之间的移动。在本说明书的一个示例性实施方案中，包含富勒烯衍生物且通过相分离形成的层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机太阳能电池，包括：第一电极；设置成面对所述第一电极的第二电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层；以及设置成与所述光活性层接触的含富勒烯衍生物层，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.30 KR 10-2014-00526481.一种有机太阳能电池，包括：第一电极；设置成面对所述第一电极的第二电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层；以及设置成与所述光活性层接触的含富勒烯衍生物层，其中所述富勒烯衍生物具有冠型取代基。2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述光活性层包含含有选自电子受体材料和电子供体材料中的一种或两种或更多种材料的光活性层材料，并且所述含富勒烯衍生物层通过所述光活性层材料与用于所述含富勒烯衍生物层的材料的相分离来形成。3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其中所述含富勒烯衍生物层包含选自由以下化学式1至3表示的富勒烯衍生物中的一种或两种或更多种富勒烯衍生物：[化学式1][化学式2][化学式3]在化学式1至3中，Cn为C60至C120富勒烯，m和n各自为0至3的整数，x、y和z各自为1至10的整数，R1和R2中至少一者为-(L)a-(Y)，a为0至4的整数，当a为2或更大时，两个或更多个L彼此相同或不同，L为经取代或未经取代的二价酯基；经取代或未经取代的二价硫酯基；经取代或未经取代的二价硫代羰基酯基；二价酮基；二价硫酮基；二价羰基；经取代或未经取代的亚烷基；经取代或未经取代的亚烯基；经取代或未经取代的亚芳基；或者经取代或未经取代的二价杂环基，Y为冠型取代基，Cy为经取代或未经取代的单环或多环芳香族烃环；或者经取代或未经取代的单环或多环杂环，R1和R2中，不是-(L)a-(Y)的基团彼此相同或不同，并且各自为氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；经取代或未经取代的芳基磺酰基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼基；经取代或未经取代的烷基胺基；经取代或未经取代的芳烷基胺基；经取代或未经取代的芳基胺基；经取代或未经取代的杂芳基胺基；经取代或未经取代的芳基；或者经取代或未经取代的杂环基，并且化学式3中的R1和R2任选地彼此结合形成单环或多环。r为0至2的整数，s为0至30的整数，并且当r和s各自为2或更大时，括弧中的结构彼此相同或不同，并且化学式1至3任选地另外未被取代或被选自以下中的取代基取代：氢；卤素基团；羧酸基；硝基；腈基；酰亚胺基；酰胺基；亚胺基；硫代酰亚胺；酐基；羟基；经取代或未经取代的酯基；经取代或未经取代的硫酯基；经取代或未经取代的硫代羰基酯基；经取代或未经取代的羰基；经取代或未经取代的硫酮基；经取代或未经取代的烷基；经取代或未经取代的环烷基；经取代或未经取代的烷氧基；经取代或未经取代的芳基烷基；经取代或未经取代的芳氧基；经取代或未经取代的烷基硫基；经取代或未经取代的芳基硫基；经取代或未经取代的烷基磺酰基；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李幸根，李志永，李载澈，张松林，崔斗焕，方志原，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR