包括金属纳米结构复合层的串联有机光伏器件制造技术

一种对于将两个单个有机光伏器件(600)耦接以提供串联有机光伏器件有用的中间层(110)包含第一空穴传输层(114)、第一电子传输层(112)和插入在第一空穴传输层(114)与第一电子传输层(112)之间的金属纳米结构层(116)。金属纳米结构层(116)为电子和空穴提供有效的复合点。金属纳米结构层(116)可以包含银纳米线，提供卓越的光学特性并且允许使用低温、基于溶液的、对下部层没有负面影响的工艺形成金属纳米结构层(116)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括金属纳米结构复合层的串联有机光伏器件背景
本专利技术涉及有机光伏器件，且特别涉及用于与串联有机光伏器件一起使用的中间层。
技术介绍
随着越来越重视碳中性能源生产，且假设地球接收的太阳能充分供应，光伏作为一种有吸引力的能源正获得关注。目前，基于晶片的结晶硅技术和工艺制造了绝大多数的光伏器件，诸如太阳能电池。最近在有机光伏方面的开发、特别是在使用有机半导体的基于薄膜的有机光伏器件的开发已经表明具有提高的效率，有时会实现高于10％的效率。特别是当与更常规的基于硅晶片的光伏相比时，由于有机光伏器件诸如有机太阳能电池相对易于处理、具有固有的物理柔性(inherentphysicalflexibility)、和大太阳能收集器件的潜在的低制造成本，因此有机光伏器件诸如有机太阳能电池是有吸引力的。与由于半导体中固有的电场的缘故而发生电荷分离的常规基于半导体的光伏器件相比，在有机光伏中，在包括与电子受主材料(即，电子传输层或“ETL”)组合的电子施主材料(即，空穴传输层或“HTL”)的活性层中发生电荷分离。在有机光伏的活性层中，具有至少等于最高占有分子轨道与最低未占有分子轨道之间能量差的能级的入射光子(incidentphoton)可导致形成激子，束缚电子/空穴对(boundelectron/holepair)。很大程度上，有机光伏的效率依赖于分离或离解形成激子的电子和空穴对。一旦离解了，在单层有机光伏电池(即，仅包括阳极、活性层和阴极的有机光伏)中，活性层分别传输一部分离解的空穴和电子至电池阴极和阳极，以提供电输出。有机光伏器件的功率转换效率(powerconversionefficiency,“PCE”)至少部分地依赖于活性层中使用的电子施主的吸收波谱。具有狭窄吸收波谱的电子施主一般会引起降低的短路电流密度(JSC)。有机光伏器件的PCE也依赖于热化损失(thermalizationloss)，该热化损失归因于超出最高占有分子轨道和最低未占有分子轨道之间的能量差的光子所承载的能量。当过多的光子能量转化为活性层中的热能(即，热)时发生这种热化损失。这种在活性层中的热能或者加热往往降低由有机光伏器件产生的开路电压(VOC)。因此，本领域中仍存在通过加宽这种有机光伏器件中使用的活性层的吸收波谱同时降低这种有机光伏器件中的热化损失来提高有机光伏器件的功率转换效率的需求。
技术实现思路
串联有机光伏器件叠置电串联或并联连接的具有补充吸收波谱的两个或更多个有机光伏器件。这种结构加宽了串联器件的吸收波谱，从而增加了短路电流密度(JSC)同时降低了热化影响，从而增加了由串联有机光伏器件产生的开路电压(VOC)。在构造实际串联有机光伏器件中的主要挑战是用于耦接形成串联有机光伏器件的两个单个有机光伏器件的中间层。中间层通常位于第一有机光伏器件的活性层与第二有机光伏器件的活性层之间。通常地，最希望中间层非常透明、导电、和充分稳健(robust)以保护有机光伏器件的下部层。由于形成有机光伏器件的很多下部层是热敏感的，因此优选在低温进行创建中间层所需的处理步骤，例如经由溶液处理或类似的方式，而不是通过热沉积工艺。本文描述了包括一个或多个透明或半透明层的实例性光学叠层。示范性的光学叠层可以包括形成至少一部分的第一表面的第一空穴传输层、形成至少一部分的第二表面的第一电子传输层。金属纳米结构层包括插入到第一空穴传输层与第一电子传输层之间的多个金属纳米结构。多个金属纳米结构可包括银纳米线(nanowire)、银纳米点(nanodot)或者其任意组合。多条银纳米线中每一个的纵向轴可被布置成平行于或基本平行于第一表面、第二表面、或者第一表面和第二表面两者。多个银纳米点中每一个的纵向轴可被布置成相对于第一表面处于非零角度，相对于第二表面处于非零角度，或者相对于第一表面和第二表面两者处于非零角度。本文描述了实例性串联有机光伏器件。示范性的有机光伏器件包括中间层，该中间层结合了设置在第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间的金属纳米结构层。中间层包括被设置在第一有机光伏器件附近的第一空穴传输层、被设置在第二有机光伏器件附近的第一电子传输层和被设置在第一空穴传输层与第一电子传输层之间的金属纳米结构层。在至少一些实施方案中，金属纳米结构层可包括银纳米线、银纳米点或其组合。令人惊讶的是，当金属纳米线形式的金属纳米结构为并联连接的串联有机光伏器件提供有效电极时，金属纳米点形式的金属纳米结构为串联连接的串联有机光伏器件提供有效复合位置(recombinationsite)。本文也描述了制造串联有机光伏器件的实例性方法。示范性的方法包括具有表面的第一有机光伏器件遍及第一有机光伏器件的该表面全部或一部分形成第一空穴传输层。该方法还包括遍及第一空穴传输层的全部或一部分以第一浓度沉积包括多个金属纳米结构的溶液。该方法另外包括遍及基本上全部的第一空穴传输层拉平(level)沉积的金属纳米结构溶液。该方法还包括遍及拉平的金属纳米结构层的全部或一部分形成第一电子传输层。该方法还包括在形成第一电子传输层之后遍及第一电子传输层的全部或一部分形成第二有机光伏器件。附图说明在附图中，相同参考数字表示相似元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例画出。例如，角度和各元件的形状不按比例画出，且这些元件中的一些元件被任意放大和定位以提高附图易读性。而且，所绘制元件的特定形状并非意在传达与特定元件的实际形状相关的任意信息，且为了在附图中易于识别已经单独选择了元件的这些特定形状。图1绘示了根据本文描述的实施方式具有包括空穴传输层、金属纳米结构层和电子传输层的复合层的单结有机光伏器件。图2A-2C绘示了根据本文描述的实施方式的单结有机光伏器件以及各空穴传输层、金属纳米结构层和电子传输层组合的透射特性。图3A-3I是根据本文描述的实施方式的与各中间层材料组合相关的二和三维原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)图像和高度分布(heightprofile)。图4A-4D绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的有机光伏器件的短路电流密度与开路电压的关系曲线。图5绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的有机光伏器件提供短路电路密度与开路电压特性的图表。图6绘示了根据本文描述的实施方式具有包括空穴传输层、金属纳米结构层和电子传输层的中间复合层的串联有机光伏器件。图7A-7F绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的这样的有机光伏器件的短路电流密度与开路电压的关系曲线以及串联有机光伏器件。图8绘示了根据本文描述的实施方式对于使用各中间层材料组合的串联有机光伏器件提供短路电流密度和开路电压特性的图表。图9绘示了根据本文描述的实施方式形成具有中间层的串联有机光伏器件的举例说明性方法，该中间层包括插入到第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间的金属纳米结构层。图10绘示了根据本文描述的实施方式通过沉积中间层形成串联有机光伏器件的举例说明性方法，该中间层包括插入到第一有机光伏器件与第二有机光伏器件之间的金属纳米结构层。具体实施方式本文在各实施方式中描述了有机光伏器件及其形成方法。应当理解，在这些实施方式每一个中和为了清楚和/或避免本公开内容冗长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学叠层，包括：中间层，所述中间层具有第一表面和相对的第二表面，所述中间层包含：第一空穴传输层，所述第一空穴传输层形成所述第一表面的至少一部分；第一电子传输层，所述第一电子传输层形成所述第二表面的至少一部分；和金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包含以下至少之一：插入到所述第一空穴传输层与所述第一电子传输层之间的多个金属纳米结构，插入到所述第一空穴传输层与所述第一电子传输层之间的低片电阻栅格，或其组合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学叠层，包括：中间层，所述中间层具有第一表面和相对的第二表面，所述中间层包含：第一空穴传输层，所述第一空穴传输层形成所述第一表面的至少一部分；第一电子传输层，所述第一电子传输层形成所述第二表面的至少一部分；和金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包含以下至少之一：插入到所述第一空穴传输层与所述第一电子传输层之间的多个金属纳米结构，插入到所述第一空穴传输层与所述第一电子传输层之间的低片电阻栅格，或其组合。2.如权利要求1所述的光学叠层，还包括第一有机光伏器件，所述第一有机光伏器件包含：第一活性层，所述第一活性层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一活性层对第一波长带的入射电磁辐射敏感；其中所述第一活性层的所述第一表面被设置成接近第二电子传输层；和其中所述第一活性层的所述第二表面被设置成接近所述中间层的所述第一空穴传输层。3.如权利要求2所述的光学叠层，还包括第二有机光伏器件，所述第二有机光伏器件包括：第二活性层，所述第二活性层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述第二活性层对第二波长带的入射电磁辐射敏感；其中所述第二活性层的所述第一表面被设置成接近第二空穴传输层；和其中所述第二活性层的所述第二表面被设置成接近所述中间层第一电子传输层。4.如权利要求3所述的光学叠层，其中所述第二波长带包含所述第一波长带内所不包含的至少一个电磁辐射波长。5.如权利要求3所述的光学叠层，其中所述第二波长带不包含所述第一波长带内所包含的任意电磁辐射波长。6.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米线。7.如权利要求6所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米线包括多个银纳米线。8.如权利要求7所述的光学叠层，其中所述多个银纳米线每一个的纵轴都平行于所述第一表面和所述第二表面。9.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米点。10.如权利要求9所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米点包括多个银纳米点。11.如权利要求10所述的光学叠层，其中所述多个银纳米点每一个的纵轴都处于相对于所述第一表面和所述第二表面测量的非零角度。12.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米线和多个金属纳米点。13.如权利要求12所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米线包括多个银纳米线并且所述多个金属纳米点包括多个银纳米点。14.如权利要求13所述的光学叠层，其中所述多个银纳米线每一个的纵轴都与所述第一表面和所述第二表面平行，并且所述多个银纳米点每一个的纵轴都处于相对于所述第一表面和所述第二表面测量的非零角度。15.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括以下至少之一：多个银纳米点，多个金纳米点，或多个铂纳米点。16.如权利要求15所述的光学叠层，其中所述多个金属纳米结构包括多个金属纳米点，所述多个金属纳米点通过以下至少之一的分解形成：银纳米线的分解，金纳米线的分解，或铂纳米线的分解。17.如权利要求16所述的光学叠层，其中所述银纳米线的分解包括银纳米线的化学分解；其中所述金纳米线的分解包括金纳米线的化学分解；以及其中所述铂纳米线的分解包括铂纳米线的化学分解。18.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述第一空穴传输层包括以下至少之一：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(“PEDOT:PSS”)或氧化钨(“WO3”)。19.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述第一电子传输层包括氧化锌(“ZnO”)。20.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述中间层包括金属纳米结构层，所述金属纳米结构层对于落入到从约400纳米(nm)至约600nm波长范围内的电磁辐射具有至少约99％的透射率。21.如权利要求1所述的光学叠层，其中所述中间层包括对落入到从约400纳米(nm)至约600nm波长范围内的电磁辐射具有至少约85％透射率的层。22.一种提供串联有机光伏器件的方法，包括：遍及表面的全部或一部分形成第一空穴传输层，所述表面至少包含第一有机光伏器件；遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分沉积金属纳米结构层，所述金属纳米结构层包含以下至少之一：包含多个金属纳米结构的溶液，低片电阻栅格，或其组合；遍及实质上全部的空穴传输层拉平沉积的金属纳米结构层，以提供拉平的金属纳米结构层；遍及拉平的金属纳米结构层的全部或一部分形成第一电子传输层；和遍及所述第一电子传输层的全部或一部分形成第二有机光伏器件。23.如权利要求22所述的方法，其中在至少包含第一有机光伏器件的所述表面上沉积所述第一空穴传输层包括：遍及形成至少一部分所述表面的氧化铟锡(“ITO”)基板层的至少一部分沉积第二电子传输层；遍及所述第二电子传输层的全部或一部分沉积第一活性层，所述第一活性层包含聚(3-己基噻吩)(“P3HT”)聚合物和苯基-C61-丁酸甲酯(“PCBM”)聚合物；和遍及所述第一活性层的至少一部分沉积所述第一空穴传输层。24.如权利要求23所述的方法，其中遍及所述第一活性层的至少一部分沉积所述第一空穴传输层包括：遍及所述第一活性层的至少一部分以实质上均匀的厚度沉积空穴传输材料，所述空穴传输材料包括以下至少之一：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(“PEDOT:PSS”)化合物或氧化钨(“WO3”)化合物。25.如权利要求22所述的方法，其中遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分沉积包含多个金属纳米结构的溶液包括：遍及所述第一空穴传输层的全部或一部分把包含悬浮金属纳米线的溶液沉积成具有实质上均匀厚度的层。26.如权利要求22所述的方法，其中遍及所述第一空穴传输层的全部或部分沉积包含多个金属纳米结构的溶液包括：用比例从按体积计约1份金属纳米线墨水与按体积计5份异丙醇之比到按体积计约1份金属纳米线墨水与按体积计10份异丙醇之比的异丙醇稀释含水金属纳米线墨水，以提供稀释的纳米线墨水，所述含水金属纳米线墨水包含从约0.1重量百分比(wt.％)至约5％wt.％悬浮银纳米线；遍及所述第一空穴传输层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，约翰拿·克兰兹，托比亚斯·斯度班，佛罗瑞安·玛邱伊，塔叶贝·阿麦里，克里斯多夫·布拉贝克，
申请(专利权)人：凯姆控股有限公司，
类型：发明
国别省市：维尔京群岛,VG