有机太阳能电池和其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种有机太阳能电池和其制造方法。该方法包括使用纳米压印工艺在光活性层上形成纳米图案，以及在具有纳米图案的光活性层上涂布阴极电极材料，使得阴极电极材料渗入光活性层的纳米图案，从而提高电子导电率并且有效地形成输送电子的通路。该方法可减少由于电子受体材料聚集而造成的光电流损失并且在纳米压印工艺中电子供体的分子取向得以改善，从而可以提高电池效率。此外，可以通过简单的制造工艺低成本地制造高效率的有机太阳能电池。因此，该方法可用于制造使用环境友好和可再生能源的有机太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。更具体地说，本发 明涉及一种制造有机太阳能电池的方法，包括使用纳米压印工艺在有机 太阳能电池的光活性层上形成纳米图案，以及在具有纳米图案的光活性 层上涂布阴极电极材料，使得阴极电极材料渗入光活性层的纳米图案， 从而提高电子导电率并且有效地形成输送电子的通路；还涉及一种通过 上述方法制造的有机太阳能电池。
技术介绍
太阳能电池是一种将太阳光能直接转换成电能的半导体装置，并且 根据所使用材料的种类大致分为硅太阳能电池和有机太阳能电池。由于 硅太阳能电池很难用在太阳能的应用中，因为其中使用的硅昂贵并且其 保存受到限制，所以有机太阳能电池最近正受到重视，因为其具有诸如 制造成本低、易于制造且不需要特殊的真空系统以及可以通过低温工艺 制造柔性装置等优点。特别是，在可以通过诸如旋涂、浸涂或刮涂等溶 液工艺而不需要真空沉积来制造有机太阳能电池的情况下，非常有利于 降低制造成本或简化工艺。为了提高太阳能电池的效率，目前对有机太阳能电池的材料和结构 进行了深入研究。特别是，已知的是使用电子供体和电子受体混合物的 本体异质结型结构表现出最高的效率。然而，本体异质结型结构存在问题，因为作为由于太阳光而形成在诸如导电聚合物等电子供体中的电子和空穴对的激子在聚合物中的扩散距离只有约10 nm，因此它们在上述距离内在未到达电子供体和电子受体之间的界面时会复合并且消失。此外，这种电子供体/受体结构不能在 外部人为确定，而是由溶剂的类型、混合物的组成、旋涂条件、干燥条 件、热处理条件和其他后处理条件决定，并主要取决于导电聚合物的自 组装性能，因此难于制造理想的电子供体/受体结构。此外，在激子于电子供体和电子受体之间的界面处分离成电子和空 穴之后，电子和空穴分别输送到作为阴极的金属电极和作为阳极的透明 电极。为此，电子供体/受体结构应该是双连续的，其中全部电子供体以 连续形式提供并配置成与阳极接触，全部电子受体以连续形式提供并配 置成与阴极接触。然而，电子供体/受体结构不能人为确定，而是取决于 材料混合后的相分离性能，从而不可能获得这种理想结构。事实上，通过旋涂涂布溶解在溶剂中的电子供体和电子受体的混合 物而获得的本体异质结型结构不是其中以连续形式分别提供电子供体和 电子受体的双连续形式。此外，电子供体或电子受体变得成簇，从而取 决于它们的相对量以岛形式提供。另外，在电子供体和电子受体以相近 量混合的情况下，电子供体富集区域构成没有被连接而是被隔离的岛， 对电子导电性产生负面影响。为了解决这个问题，可以采用双层结构。 然而，在这种情况下，电子供体和电子受体之间的界面面积很小，会不 希望地降低效率。图1显示光活性层的理想电子供体/受体结构，其中电子供体以连续 形式提供并配置成与作为阳极的透明电极接触，并且其中电子供体和电 子受体之间的界面面积非常大，电子供体和电子受体之间的界面位于距离电子供体的任何位置均小于10 nm的位置。如图l所示，本体异质结 型结构构造成使得电子供体和电子受体均沿垂直于电极的方排列，以使 光活性产生的电子和空穴的输送距离最小，也使得电子受体以连续形式 提供并配置成与作为阴极的金属电极接触。然而，如图2所示，在实际的本体异质结型结构中，电子供体和电 子受体以海-岛结构的形式相分离，并且电子受体富集的岛结构的尺寸随 工艺条件而不同，包括组成比例、溶剂类型和干燥条件。因此，为了人为控制电子供体/受体结构，已经提出了一种方法，包 括涂布电子供体，对电子供体进行纳米压印，从而形成具有预定的纳米图案结构的电子供体，并在电子供体上沉积电子受体(D.M.N. M. Dissanayake等人，v4p; //e<i尸/zw/cs丄e"ers， 90: 253502， 2007)。这禾中方 法不能形成比激子在聚合物中的扩散距离更短的微图案，因此，激子的 扩散距离相对较长的低分子量有机材料被用作电子受体，来代替使用聚 合物的电子供体。然而，电子受体的沉积不希望地需要昂贵的真空系统 和长的工艺时间，并带来诸如产生的太阳能电池的效率非常低等问题。此外，为了克服这些问题，已经提出了一种方法，包括涂布作为导 电聚合物的电子供体，然后加热进行纳米压印，使得涂布的电子供体聚 合物成为不溶性的，从而防止在随后涂布电子受体时涂布的电子供体溶 解(M.S.Kim等人'J一W尸—'c"e胁s， 90: 123113， 2007)。根据该 方法，因为纳米压印的周期比激子的扩散距离长约500 700 nm，因此与 使用双层结构时相比，产生的太阳能电池的效率略有改善，但与使用本 体异质结型结构时相比，相当程度地下降。此外，由于电子供体成为不 溶性的，因此空穴导电率不希望地降低。因此，为了人为控制使用到目前为止具有最高效率的本体异质结型 结构的电子受体的结构，已经提出了一种利用与纳米压印相似的微接触 印刷工艺的方法，用于使用模具输送特定的有机材料(F.C. Chen等人， 4t^//ed/^yWcs丄e"e^， 93: 023307， 2008)。该方法包括形成自组装单 层，在自组装单层上涂布电子供体和电子受体的混合溶液，并使其干燥， 从而通过与自组装单层的相互作用诱发预定的相分离，这样实现不同于 一般相分离的形状可控的相分离。然而，这种方法仅能够形成尺寸比当 使用纳米压印工艺时更大的图案。当图案的尺寸减小时，很难诱发自组 装单层的相分离。此外，由于在光活性层下形成的自组装单层的原因， 阻力增加，从而限制效率提高。此外，披露了一种使用刷子涂布光活性有机材料从而诱发分子阵列 并提高效率的方法(韩国未经审査的专利公开No. 10-2008-0021413)。该 方法是有利的，因为可以辊到辊(roll-to-roll)方式进行连续工艺，但是分 子取向的程度受到限制，因此难以大幅度提高效率。
技术实现思路
为完成本专利技术，本专利技术者为解决
技术介绍
中遇到的问题进行了广泛 研究，结果发现，当通过使用纳米压印工艺在光活性层上形成纳米图案， 然后在具有纳米图案的光活性层上涂布阴极电极材料，使得阴极电极材料渗入光活性层的纳米图案来制造有机太阳能电池时，光活性层的电子 受体材料的电连接和电子供体材料的取向可以改善，从而提高电子导电 率和空穴导电率，因此获得了比使用本体异质结光活性层的常规有机太 阳能电池更大的功率转换效率。因此，本专利技术提供一种使用纳米压印工艺而具有高功率转换效率的 有机太阳能电池，以及一种制造有机太阳能电池的方法。本专利技术的一个方面是提供一种制造有机太阳能电池的方法，包括 (a)在基底上涂布透明电极材料，从而形成透明电极；(b)在所述透明电 极上涂布溶解在溶剂中的电子供体材料和电子受体材料的混合物，从而 形成光活性层，然后使用纳米压印工艺在所述光活性层上形成图案；和 (C)在图案化的光活性层上涂布阴极电极材料，从而形成阴极电极；还提供一种使用上述方法制造的有机太阳能电池，其包括具有电子供体和电 子受体的本体异质结型结构的光活性层，其中阴极电极材料渗入所述光活性层。本专利技术的另一个方面是提供一种制造有机太阳能电池的方法，包括 (a)在玻璃基底上涂布氧化铟锡，从而形成透明电极；(b)在所述透明电 极上涂布聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造有机太阳能电池的方法，包括：　（ａ）在基底上涂布透明电极材料，从而形成透明电极；　（ｂ）在所述透明电极上涂布溶解在溶剂中的电子供体材料和电子受体材料的混合物，从而形成光活性层，然后使用纳米压印工艺在所述光活性层上形成图案 ；和　（ｃ）在图案化的光活性层上涂布阴极电极材料，从而形成阴极电极。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑喜台，李在宪，金大禹，张泓，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]