包含电子传导激子阻挡层的有机光伏电池制造技术

本公开涉及光敏光电器件，所述光敏光电器件包含位于受体材料与负极之间的复合阻挡层，所述复合阻挡层包含：至少一种电子传导材料和至少一个宽能隙电子传导激子阻挡层。例如，3,4,9,10-苝四甲酸双苯并咪唑（PTCBI）和1,4,5,8-萘四甲酸二酐（NTCDA）在插入到所述受体层与负极之间时充当电子传导和激子阻挡层。两种材料都充当有效的电子导体，导致填充因子高达0.70。与使用常规阻挡层的类似器件相比，通过使用NTCDA/PTCBI复合阻挡层结构，实现了功率转化效率的提高，所述常规阻挡层显示出经由损坏诱导的中间能隙态来传导电子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含电子传导激子阻挡层的有机光伏电池相关申请的交叉参考本申请要求2011年2月21日提交的美国临时申请号61/444,899和2011年4月26日提交的美国临时申请号61/479，237的优先权权益，该两个申请通过参考以其全文并入本文中。关于联邦资助研究的声明本专利技术是在由美国能源部授予的DE-SC00000957和DE-SC0001013两者下得到美国政府资助而做出的。美国政府在本专利技术中享有一定的权利。联合研究协议要求保护的专利技术由以下各方中的一个或多个、代表以下各方中的一个或多个和/或与以下各方中的一个或多个合作根据大学-公司联合研究协议做出:密歇根大学(University of Michigan)和全球光电能源公司(Global Photonic EnergyCorporation)。所述协议在本专利技术做出之日及做出之前就已生效，并且正是由于在所述协议范围内采取的行动，才做出了所要求保护的专利技术。
本公开总体上涉及光敏光电器件，所述光敏光电器件包含至少一个阻挡层，例如电子传导、激子阻挡层。本公开还涉及使用本文中所述的至少一个阻挡层提高光敏光电器件中的功率转化效率的方法。本文公开的器件的电子传导、激子阻挡层可以提供改善的性能特性，例如提高的开路电压、短路电流、填充因子或功率转化效率。
技术介绍
光电器件依靠材料的光学和电子学性质来以电子方式产生或检测电磁福射，或者从环境电磁福射产生电。光敏光电器件将电磁福射转化成电。太阳能电池，也被称作光伏(PV)器件,是一类被特别用于产生电功率的光敏光电器件。PV器件可以从阳光以外的光源产生电能，可用于驱动消耗电力的负载以提供例如照明、取暖，或者向电子电路或装置例如计算器、收音机、计算机或远程监控或通信设备提供电力。这些发电应用通常还包括为电池或其它能量存储装置充电，以便当来自太阳或其它光源的直接光照不可用时能够继续运行，或者按照具体应用的要求平衡PV器件的功率输出。在本文中使用时，术语“电阻性负载”指的是任何消耗或储存电力的电路、装置、设备或系统。另一种类型的光敏光电器件是光电导体电池。在这种功能中，信号检测电路监测器件的电阻以检测由于光吸收引起的变化。另一种类型的光敏光电器件是光检测器。在操作中，光检测器与电流检测电路联合使用，所述电流检测电路测量当所述光检测器暴露于电磁辐射并可能具有施加的偏压时所产生的电流。本文描述的检测电路能够向光检测器提供偏压并测量光检测器对电磁辐射的电子响应。可以根据是否存在下面定义的整流结，并且也可以根据所述器件是否在也被称作偏压或偏置电压的外加电压下运行，对这三类光敏光电器件进行表征。光电导体电池不具有整流结并且通常在偏压下运行。PV器件具有至少一个整流结并且不在偏压下运行。光检测器具有至少一个整流结并且通常但不总是在偏压下运行。作为一般规则，光伏电池向电路、装置或设备提供电力，但不提供信号或电流以控制检测电路或者从所述检测电路输出信息。相反，光检测器或光电导体提供信号或电流以控制检测电路或者从所述检测电路输出信息，但不向电路、装置或设备提供电力。传统上，光敏光电器件由很多无机半导体构成，所述无机半导体例如晶体硅、多晶硅和无定形硅、砷化镓、碲化镉等。在本文中，术语“半导体”指的是当热激发或电磁激发诱导产生电荷载流子时能够导电的材料。术语“光电导”通常指的是其中电磁辐射能量被吸收并由此被转化为电荷载流子的激发能，从而使得所述载流子可以在材料中传导即传输电荷的过程。术语“光电导体”和“光电导材料”在本文中用于指称由于其吸收电磁辐射以产生电荷载流子的性质而被选择的半导体材料。可以通过PV器件将入射的太阳能功率转化为有用的电功率的效率对所述PV器件进行表征。利用晶体硅或无定形硅的器件在商业应用中占主导地位，其中一些已经达到23%以上的效率。然而，由于在生产没有显著的效率降低缺陷的大晶体中固有的问题，生产基于晶体的高效器件特别是表面积大的器件是困难且昂贵的。另一方面，高效率的无定形硅器件仍然存在稳定性问题。目前可商购的无定形硅电池具有在4%和8%之间的稳定效率。更多近期的努力集中在使用有机光伏电池来获得可接受的光电转化效率和经济的生产成本 。可以对PV器件进行优化以便在标准光照条件(即，标准试验条件:1000W/m2，AMl.5光谱光照)下产生最大电功率，以便得到光电流与光电压的最大乘积。在标准光照条件下，这样的电池的功率转化效率取决于以下三个参数:(I)零偏压下的电流，即短路电流Isc，单位为安培，(2)开路条件下的光电压，即开路电压\c，单位为伏特，以及(3)填充因子FF。当PV器件跨负载连接并被光照射时，它们产生光生电流。当在负载无限大的条件下被照射时，PV器件产生其最大可能电压，或vre。当在其电触点短路的情况下被照射时，PV器件产生其最大可能电流，1^@或Isc。当被实际用于产生电力时，PV器件被连接于有限的电阻性负载，功率输出由电流和电压的乘积IX V给出。PV器件产生的最大总功率注定不能超过IseXVtj。乘积。当对负载值进行优化以获得最大功率提取时，电流和电压分别具有1-和Vmax值。PV器件的品质因数是填充因子FF，其被定义为:FF= UmaxVnJ/{ISCVQC} (I)其中FF总是小于1，因为在实际应用中永远不能同时获得Is。和Vre。尽管如此，当FF在最佳条件下接近I时，所述器件具有较少的串联或内部电阻，因此向负载递送较高百分率的Is。和Vre乘积。如果Pin。是入射到器件上的功率，那么所述器件的功率效率nP可以根据下式计算:n P=FF* (ISC*V0C) /Pinc当适当能量的电磁辐射入射到有机半导体材料例如有机分子晶体(OMC)材料或聚合物上时，光子能够被吸收而产生激发的分子态。这用符号表示为SfhvWS#。此处，Stl和Stl*分别是指分子的基态和激发态。这种能量吸收与促进电子从处于最高占据分子轨道(HOMO)能级的束缚态(其可以是B-键)到最低未占据分子轨道(LUMO)能级(其可以是B*-键)相关，或等价地，与促进空穴从LUMO能级到HOMO能级相关。在有机薄膜光电导体中，通常认为所产生的分子态为激子，即作为准粒子来传输的处于束缚态的电子-空穴对。在成对复合之前，激子可以具有可观的寿命，所述成对复合是指原始的电子和空穴彼此复合的过程，这不同于与来自其它对的空穴或电子复合。为了产生光电流，电子-空穴对被分开，典型地是在两个不同的接触有机薄膜之间的供体-受体界面处。如果电荷不分开，则它们可以在成对复合过程中以辐射的方式通过发射比入射光的能量更低的光，或以非辐射的方式通过产生热而复合，所述成对复合过程也称作淬灭。在光敏光电器件中，这些结果中的任一种都是不希望的。电场或在触点处的不均匀性会使得激子在供体-受体界面处淬灭而不是解离，导致对电流无净贡献。因此，希望使光生激子保持远离于触点。这具有限制激子扩散到结附近的区域的效果，以致相关的电场具有更大的机会来将由结附近的激子解离而释放的电荷载流子分开。为了产生占据大量容积的内生电场，常用方法是并置两层材料，所述材料具有适当选择的传导性，特别是就其分子的量子能态分布方面进行适当选择的传导性。这两种材料的界面被称为光伏异质结。在传统半导体理论中，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
有机光敏光电器件，其包含：两个电极，所述两个电极包含处于叠置关系的正极和负极；在所述两个电极之间的光活性区；以及传导电子并阻挡激子的阻挡区，其中所述阻挡区包含位于所述光活性区与所述负极之间的至少一种有机材料，所述有机阻挡区包含至少一种电子传导材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.21 US 61/444,899;2011.04.26 US 61/479,2371.有机光敏光电器件，其包含: 两个电极，所述两个电极包含处于叠置关系的正极和负极； 在所述两个电极之间的光活性区；以及 传导电子并阻挡激子的阻挡区，其中所述阻挡区包含位于所述光活性区与所述负极之间的至少一种有机材料，所述有机阻挡区包含至少一种电子传导材料。2.权利要求1的器件，其中所述光活性区包含至少一种供体材料和至少一种受体材料。3.权利要求2的器件，其中至少一种受体具有最低未占据分子轨道能(LUM0-1)，并且至少一种电子传导激子阻挡层具有最低未占据分子轨道能(LUM0-2)，其中将LUMO-1和LUM0-2对齐以允许电子从所述受体材料直接传输到所述负极。4.权利要求3的器件，其中第一最低未占据分子轨道能与第二最低未占据分子轨道能之间的能隙不大于0.3eV。5.权利要求2的器件，其中所述至少一种供体材料包含方酸菁(SQ)、氯化硼亚酞菁(SubPc )、铜酞菁(CuPc )、氯-铝酞菁(ClAlPc )、聚3-己基噻吩(P3HT )、锡酞菁(SnPc )、并五苯、并四苯、二茚并茈(DIP)及其组合。6.权利要求2的器件，其 中所述至少一种受体材料为C6(l、C70富勒烯、3，4，9，10-茈四甲酸二酐(PTCDA)、全氟铜酞菁(F16-CuPc )、PCBM、PC70BM及其组合。7.权利要求1的器件，其中所述至少一种电子传导材料包含3，4，9，10-茈四甲酸双苯并咪唑(PTCBI)。8.权利要求1的器件，其中所述阻挡区还包含至少一种宽能隙电子传导激子阻挡材料。9.权利要求8的器件，其中所述至少一种宽能隙电子传导激子阻挡材料包含1,4,5, 8-萘四甲酸二酐(NTCDA)。10.权利要求1的器件，其中所述阻挡区的厚度在IO-1OOnm的范围内。11.权利要求1的器件，其中所述至少一种电子传导材料的厚度在2-10nm的范围内。12.权利要求8的器件，其中所述至少一种宽能隙电子传导激子阻挡材料的厚度在5-100nm的范围内。13.权利要求1的器件，其中所述阻挡区包含电子传导材料和宽能隙电子传导激子阻挡材料，所述电子传导材料包含3，4，9，10-茈四甲酸双苯并咪唑(PTCBI)，所述宽能隙电子传导激子阻挡材料包含1，4，5，8-萘四甲酸二酐(NTCDA)。14.权利要求13的器件，其中NTCDA的厚度在5-100nm的范围内，并且PTCBI的厚度最高为5nm。15.权利要求1的器件，其中所述器件为有机光检测器。16.权利要求15的器件，其中所述有机光检测器是表现出至少一种以下性质的有机太阳能电池: -填充因子大于0.62 ； -在I个太阳AM1.5G光照下至少5.0%的光谱校正的功率转化效率；或 -短路电流为至少7.5mA/cm2。17.权利要求1的器件，其中至少一个电极包含透明传导氧化物、薄金属层或透明传导聚合物。18.权利要求17的器件，其中传导氧化物选自铟锡氧化物(ITO)、锡氧化物(TO)、镓铟锡氧化物(GIT0)、锌氧化物(ZO)以及锌铟锡氧化物(ZIT0)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·R·弗里斯特，布莱恩·E·拉希特，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：
国别省市：