專利名稱：包括具有非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的中間層的有機(jī)太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽能電池，其具有由兩種分子成分組成的光敏層，即電子供者與電子受者，以及具有設(shè)置在該光敏層兩側(cè)的電極。
背景技術(shù)：
對(duì)于有機(jī)太陽能電池和光電探測(cè)器(尤其是bulk heterojunctionPolymer-Solarzellen，大容量異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池)，已注意到隨著照明強(qiáng)度的增加并聯(lián)電阻下降。這一現(xiàn)象被稱為光分流(photo-shunt)。光分流導(dǎo)致填充系數(shù)的降低，并因而導(dǎo)致太陽能電池效率的降低。
一種提高串聯(lián)電阻和觸點(diǎn)選擇性的方法在WO 01/84645A1中公開。
但迄今為止尚未有已知的提高并聯(lián)電阻的合適的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提高有機(jī)太陽能電池的并聯(lián)電阻，以減小由于較小的并聯(lián)電阻而產(chǎn)生的損耗。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面提出了一種光電池，其具有一光敏層和兩個(gè)電極，其特征在于在至少一個(gè)電極和該光敏層之間設(shè)置一個(gè)具有非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的中間層。
“非對(duì)稱傳導(dǎo)特性”是指對(duì)于不同的載流子的非對(duì)稱遷移性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過適當(dāng)?shù)剡x擇中間層的材料，特別是對(duì)于有機(jī)太陽能電池來說，無需對(duì)中間層進(jìn)行摻雜。由此可以避免所有如摻雜帶來的穩(wěn)定性問題的缺點(diǎn)，尤其是在有機(jī)層中。
中間層優(yōu)選具有(大)帶間隙，該帶間隙至少等于或大于光敏層的帶間隙。該中間層的帶間隙例如位于1.7～6.1eV(電子伏特)的范圍內(nèi)或優(yōu)選位于2.5～3.7eV范圍內(nèi)。
具有大帶間隙的層優(yōu)選至少是半透明的，或者是完全透明的。
當(dāng)采用這樣的層時(shí)，可以防止一類載流子(電子或空穴電子(即空位或空穴))從一個(gè)電極傳到另一個(gè)電極。由此可以極大地提高并聯(lián)電阻(至少對(duì)于一類載流子)。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，光電池具有分別設(shè)置在兩個(gè)電極和光敏層之間的中間層，該中間層具有大的帶間隙和非對(duì)稱傳導(dǎo)特性。
具有大帶間隙的層基本上是透明的，或至少是半透明的?！胺菍?duì)稱傳導(dǎo)特性”是指對(duì)于不同載流子的非對(duì)稱遷移性。當(dāng)采用兩個(gè)這樣的層時(shí)，一層可以傳輸電子，而另一層傳輸空穴電子。通過串聯(lián)連接這兩個(gè)層，可以對(duì)兩類載流子都極大地提高并聯(lián)電阻。由此可以防止兩類載流子從一個(gè)電極傳至另一個(gè)電極。由此也減小了由于少數(shù)載流子在電極中重新組合而帶來的損耗。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施方式中，光敏層具有包含電子供者的區(qū)域和包含電子受者的區(qū)域。該電子受者區(qū)域配有陰極。該光電池的特征在于，中間層設(shè)置在該電子受者區(qū)域和陰極之間，并具有使電流主要經(jīng)電子傳導(dǎo)的材料。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，光敏層具有包含電子供者的區(qū)域和包含電子受者的區(qū)域。該電子供者區(qū)域配有陽極。該光電池的特征在于，中間層設(shè)置在該電子供者區(qū)域和陽極之間，并具有使電流主要經(jīng)空穴電子(空穴，正電荷)傳導(dǎo)的材料。
由此，為電極或活躍的層設(shè)置了傳導(dǎo)特性的非對(duì)稱性。這意味著，在陰極和電子受者區(qū)域之間設(shè)置了電子傳導(dǎo)層。這還意味著在陽極和電子供者區(qū)域之間設(shè)置了空穴電子傳導(dǎo)層。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在電子受者和陰極之間傳導(dǎo)電子的中間層包括TiO2或C60。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，光電池的特征在于傳導(dǎo)空穴電子的中間層包括PEDOT。PEDOT(Poly-3，4-ethylendioxythiophen)是導(dǎo)電聚合物，其基于通過二醚鍵聚合而成的雜環(huán)噻吩。
根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，傳導(dǎo)電子的中間層的傳導(dǎo)帶與電子受者的最高占用分子軌道一致。由此避免了在中間層和電子受者區(qū)域之間形成給太陽能電池的性能和效率帶來負(fù)面影響的電勢(shì)差。
本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式的特征在于，傳導(dǎo)空穴電子(空穴)的中間層的傳導(dǎo)帶與電子供者的最低未占用分子軌道一致。由此避免了在中間層和電子供者區(qū)域之間形成給太陽能電池的性能和效率帶來負(fù)面影響的電勢(shì)差。
按照本發(fā)明，優(yōu)選光電池是有機(jī)光電池。


以下借助附圖描述本發(fā)明，圖中示出圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的太陽能電池的截面視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的太陽能電池的剖面。該太陽能電池坐落在載體材料或者說基底4上?；?可以是玻璃、塑料、晶體等材料制成的?；?用爆破線6表示，以示對(duì)于本發(fā)明來說基底4的厚度是不重要的，并且是可變的?；變H用于使太陽能電池具有相應(yīng)的機(jī)械穩(wěn)固性以及必要時(shí)提供表面保護(hù)?；椎某蚬馊肷涞囊幻嫱坑蟹婪瓷鋵?，以避免因反射造成的損耗。
基底上的第一層8是太陽能電池的電極。該電極是陰極還是陽極并不重要。
在此不加限制地假設(shè)，光從下面透過基底4入射進(jìn)所示的太陽能電池。因此，第一電極8例如應(yīng)由Al、CU、...ITO(Indium-tin-oxide銦錫氧化物)等等構(gòu)成。需注意的是，朝向光入射的電極(在此為電極8)優(yōu)選為透明或半透明的和/或具有柵格結(jié)構(gòu)。
為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)設(shè)置在基底4上的電極8是陰極。在該陰極上敷設(shè)了具有大帶間隙和非對(duì)稱傳導(dǎo)特性(即由于(剩余)電子的運(yùn)動(dòng)而帶來的傳導(dǎo)特性)的第一中間層10。由于大的帶間隙，該材料是基本透明或至少的半透明的。只有電子能夠通過該中間層運(yùn)動(dòng)。在此，可以這樣選擇第一中間層10的材料和大小，使得它們與活躍層以及電子受者的特性相匹配。在有機(jī)太陽能電池中，這可以通過將帶間隙與電子受者的最高占用分子軌道相匹配來實(shí)現(xiàn)。
可以這樣選擇中間層10的其它特性，如厚度和折射率，使得中間層10起電極8和后續(xù)層之間的防反射層的作用。
應(yīng)注意的是，朝向光入射的中間層10特別是電極8具有柵格結(jié)構(gòu)。
中間層10由活躍層本身覆蓋?；钴S層12的組成對(duì)于本發(fā)明來說不重要?；钴S層通常具有包含電子供者的區(qū)域16和包含電子受者的區(qū)域14，這兩個(gè)區(qū)域例如通過耗盡層來互相混合和/或相互連接。在活躍層中通過光入射產(chǎn)生的載流子(電子-空穴對(duì))分別被分離地吸入相交界的層中。
活躍層例如可以由經(jīng)典的具有pn結(jié)的非晶半導(dǎo)體構(gòu)成。但在本發(fā)明中對(duì)于有機(jī)太陽能電池非常具有優(yōu)點(diǎn)的例如是采用P3HT/PBCM、CuPc/PTCBI、ZNPC/C60，或配對(duì)的聚合物組分和填充物組分。
在所示的太陽能電池中，活躍層12的朝向基底的一側(cè)14配有電子受者，而背向基底的一側(cè)16配有電子供者。
在活躍層12之上、在電子供者一側(cè)16是具有大帶間隙和非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的第二中間層18。第二中間層18的傳導(dǎo)特性基于空穴電子的運(yùn)動(dòng)性。同樣，該材料由于大帶間隙而基本透明或至少是半透明的。只有空穴電子可以通過該中間層運(yùn)動(dòng)。在此，可以這樣選擇第二中間層18的材料和大小，使得它們與活躍層的特性以及電子供者的特性相匹配。在有機(jī)太陽能電池中，這可以通過將中間層的帶間隙與電子供者的最低未占用分子軌道相匹配來實(shí)現(xiàn)。
總之，由于兩個(gè)串聯(lián)連接的非對(duì)稱傳導(dǎo)的中間層10和18，電子和空穴電子都不能直接從一個(gè)電極傳到另一個(gè)電極，因?yàn)榈谝恢虚g層或第二中間層呈現(xiàn)為不能穿透的障礙。因此沒有載流子可以從一個(gè)電極到另一個(gè)電極。由此，相對(duì)于常規(guī)構(gòu)造的太陽能電池提高了并聯(lián)電阻，并由此提高了太陽能電池的效率。
可以這樣選擇中間層18的其它特性，如厚度和折射率，使得中間層18構(gòu)成活躍層12和后續(xù)層之間的防反射層。這尤其對(duì)于光級(jí)聯(lián)電池或多電池是具有優(yōu)點(diǎn)的。
可以這樣選擇中間層18的其它特性，如厚度和折射率，使得中間層18(與隨后的電極一起)構(gòu)成活躍層12和后續(xù)層之間的反射層。這尤其對(duì)于光單電池是具有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)榇┻^活躍層的光在反射之后可以再次在耗盡層中產(chǎn)生載流子對(duì)。
背向光入射的中間層(根據(jù)實(shí)施情況為10或18)不必是透明或半透明的。這意味著背向光入射的中間層的帶間隙不必很大。
而朝向光入射的中間層(根據(jù)實(shí)施情況為10或18)則必須是透明或至少是半透明的，以使得入射光能夠傳至活躍層。這意味著朝向光入射的中間層的帶間隙必須至少與朝向光入射的活躍層材料的帶間隙一樣大。
在第二中間層18之后是電極層20，其在本例中是陽極。該陽極的電極材料在目前的實(shí)施方式中例如由Ag、Au、Al、CU、...ITO等等構(gòu)成。由于在當(dāng)前實(shí)施方式中該陽極是背向光入射的，因此對(duì)其就厚度、透明性或任何其它制約而言沒有任何限制。此外，該陽極還可以由保護(hù)層(未示出)覆蓋。
波形箭頭22表明光入射方向。
當(dāng)然，太陽能電池還可以相反地構(gòu)建在例如不透明的基底4上，此時(shí)光可以從上面入射。但這樣的“反向”結(jié)構(gòu)帶來的缺點(diǎn)是，朝向光入射的結(jié)構(gòu)和層受到環(huán)境的影響(如空氣中的氧、灰塵等)，這使太陽能電池會(huì)很快損壞或無法使用。
在一種“反向”結(jié)構(gòu)中，防反射層2例如設(shè)置在太陽能電池的另一側(cè)。
本發(fā)明也可以用于常規(guī)的單晶或多晶太陽能電池。在此，也將中間層10、18設(shè)置在電極和活躍層之間。
本發(fā)明使太陽能電池和光探測(cè)器的并聯(lián)電阻得以提高。由此降低了“光分流”效應(yīng)，并由此提高了填充系數(shù)并進(jìn)而提高了太陽能電池的效率。由此也使二極管的理想特性上升。
本發(fā)明基于對(duì)不同的載流子采用具有大帶間隙和非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的中間層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于，無需對(duì)中間層進(jìn)行摻雜，并由此回避了在有機(jī)材料中摻雜所帶來的穩(wěn)定性難題。
中間層既可以從氣相也可以從溶液中分離出來，這使得中間層的處理和制造成本很低。
在采用介于電極和光敏半導(dǎo)體層之間、具有大帶間隙(能帶隙)和強(qiáng)非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的(半)透明層時(shí)應(yīng)注意，在活躍層和陰極之間設(shè)置具有高電子遷移性的層，而在活躍層和陽極之間設(shè)置具有高空穴(空穴電子)遷移性的層。還應(yīng)注意，將具有高電子遷移性的層的傳導(dǎo)帶與電子受者的最高占用分子軌道匹配，而將具有高空穴遷移性的層的價(jià)帶與電子供者的最低未占用分子軌道匹配。
在中間層具有足夠的載流子遷移性時(shí)，無需另外摻雜。
此外，至少兩個(gè)中間層的帶間隙可以是不同的。還可以理解，具有多個(gè)中間層的構(gòu)造也落入本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)，因?yàn)檫@樣的多中間層可以視為一個(gè)“聯(lián)合中間層”。此外，清楚的是，本發(fā)明當(dāng)然也可以用于級(jí)聯(lián)或多太陽能電池。在考察各太陽能電池層以及級(jí)聯(lián)太陽能電池時(shí)，所有可能的具有至少一個(gè)介于光敏層和電極之間的中間層的組合，以及具有介于每個(gè)光敏層和每個(gè)電極之間的中間層的構(gòu)造也都落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
通過中間層的非對(duì)稱傳導(dǎo)特性僅對(duì)一種載流子禁止構(gòu)成穿越導(dǎo)通路徑。由此提高了并聯(lián)電阻。由此也同時(shí)降低了少數(shù)載流子分別到達(dá)另一電極并因此通過金屬電極中相反電荷的載流子的重新組合而帶來損耗的可能性。
權(quán)利要求
1.一種光電池，其具有一光敏層和兩個(gè)電極，其特征在于，在至少一個(gè)電極和該光敏層之間設(shè)置一個(gè)具有非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的中間層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電池，其特征在于，在所述兩個(gè)電極的每一個(gè)與所述光敏層之間設(shè)置一個(gè)具有非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的中間層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電池，其特征在于，所述中間層具有帶間隙，該帶間隙大于或等于所述光敏層的帶間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的光電池，其特征在于，所述中間層是半透明的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的光電池，其中，所述光敏層具有包含電子供者的區(qū)域和包含電子受者的區(qū)域，其中，為該電子受者區(qū)域配置陰極，其特征在于，所述中間層設(shè)置在該電子受者區(qū)域和陰極之間，并具有一種使電流主要經(jīng)電子傳導(dǎo)的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電池，其特征在于，所述傳導(dǎo)電子的中間層包括TiO2或C60。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光電池，其特征在于，所述傳導(dǎo)電子的中間層的傳導(dǎo)帶與電子受者的最高占用分子軌道一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的光電池，其中，所述光敏層具有包含電子供者的區(qū)域和包含電子受者的區(qū)域，其中，為該電子供者區(qū)域配置陽極，其特征在于，所述中間層設(shè)置在該電子供者區(qū)域和陽極之間，并具有一種使電流主要經(jīng)空穴電子傳導(dǎo)的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的光電池，其特征在于，所述傳導(dǎo)空穴電子的中間層包括PEDOT。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的光電池，其特征在于，所述傳導(dǎo)空穴電子的中間層的價(jià)帶與電子供者的最低未占用分子軌道一致。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的光電池，其特征在于，該光電池是有機(jī)光電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽能電池，其具有由兩種分子成分組成的光敏層，即電子供者與電子受者，以及具有設(shè)置在該光敏層兩側(cè)的電極，其中，在至少一個(gè)電極和光敏層之間設(shè)置一個(gè)具有非對(duì)稱傳導(dǎo)特性的中間層。
文檔編號(hào)H01L51/46GK1806349SQ200480016401
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
發(fā)明者克里斯托弗·布拉貝克, 克里斯托弗·沃爾多夫 申請(qǐng)人:科納卡技術(shù)股份有限公司