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TW201411900A - 包含經溶液及真空沉積活性層之多接面有機光伏打裝置 - Google Patents

包含經溶液及真空沉積活性層之多接面有機光伏打裝置 Download PDF

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TW201411900A
TW201411900A TW102125970A TW102125970A TW201411900A TW 201411900 A TW201411900 A TW 201411900A TW 102125970 A TW102125970 A TW 102125970A TW 102125970 A TW102125970 A TW 102125970A TW 201411900 A TW201411900 A TW 201411900A
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organic photovoltaic
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small molecular
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Stephen R Forrest
Brian Lassiter
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Univ Michigan
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Abstract

本發明揭示一種有機光伏打裝置，其包括至少一個包含至少一種藉由溶液加工沉積之第一小分子量材料之第一子電池，及至少一個包含至少一種藉由真空蒸鍍沉積之第二小分子量材料之第二子電池。本文亦揭示一種製造有機光伏打裝置之方法，該有機光伏打裝置包括至少一個包含至少一種第一小分子量材料之第一子電池及至少一個包含至少一種第二小分子量材料之第二子電池，該方法包括藉由溶液加工沉積至少一種第一小分子量材料；及藉由真空蒸鍍沉積至少一種第二小分子量材料。

Description

包含經溶液及真空沉積活性層之多接面有機光伏打裝置 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2012年7月19日申請之美國臨時申請案第61/673,604號之權利，該案之全文以引用的方式併入本文中。
關於聯邦政府資助研究的聲明
本發明係在美國政府支持下，依據空軍科學研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)頒布之第FA9550-10-1-0339號合同及美國能源部(U.S.Department of Energy)頒布之DE-EE0005310之規定進行。政府在本發明中享有一定權利。
聯合研究協議
本發明之主題內容係依據大學-公司聯合研究協議，藉助代表及/或連同以下團體中之一或多者所作：密西根大學(University of Michigan)及全球光子能量公司(Global Photonic Energy Corporation)。該協議係自製得本發明之主題內容之日或之前起生效，且該協議係依據在該協議範圍內所進行之活動而制訂。
揭示一種有機光伏打裝置(OPV)，其包括至少一個包含至少一種藉由溶液加工沉積之第一小分子量材料之第一子電池及至少一個包含至少一種藉由真空蒸鍍沉積之第二小分子量材料之第二子電池。本文亦揭示其製造方法。
光電子裝置仰賴材料之光學及電子性質來以電子方式產生或檢測電磁輻射或自環境電磁輻射生成電力。
光敏光電子裝置將電磁輻射轉化為電力。太陽能電池(亦稱為光伏打(PV)裝置)係一類特定用以產生電能之光敏光電子裝置。可使用可自除陽光外之光源產生電能之PV裝置來驅動用電負荷，以提供(例如)照明、加熱，或為電子電路或裝置(諸如計算器、收音機、電腦或遠程監控或通信設備)提供動力。此等發電應用通常亦涉及為蓄電池或其他能量儲存設備充電，以便在無法自太陽或其他光源獲得直接照明時可繼續操作，或依據具體應用要求平衡PV裝置之功率輸出。如本文所用，術語「電阻性負載」係指任何耗電或儲電電路、裝置、設備或系統。
另一類光敏光電子裝置為光電導體電池。在該功用中，訊號檢測電路監控該裝置之電阻，以檢測由吸收光所引起之變化。
另一類光敏光電子裝置為光電偵測器。在操作中，光電偵測器係與測量當光電偵測器曝露至電磁輻射時所產生之電流，且可具有外加偏壓之電流檢測電路配合使用。如本文所述之檢測電路能為光電偵測器提供偏壓，且能測量該光電偵測器對電磁輻射之電子反應。
此三類光敏光電子裝置可根據是否存在如下所定義之整流接面，及亦根據該裝置是否以外加電壓(亦稱為偏壓)操作來表徵。光電導體電池不具有整流接面，且通常以偏壓操作。PV裝置具有至少一個整流接面，且不以偏壓操作。光電偵測器具有至少一個整流接面，且通常但並非總是以偏壓操作。一般而言，光伏打電池為電路、裝置或設備提供動力，但不為控制檢測電路提供訊號或電流，或提供來自檢測電路之資訊輸出。相對地，光電偵測器或光電導體為控制檢測電路提供訊號或電流，或提供來自該檢測電路之資訊輸出，但不為電路、裝置或設備提供動力。
傳統上，光敏光電子裝置係由許多無機半導體(例如，結晶矽、多晶矽及非晶矽、砷化鎵、碲化鎘等)構成。本文中，術語「半導體」表示可在藉由熱或電磁激發誘導出電荷載子時導電之材料。術語「光電導」通常係關於吸收電磁輻射能，從而轉化為電荷載子之激發能，以便該等載子可在材料中傳導(亦即輸送)電荷之過程。術語「光電導體」及「光電導材料」在本文中係用來指示針對其吸收電磁輻射產生電荷載子之性質而選擇之半導體材料。
PV裝置可以其等可將入射太陽能轉化為有用電能之效率來表徵。使用結晶矽或非晶矽之裝置主導商業應用，且一些已達到23%或更高之效率。然而，難以製造有效的以結晶為主之裝置(尤其係具大表面積者)，且其製造昂貴，此乃因製造沒有明顯效率退化缺陷之大型晶體所固有的問題。另一方面，高效率非晶矽裝置仍有穩定性的問題。當前市售非晶矽電池具有介於4與8%之間之穩定效率。最近的努力集中在以經濟的生產成本使用有機光伏打電池來達到可接受的光伏打轉換效率。
可在標準照明條件(亦即，1000W/m2、AM1.5光譜照明之標準測試條件)下優化PV裝置，以得到最大發電量，來得到光電流乘光電壓之最大乘積。此種電池在標準照明條件下之功率轉換效率取決於以下三個參數：(1)零偏壓下之電流，亦即，短路電流I SC，以安培計，(2)開路條件下之光電壓，亦即，開路電壓VOC，以伏特計，及(3)填充因數，FF。
PV裝置在連接至負載並經光照射時產生光生電流。當在無限負載下照射時，PV裝置產生其最大可能電壓，V開路或VOC。當在使其電接觸短路下照射時，PV裝置產生其最大可能電流，I短路或ISC。當實際用於發電時，PV裝置係連接至有限電阻性負載，且功率輸出係以電流與電壓之乘積(I×V)給出。PV裝置所產生之最大總功率不可能 超過ISC×VOC之乘積。當為達到最大功率提取而優化負載值時，電流及電壓分別具有Imax及Vmax之值。
PV裝置之品質因數為填充因數，FF，定義為：FF={Imax Vmax}/{ISC VOC} (1)
其中FF始終小於1，因為在實際使用中絕對無法同時達到ISC及VOC。然而，當FF接近1時，該裝置具有較低串聯電阻或內電阻，且因此在最優條件下，向負載提供較大百分比之ISC與VOC之乘積。當Pinc為入射於裝置之功率時，可按照下式計算該裝置之功率效率η P ：η P =FF*(ISC * VOC)/Pinc
為產生佔據半導體之實質體積之內部生成電場，常用方法係並排放置兩層具有經適當選擇之導電性質(尤其係針對其分子量子能態之分佈而言)之材料。此兩材料之界面稱為光伏打接面。在傳統半導體理論中，已將用於形成PV接面之材料大體上指示為n或p型。此處，n-型表示多數載子類型為電子。此可視為具有許多處於相對自由能態之電子之材料。p-型表示多數載子類型為電洞。此材料具有許多處於相對自由能態之電洞。背景(亦即，非經光生)多數載子濃度之類型主要取決於因缺陷或雜質而無法避免之摻雜。雜質之類型及濃度決定導電帶最小能量與價能帶最大能量間之間隙(亦稱為HOMO-LUMO間隙)內之費米(Fermi)能量之數值或水平。費米能量表徵由佔用概率等於1/2之能量值表示之分子量子能態之統計佔用。費米能量接近導電帶最小(LUMO)能量表示電子係主要載子。費米能量接近價能帶最大(HOMO)能量表示電洞係主要載子。因此，費米能量係傳統半導體之主要表徵特性，且原型PV接面傳統上係p-n界面。
術語「整流」尤其表示界面具有不對稱傳導特性，亦即，該界面較佳在一方向上支持電子電荷輸送。整流通常與出現在經適當選擇材料間之接面之內建電場相關聯。
有機異質接面之電流-電壓特性通常使用針對無機二極體推導出之通用肖克利(Shockley)方程式建立模型。然而，由於肖克利方程式並不能嚴格地適用於有機半導體供體-受體(D-A)異質接面(HJ)，故所推導出之參數缺乏明確的物理意義。
有機半導體之顯著性質係載子遷移率。遷移率衡量電荷載子能響應電場移動通過導電材料之容易度。在有機光敏裝置之情況中，包含因高電子遷移率而優先藉由電子傳導之材料之層可稱為電子輸送層或ETL。包含因高電洞遷移率而優先藉由電洞傳導之材料之層可稱為電洞輸送層或HTL。在一些情況中，受體材料可為ETL，而供體材料可為HTL。
習知無機半導體PV電池可採用p-n接面來建立內電場。然而，現已知曉，除建立p-n型接面外，異質接面之能階偏移亦可能起重要作用。
據信，在有機供體-受體(D-A)異質接面處之能階偏移因有機材料中之光生過程之基本性質而對有機PV裝置之操作而言重要。當有機材料受光激發時，產生局部弗侖克爾(Frenkel)或電荷轉移激子。為進行電檢測或電流生成，必須使束縛激子解離成其組成電子及電洞。可藉由內建電場誘發此一過程，但在通常見於有機裝置中之電場(F~106V/cm)下之效率係低的。有機材料中最有效的激子解離出現在D-A界面上。在此一界面上，具有低電離電位之供體材料與具有高電子親和力之受體材料形成異質接面。根據供體及受體材料之能階之匹配，激子在此一界面上之解離可變得大為有利，從而導致在受體材料中產生自由電子極化子，及在供體材料中產生自由電洞極化子。
當與傳統的矽基裝置相比時，有機PV電池具有許多潛在優勢。有機PV電池之重量輕、材料使用經濟，且可沉積於低成本基板(諸如可撓性塑料薄膜)上。然而，有機PV裝置通常具有相對低的量子產率 (所吸收光子對所生成載子對之比，或電磁輻射至電力之轉換效率)，其大約為1%或更小。據認為此部份係由於內在光電導過程之第二級本質所致。亦即，載子生成需要激子之生成、擴散及電離或收集。存在與各此等過程有關之效率η。可如下使用下標：P對應功率效率，EXT對應外部量子效率，A對應光子吸收，ED對應擴散，CC對應收集，及INT對應內部量子效率。使用此表示法：η P ~η EXT =η A * η ED * η CC
η EXT =η A *η INT
激子之擴散長度(LD)通常比光吸收長度(~500Å)短得多(LD~50Å)，因而需要在使用具有多個或高度折叠界面之厚(且因而係電阻性)電池與或具有低光吸收效率之薄電池之間作出權衡。
揭示一種有機光伏打裝置(OPV)，其包括至少一個包含至少一種藉由溶液加工沉積之第一小分子量材料之第一子電池；及至少一個包含至少一種藉由真空蒸鍍沉積之第二小分子量材料之第二子電池。
本文亦揭示一種製造有機光伏打裝置之方法，該有機光伏打裝置包括至少一個包含至少一種第一小分子量材料之第一子電池及至少一個包含至少一種第二小分子量材料之第二子電池，該方法包括藉由溶液加工沉積至少一種第一小分子量材料；及藉由真空蒸鍍沉積至少一種第二小分子量材料。
在一些實施例中，該OPV包括兩個或更多個子電池。在一實施例中，該OPV包括兩個子電池。在一實施例中，該OPV包括三個子電池。在另一實施例中，該OPV包括四個子電池。在又另一實驗中，該OPV包括超過四個子電池。
在一實施例中，各子電池包括至少一個供體-受體異質接面。
在一實施例中，該溶液加工為旋塗、刮刀塗敷或噴塗製程。在 一實施例中，該真空蒸鍍為真空熱蒸鍍或有機氣相沉積。
在一實施例中，該裝置包括兩終端串聯架構。在另一實施例中，該裝置包括三終端並聯架構。在又另一實施例中，該裝置包括四終端架構。
在一實施例中，該裝置包括兩個具有兩終端串聯架構之異質接面。
在一實施例中，該裝置之功率轉換效率(PCE)與第一子電池或第二子電池或經組合的該等第一及第二子電池相比經提升。
在一實施例中，該至少一種第一小分子量材料或該至少一種第二小分子量材料包括至少一種供體材料。
在一實施例中，該至少一種供體材料係選自亞酞菁硼(SubPc)、銅酞菁(CuPc)、酞菁氯化鋁(ClAlPc)、酞菁錫(SnPc)、并五苯、并四苯、二茚并苝(DIP)及方酸(SQ)。在一實施例中，該供體係選自2,4-雙[4-(N,N-二苯基胺基)-2,6-二羥基苯基]方酸(DPSQ)及SubPc。
在一實施例中，該至少第一子電池進一步包括藉由真空蒸鍍沉積之材料。在一實施例中，該藉由真空蒸鍍沉積之材料包括受體層。
在一實施例中，該至少第二子電池進一步包括藉由溶液加工沉積之材料。
在一實施例中，該至少一種第一小分子量材料及/或該至少一種第二小分子量材料進一步包括至少一種受體材料。
在一實施例中，該至少一種受體係選自富勒烯、3,4,9,10-苝四甲酸雙-苯并咪唑(PTCBI)、苯基-C61-丁酸甲酯([60]PCBM)、苯基-C71-丁酸甲酯([70]PCBM)、噻吩基-C61-丁酸甲酯([60]ThCBM)及十六氟酞菁銅(F16CuPc)。富勒烯包括(例如)C60及C70。
在一實施例中，該至少一種第二材料包括小分子：富勒烯層。在一實施例中，該至少一個異質接面包括SubPc：富勒烯層。在一實施例 中，該異質接面包括SubPc：C70層。
在一實施例中，該第一子電池及/或該第二子電池進一步包括電子阻擋層。
在一實施例中，該電子阻擋層包括BCP、BPhen、PTCBI、TPBi、Ru(acac)3及Alq2 OPH。
在一實施例中，該第一子電池及/或該第二子電池進一步包括緩衝層。在另一實施例中，該緩衝層包含MoO3。
在一實施例中，該光伏打裝置在該至少一個第一子電池與該至少一個第二子電池之間進一步包括電荷複合層或電荷傳遞層。在一實施例中，該電荷複合層或電荷傳遞層包含選自Al、Ag、Au、MoO3及WO3之材料。
亦揭示一種製造有機光伏打裝置(OPV)之方法，該有機光伏打裝置包括至少一個包含至少一種第一小分子量材料之第一子電池及至少一個包含至少一種第二小分子量材料之第二子電池，該方法包括：藉由溶液加工沉積至少一種第一小分子量材料；及藉由真空蒸鍍沉積至少一種第二小分子量材料。
在一實施例中，該至少一個第一子電池較靠近該裝置之基板且被稱為前部子電池，而該更遠離該基板之至少一個第二子電池被稱為背部子電池。在另一實施例中，該至少一個第一子電池為背部子電池，而該至少一個第二子電池為前部子電池。
圖1. 三種裝置之結構示意圖：a)只有前部電池，b)只有後部電池及c)串聯電池。該等圖解並非按比例繪製。
圖2. a)對應圖1之裝置在一個太陽模擬照明下之J-V特性之線性曲線，及b)只有前部電池及只有後部電池裝置之EOE。
揭示一種有機光伏打裝置(OPV)，其包括至少一個包含至少一種藉由溶液加工沉積之第一小分子量材料之第一子電池，及至少一個包含至少一種藉由真空蒸鍍沉積之第二小分子量材料之第二子電池。
本文亦揭示一種製造有機光伏打裝置之方法，該有機光伏打裝置包括至少一個包含至少一種第一小分子量材料之第一子電池及至少一個包含至少一種第二小分子量材料之第二子電池，該方法包括藉由溶液加工沉積至少一種第一小分子量材料；及藉由真空蒸鍍沉積至少一種第二小分子量材料。
本文所述之實施例之有機光敏光電子裝置可充當PV裝置、光電偵測器或光電導體。
為提升有機光伏打裝置(OPV)之功率轉換效率(PCE)，可併入多個供體-受體異質接面。如本文所用之「供體-受體異質接面」、「異質接面」及「光活性區域」係可互換。在一實施例中，該OPV包括兩個或更多個異質接面。在一實施例中，該OPV包括兩個異質接面。在另一實施例中，該OPV包括三個異質接面。在又另一實施例中，該OPV包括四個或更多個異質接面。各子電池包括至少一個異質接面。
二接面OPV存在若干常見架構：例如，(1)兩終端串聯架構，其中一個子電池之陽極與另一個子電池之陰極毗鄰；(2)三終端並聯架構，其中各子電池之陽極或各子電池之陰極係共用；或(3)四終端架構，其中該等子電池並不藉由毗鄰層連接。在其他實施例中，堆疊三個、四個或更多個異質接面。本文所述之實施例適用於所有類型之架構。
兩終端串聯裝置稱為串聯裝置。該有機PV裝置(OPV)可作為包括一或多個供體-受體異質接面之串聯裝置存在。串聯裝置可在串聯供體-受體異質接面間包括電荷傳遞材料、電極或電荷複合材料。
如本文所用，與聚合材料相對，小分子量材料意指分子量不超 過5000道爾頓之材料，例如，不超過4500道爾頓，不超過4000道爾頓，不超過3500道爾頓，不超過3000道爾頓，不超過2500道爾頓，不超過2000道爾頓，不超過1500道爾頓或不超過1000道爾頓。如本文所用，「小分子量材料」可與「小分子」互換使用。
如本文所用，「材料」及「層」可互換使用，其係指主要維度為X-Y(亦即，沿著其長度及寬度)之光敏裝置之成員或組分。應瞭解，術語層並不一定限於單層或單片材料。此外，應瞭解，特定層之表面(包括此等層與其他材料或層之界面)可能不完美，其中該等表面呈現與其他材料或層之互穿網絡、糾纏網絡或捲曲網絡。類似地，亦應瞭解，層可係不連續，以致該等層沿X-Y維度之連續性可被其他層或材料干擾或以其他方式中斷。
如本文所用之子電池意指包括至少一個供體-受體異質接面之光伏打裝置之組分。如本文所用之「供體-受體異質接面」、「異質接面」及「光活性區域」係可互換。該異質接面可藉由平面異質接面、本體異質接面、混合異質接面、混成-平面-混合異質接面或奈米結晶本體異質接面形成。例如，該異質接面可包含兩種或更多種選自以下之材料之混合物：亞酞菁硼(SubPc)、C60、C70、方酸、銅酞菁(CuPc)、酞菁錫(SnPc)、酞菁氯化鋁(ClAlPc)及二茚并苝(DIP)。
如本文所用，「前部」或「前部子電池」意指最靠近基板結構之子電池，而「背部」或「背部子電池」係指最遠離該基板結構之子電池。
在一些實施例中，可經由溶液加工施加有機材料或有機層或有機薄膜，諸如藉由一或多種選自旋塗、旋轉澆注、噴塗、浸塗、刮刀塗敷、噴墨印刷或轉移印刷之技術。就會於蒸鍍前降解之分子而言，可使用溶液加工技術來得到供電子用途用之均勻高品質薄膜。
在其他實施例中，可使用真空蒸鍍(諸如真空熱蒸鍍、有機氣相 沉積或有機蒸汽噴印)來沉積該等有機材料。
就可用於本發明之供體材料而言，非限制性地提及彼等選自亞酞菁硼(SubPc)、銅酞菁(CuPc)、酞菁氯化鋁(ClAlPc)、酞菁錫(SnPc)、并五苯、并四苯、二茚并苝(DIP)及方酸(SQ)之材料。
可使用之方酸化合物之非限制性實施例係彼等選自2,4-雙[4-(N,N-二丙基胺基)-2,6-二羥基苯基]方酸、2,4-雙[4-(N,N-二異丁基胺基)-2,6-二羥基苯基]方酸、2,4-雙[4-(N,N-二苯基胺基)-2,6-二羥基苯基]方酸(DPSQ)者及其鹽。
在一實施例中，該等供體材料可經高移動性材料摻雜，諸如包含并五苯或金屬奈米顆粒之材料。
在一些實施例中，可用於本發明之受體材料包括聚合或非聚合苝、聚合或非聚合萘及聚合或非聚合富勒烯。非限制性地提及彼等選自富勒烯(例如，C60、C70)、3,4,9,10-苝四甲酸雙-苯并咪唑(PTCBI)、苯基-C61-丁酸甲酯([60]PCBM)、苯基-C71-丁酸甲酯([70]PCBM)、噻吩基-C61-丁酸甲酯([60]ThCBM)及十六氟酞菁銅(F16CuPc)之材料。
在一些實施例中，至少一個子電池可進一步包括激子阻擋層(EBL)。在一些實施例中，至少一個子電池可進一步包括電荷傳遞層或電荷複合層。在一些其他實施例中，至少一個子電池可視情況包括緩衝層。
就可用作激子阻擋層之材料而言，非限制性地提及彼等選自浴銅靈(BCP)、浴啡啉(bathophenanthroline(BPhen))、3,4,9,10-苝四甲酸雙-苯并咪唑(PTCBI)、1,3,5-叁(N-苯基苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、叁(乙醯基丙酮酸)釕(III)(Ru(acac)3)及苯酚鋁(III)(Alq2 OPH)、N,N’-二苯基-N,N’-雙-α-萘基聯苯胺(NPD)、叁(8-羥喹啉)鋁(Alq3)及咔唑聯苯(CBP)之材料。
在一實施例中，該電荷傳遞層或電荷複合層可選自Al、Ag、 Au、MoO3、Li、LiF、Sn、Ti、WO3、銦錫氧化物(ITO)、氧化錫(TO)、鎵銦錫氧化物(GITO)、氧化鋅(ZO)或鋅銦錫氧化物(ZITO)。 在另一實施例中，該電荷傳遞層或電荷複合層可包含金屬奈米簇、奈米顆粒或奈米棒。
在一實施例中，本文所述之OPV進一步包括緩衝層，諸如WO3、V2O5、MoO3及其他氧化物。
除非特別指定第一層與第二層「呈實體接觸」，否則該第一及該第二層間可有其他層。例如，儘管其間存在各種有機層，仍可將陰極描述成「安置於」陽極上或處於其「上部」。
該有機光伏打裝置可包括至少一個電極。電極可為反射性或透明。在一些實施例中，該電極可為透明導電氧化物(諸如銦錫氧化物(ITO)、氧化錫(TO)、鎵銦錫氧化物(GITO)、氧化鋅(ZO)及鋅銦錫氧化物(ZITO))或透明導電聚合物(諸如聚苯胺(PANI))。在其他實施例中，該等電極可包含金屬(諸如Ag、Au、Ti、Sn及Al)。在其他實施例中，至少一個電極為包括銦錫氧化物(ITO)之陽極。在另一實施例中，該電極為包括選自Ag、Au及Al之材料之陰極。
在一些實施例中，該有機光伏打裝置進一步包括基板。上部可生長或放置該裝置之基板可為提供所需結構性質之任何適宜材料。該基板可為撓性或剛性、平面或非平面。該基板可係透明、半透明或不透明。剛性基板材料之實例為塑料、玻璃及石英。撓性基板材料之實例為塑料及金屬箔。可選擇該基板之材料及厚度，以得到所需結構及光學性質。在一些實施例中，基板為不鏽鋼，諸如不鏽鋼箔(SUS)。與習知材料相比，SUS基板之成本相對低，且在層生長期間提供更佳散熱體。
除於實例中或另有說明處以外，用於本說明書及申請專利範圍中之所有表示成份量、反應條件、分析測量等之數值應理解為在所有 情形中均經術語「約」修飾。因此，除非作相反指示，否則本說明書及隨附申請專利範圍中所列數值參數均為可依據本發明中欲得到之所需性質變動之近似值。各數值參數至少應按照有效位數及一般四捨五入法解釋，而非試圖將等同原則之應用限制在申請專利範圍之範圍內。
儘管說明本發明之寬泛範圍之數值範圍及參數係近似值，但除非另有說明，否則具體實例中所列數值係盡可能精確地報導。然而，任何數值固有地包含由必然見於其各別測試測量中之標準偏差所引起之特定誤差。
本文所述之實施例之有機光敏光電子裝置可充當PV裝置、光電偵測器或光電導體。每當如本文所述之有機光敏光電子裝置充當PV裝置時，用於光電導有機層中之材料及其厚度可經選擇，以(例如)優化該裝置之外部量子效率。每當如本文所述之有機光敏光電子裝置充當光電偵測器或光電導體時，用於光電導有機層中之材料及其厚度可經選擇，以(例如)使該裝置針對所需光譜區域之敏感性最大化。
例如，藉由首先使前部子電池生長於預先塗覆於基板上之電極(例如，於玻璃基板上之陽極，諸如ITO)上可製造串聯有機光伏打裝置。在一實施例中，可藉由將預先經ITO塗覆之基板負載於高真空室中，以藉由真空熱蒸鍍製程沉積於視情況之緩衝層(諸如MoO3)上來製造前部子電池。然後，該基板可藉由旋塗加工自溶液沉積DPSQ膜。 然後，該基板可藉由真空蒸鍍沉積有機材料。然後，可將其曝露至飽和溶劑蒸汽(諸如氯仿)，以產生有利的膜形態。轉移回至真空室後，可藉由真空製程將電荷複合層(諸如Ag)及/或電子輸送層(諸如MoO3)沉積於該基板上。
在另一實施例中，可藉由蒸鍍SubPc及C70之混合膜來製造背部子電池。在一實施例中，可藉由真空蒸鍍來沉積電子阻擋層(諸如BCP) 之膜。最終，可以相同方式沉積第二電極，諸如陰極，諸如Ag。
藉由列舉非限制性實例來提供圖1中所示之簡單分層結構，且應瞭解，本文所述之實施例可連同眾多其他結構一起使用。所述具體材料及結構實際上係例舉，且可使用其他材料及結構。藉由以不同方式組合所述各層，或可基於設計、性能及成本因素完全略去該等層可獲得功能性有機光敏光電子裝置。亦可包括未特定描述之其他層。可使用除彼等特定描述材料以外之材料。雖然本文所提供之實例將各層描述成包括單一材料，但應瞭解，可使用材料之組合(諸如主體及摻雜劑之混合物)或更一般言之為混合物。同樣，該等層可具有各種子層。本文賦予各層之名稱並不意欲構成嚴格限制。並非光活性區域之一部份之有機層(亦即，大體上不吸收光子，但於光電流有重大貢獻之有機層)可稱為「非光活性層」。非光活性層之實例包括EBL及陽極-平滑層。亦可使用其他類型之非光活性層。
本文所述之方法及裝置將藉由以下非限制實例作進一步描述，該等實例用意純粹係示範。
實例1
製造一種串聯有機光伏打裝置，其前部子電池具有經溶液加工的小分子供體層及經蒸鍍的富勒烯受體層，而背部子電池具有經蒸鍍的小分子：富勒烯。如上所述，雖然此處顯示呈兩終端串聯架構之兩-異質接面裝置，但操作亦適用於其他類型之架構。
將該等串聯有機光伏打裝置生長於150nm厚的預先塗覆於玻璃基板上之銦錫氧化物(ITO)層上。在沉積前，於界面活性劑及一系列溶劑中清潔該ITO表面，然後曝露至紫外線-臭氧中歷時10分鐘，隨後負載於高真空室(基礎壓力<10-7托)中，其中MoO3係以~0.1nm/s進行熱蒸鍍。然後將基板轉移至N2手套箱中，在該手套箱中，自1.6mg/ml含於氯仿之經過濾溶液旋塗2,4-雙[4-(N,N-二苯基胺基)-2,6-二 羥基苯基]方酸(DPSQ)膜。
再次將基板轉移至該高真空室中，以0.1nm/s沉積純化有機物，隨後移回該手套箱中，並曝露至飽和氯仿蒸汽歷時10分鐘，以產生有利的膜形態。將該等基板移回該真空室中後，沉積0.1nm Ag銀奈米簇複合層及MoO3傳遞層。就後部電池而言，蒸鍍亞酞菁硼氯化物(SubPc)及C70之混合膜，其中SubPc之沉積速率為0.012nm/s，而C70之沉積速率在0.02至0.08nm/s之間變化。
於以0.1nm/s蒸鍍BCP膜後，以0.1nm/s透過具有1mm直徑開口陣列之遮蔽罩沉積100nm厚的Ag陰極。在超純N2氛圍下，在黑暗中及在來自帶過濾片之300W Xe燈之模擬AM1.5G太陽照明下測量電流密度對電壓(J-V)特性。使用中性密度濾光器改變燈強度。使用經NREL-校準的Si偵測器參照光強度，並針對光譜失配校正光電流測量值。括號中的誤差相當於來自於相同基板上之三個或更多個裝置之平均值之偏差。
實例2
比較串聯OPV與個別子電池之功率轉換效率(PCE)。最接近透明基板之子電池稱為「前部子電池」，而另一個稱為「背部子電池」。
製造具有以下結構之串聯OPV：玻璃/150nm ITO/20nm MoO3/13nm DPSQ/10nm C70/5nm PTCBI/0.1nm Ag/5nm MoO3/29nm SubPc：C70/3nm C70/7nm BCP/100nm Ag。圖1中示意性地顯示該等結構。
亦針對各子電池製造個別裝置。「只有前部」電池由玻璃/150nm ITO/20nm MoO3/13nm DPSQ/10nm C70/5nm PTCBI/0.1nm Ag/30nm MoO3/100nm Ag組成，而「只有後部」電池由玻璃/150nm ITO/5nm MoO3/29nm SubPc：C70/3nm C70/7nm BCP/100nm Ag組成。圖1中亦示意性地顯示該等結構。
裝置特性顯示於圖2中，而各裝置之性能匯總於表I中。
該串聯裝置之開路電壓(V OC )為1.96V，其差不多為只有後部電池及只有前部電池裝置(分別為1.04及0.94V)之總和。此表明，各異質接面在該串聯裝置中係類似於單一異質接面裝置一般起作用，且在Ag複合區處存在高效複合。此外，該串聯裝置之短路電流(J SC )幾乎等於子電池J SC (分別為5.8及6.1mA/cm2)中較小者，表明該裝置中光損耗極少。
總體而言，該串聯裝置達到PCE=6.5±0.1，與只有前部電池及只有後部電池裝置相比提升超過50%。
因此，展示串聯OPV之新型結構。藉由併入一個含有經溶液加工之小分子量材料之子電池及一個含有經真空沉積之小分子量材料之子電池，與單一異質接面裝置相比，已實質上地提升性能。
雖然本發明係針對特定實例及實施例作描述，但應瞭解本文所述之裝置並不限於此等實例及實施例。因此，如熟悉此項技術者所當知曉，所主張之實施例可包括來自本文所述之特定實例及較佳實施例的變化。

Claims (27)

  1. 一種有機光伏打裝置，其包括1)至少一個第一子電池，其包括至少一種藉由溶液加工沉積之第一小分子量材料；及2)至少一個第二子電池，其包括至少一種藉由真空蒸鍍沉積之第二小分子量材料。
  2. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該裝置包括兩個或更多個子電池。
  3. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中各子電池包括至少一個供體-受體異質接面。
  4. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該溶液加工為旋塗、刮刀塗敷、噴塗、噴墨印刷或轉移印刷。
  5. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該真空蒸鍍為真空熱蒸鍍或有機氣相沉積。
  6. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該裝置包括兩終端串聯架構。
  7. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該裝置包括三終端並聯架構。
  8. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該裝置包括四終端架構。
  9. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該裝置包括兩個具有兩終端串聯架構之異質接面。
  10. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該裝置之功率轉換效率(PCE)與該第一子電池及/或該第二子電池相比經提升。
  11. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一種第一小分子量材料及/或該至少一種第二小分子量材料包括至少一種供體材料。
  12. 如請求項11之有機光伏打裝置，其中該至少一種供體材料係選自亞酞菁硼(SubPc)、銅酞菁(CuPc)、酞菁氯化鋁(ClAlPc)、酞菁錫(SnPc)、并五苯、并四苯、二茚并苝(DIP)及方酸(SQ)。
  13. 如請求項11之有機光伏打裝置，其中該至少一種供體包括2,4-雙[4-(N,N-二苯基胺基)-2,6-二羥基苯基」方酸(DPSQ)或SubPc。
  14. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一個第一子電池進一步包括藉由真空蒸鍍所沉積之材料。
  15. 如請求項14之有機光伏打裝置，其中該藉由真空蒸鍍沉積之材料包括受體層。
  16. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一個第二子電池進一步包括藉由溶液加工沉積之材料。
  17. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一種第一小分子量材料及/或該至少一種第二小分子量材料進一步包括至少一種受體材料。
  18. 如請求項17之有機光伏打裝置，其中該至少一種受體係選自富勒烯、3,4,9,10-苝四甲酸雙-苯并咪唑(PTCBI)、苯基-C61-丁酸甲酯([60]PCBM)、苯基-C71-丁酸甲酯([70]PCBM)、噻吩基-C61-丁酸甲酯([60]ThCBM)及十六氟酞菁銅(F16CuPc)。
  19. 如請求項18之有機光伏打裝置，其中該至少一種受體包括C70。
  20. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一種第二材料包括小分子：富勒烯層。
  21. 如請求項20之有機光伏打裝置，其中該至少一種第二材料包括SubPc：富勒烯層。
  22. 如請求項20之有機光伏打裝置，其中該異質接面包括SubPc：C70。
  23. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一個第一子電池及/或 該至少一個第二子電池進一步包括電子阻擋層。
  24. 如請求項23之有機光伏打裝置，其中該電子阻擋層包含BCP、BPhen、PTCBI、TPBi、Ru(acac)3及Alq2 OPH。
  25. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該至少一個第一子電池及/或該至少一個第二子電池進一步包括緩衝層。
  26. 如請求項1之有機光伏打裝置，其中該有機光伏打裝置進一步在該至少一個第一子電池及該至少一個第二子電池之間包括電荷複合層或電荷傳遞層。
  27. 一種製造有機光伏打裝置之方法，該有機光伏打裝置包括至少一個包含至少一種第一小分子量材料之第一子電池及至少一個包含至少一種第二小分子量材料之第二子電池，該方法包括：藉由溶液加工沉積至少一種第一小分子量材料；及藉由真空蒸鍍沉積至少一種第二小分子量材料。
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