用于電光器件的活性材料和電光器件的制作方法
【專利摘要】公開了串聯(lián)電光器件和用于電光器件的活性材料。串聯(lián)器件包括活性層之間的p-型層和n-型層，其被摻雜以實(shí)現(xiàn)載體隧穿。還公開了低帶隙共軛聚合物。
【專利說明】用于電光器件的活性材料和電光器件
[0001]本申請要求2011年3月29日提交的美國臨時(shí)申請第61/468，904號和2011年6月24日提交的美國臨時(shí)申請第61/500，832號的優(yōu)先權(quán)。這兩篇申請的內(nèi)容均通過引用全文并入本文。
[0002]本發(fā)明是在美國國家科學(xué)基金會授予的批準(zhǔn)號0822573 ;美國海軍研究局授予的批準(zhǔn)號N00014-04-1-0434 ;美國空軍科學(xué)研究局授予的批準(zhǔn)號FA9550-09-1-0610的政府支持下進(jìn)行的。在本發(fā)明中，政府孚有一定權(quán)利。
[0003]背景
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明的實(shí)施方案涉及用于電光器件的活性材料及使用所述材料的電光器件；并且更具體地，涉及作為用于電光器件的活性層材料的共軛聚合物和具有共軛聚合物活性層的電光器件。
【背景技術(shù)】
[0005]本文所引用的所有參考文件的內(nèi)容，包括文章、公開的專利申請和專利，通過引用并入本文。
[0006]有機(jī)光伏(OPV)器件對于低成本、易彎曲、輕重量、大面積的能量生成應(yīng)用來說是非常有前景的。(Cheng等人，Chem.Rev.,第109卷，第5868頁，2009;Coakley等人,Chem.Mater.,第 16 卷，第 4533 頁,2004; Brabec 等人,Adv.Fund.Mater.,第 11 卷，第15頁，2001)。關(guān)于設(shè)計(jì)新的材料(Boudreault等人，Chem.Mater.，第23卷，第456頁，2011)、器件結(jié)構(gòu)(Yu等人，Science,第270卷，第1789頁，1995)和加工技術(shù)(Padinger等人,Adv.Fund.Mater.,第 13 卷，第 85 頁，2003; Li 等人,Nat.Mater.,第 4 卷，第 864頁，2005;Peet等人，Nat.Mater.，第6卷，第497頁，2007)已經(jīng)進(jìn)行了大量工作以改進(jìn)OPV器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。迄今為止，基干與作為電子受體材料的[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)混合的作為電子供體材料的共軛化合物的聚合物太陽能電池(PSC)使用本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)超過7%的PCE (Chen等人，Nat.Photon.,第3卷，第649頁，2009; Liang等人，Adv.Mater.，第22卷，第E135頁，2010)。但是,大部分材料因缺少寬吸收范圍，其限制整個(gè)太陽光譜的利用，(Chen等人，Acc.Chem.Res.，第42卷，第1709頁，2009)或相對低的載流子遷移率，其為了有效的電荷抽取需要更薄的膜，的固有缺陷而受損。這減少了外量子效率(EQE)并且降低了光電流(Clarke等人，Chem.Rev.第110卷，第6763頁，2010)。為了更有效地利用太陽輻射，ー個(gè)可能的方案是將具有互補(bǔ)吸收的多個(gè)光活性層連續(xù)堆疊以制成串聯(lián)PSC (Kim等人，Science,第317卷，第222頁，2007)。通常，這樣的串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有采用高帶隙材料的前電池、互聯(lián)層(ICL)和采用低帶隙(LBG)材料的后電池。而且，這樣的結(jié)構(gòu)能夠減少光子至電子轉(zhuǎn)化過程中的勢能損失并且合并了單個(gè)BHJ電池的電勢(Kim等人，Science,第317卷，第222頁，2007)。
[0007]串聯(lián)太陽能電池通過將具有不同吸收的兩個(gè)或更多個(gè)太陽能電池組合在一起為捕集更寬譜帶的太陽輻射提供了有效方法。然而，對于聚合物太陽能電池(PSC)，串聯(lián)器件的性能落后于單層太陽能電池，歸因于缺少低和高帶隙材料的正確組合。迄今為止，對串聯(lián)PSC的大部分研究都集中于改進(jìn)ICL并且僅有少數(shù)實(shí)例顯示了高效率(Kim等人，Science,第 317 卷,第 222 頁，2007; Gi lot 等人，Adv.Mater.，第 22 卷，第 E67 頁，2010; Sista等人,Adv.Mater.,第 22 卷，第 380 頁，2010; Chou 等人,Adv.Mater.,第 23 卷，第 1282頁，2011)
[0008]共軛聚合物為含有沿主鏈的電子共軛單元的聚合物并且可用作某些類型光電器件例如聚合物發(fā)光器件、聚合物太陽能電池、聚合物場效應(yīng)晶體管等的活性層材料。作為聚合物太陽能電池材料，共軛聚合物應(yīng)當(dāng)具有ー些特性，例如高遷移率、良好的太陽光捕集、良好的可加工性和適當(dāng)?shù)姆肿幽芗?。已證實(shí)ー些共軛聚合物是良好的太陽能電池材料。例如，聚(對苯撐こ烯)的ー些衍生物諸如MEH-PPV和MDM0-PPV、聚(3-烷基噻吩)的ー些衍生物如P3HT和P30T和ー些具有雜環(huán)芳香環(huán)的共軛聚合物諸如聚[2，6- (4，4-雙-(2-こ基己基)-4H-環(huán)戊并[2，1-b; 3，4-b’ ] - ニ噻吩)-交替-4，7- (2，I, 3-苯并噻ニ唑)](P(PDTBT)和聚[4，8-雙-取代的-苯并[1，2-b:4, 5-b’ ] ニ噻吩-2，6- ニ基-交替-4-取代的-噻吩并[3，4-b]噻吩-2，6-ニ基](PBDTTT)已成功用作光活性層材料。盡管基于這些聚合物的太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了?7%，但是這比無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率要低得多。
[0009]因此，本領(lǐng)域相應(yīng)地需要具有良好光伏效應(yīng)的共軛聚合物。如上文所提及的，用于聚合物太陽能電池的理想的共軛聚合物材料應(yīng)當(dāng)具有高遷移率，因此共軛聚合物的主鏈應(yīng)當(dāng)具有面狀結(jié)構(gòu)，其可有助于形成堆積結(jié)構(gòu)并且促進(jìn)兩個(gè)鄰近主鏈之間的電荷轉(zhuǎn)移；它們應(yīng)當(dāng)具有低帶隙以提供良好的陽光捕集；它們還應(yīng)當(dāng)具有與聚合物太陽能電池器件中電極和電子受體材料相配的適當(dāng)?shù)姆肿幽芗墶Ｌ峁┚哂腥缟衔奶峒暗奶匦缘墓曹椌酆衔镒鳛楣夥牧蠎?yīng)當(dāng)是可以期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一些實(shí)施方案包括具有空穴抽取電極和與所述空穴抽取電極間隔開的電子抽取電極的反向串聯(lián)聚合物光伏器件。所述反向器件還包括第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層和與所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層間隔開的第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層。在所述第一和第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層之間，所述器件包含與所述第一和第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中的ー個(gè)物理連接的P-型層和與所述第一和第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中的另ー個(gè)物理連接的n-型層，其中所述P-型層和所述n-型層中的至少一個(gè)以載流子隧穿所述P-型和/或n-型層的程度摻雜。
[0011]本發(fā)明的一些實(shí)施方案包括具有重復(fù)單元的聚合物，所述重復(fù)単元具有式(I)的
結(jié)構(gòu)
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種反向串聯(lián)聚合物光伏器件，其包括: 空穴抽取電極； 與所述空穴抽取電極間隔開的電子抽取電極； 第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層； 與所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層間隔開的第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層；和 在所述第一和第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層之間，與所述第一和第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中的一個(gè)物理連接的P-型層和與所述第一和第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中的另一個(gè)物理連接的n-型層； 其中所述P-型層和所述n-型層中的至少一個(gè)以電荷隧穿所述P-型和/或n-型層的程度摻雜。
2.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述電子抽取電極是透明的。
3.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層比所述n-型層更接近所述電子抽取電極。
4.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層與所述n-型層物理接觸。
5.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層以空穴隧穿所摻雜的P-型層的程度摻雜。
6.如權(quán)利要求5所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層用聚(苯乙烯磺酸)、FeCl3、I2*H202 摻雜。
7.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述n-型層以電子隧穿所述n-型層的程度摻雜。
8.如權(quán)利要求7所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述n-型層用低功函金屬，Na、L1、Al，低功函氟化物，LiF, CsF,低功函鹽或Cs2CO3摻雜
9.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層和所述n-型層都以載流子隧穿所摻雜的兩個(gè)層的程度摻雜。
10.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述n-型層包括n型金屬氧化物。
11.如權(quán)利要求8所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述n-型金屬氧化物選自由ZnO、ZnOx、Ti02、TiOx及其組合組成的組。
12.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型包括P-型金屬氧化物。
13.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述p型金屬氧化物選自由Mo03、MoOx> V2O5> VOx> W03、WOx、NiO、NiOx、氧化石墨烯及其組合組成的組。
14.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層是p型聚合物層。
15.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述P-型層是用聚(苯乙烯磺酸)摻雜的PEDOT。
16.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述n-型層是Zn0.
17.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其還包括在所述電子抽取電極和所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層或所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層之間的電子傳輸層
18.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其還包括在所述空穴抽取電極和所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層或所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層之間的空穴傳輸層。
19.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層比所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層更接近所述透明電極。
20.如權(quán)利要求19所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物具有比所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物具有更寬的帶隙。
21.如權(quán)利要求20所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物具有約400nm和約700nm之間的吸光度最大值而所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物具有700nm和約1000nm之間的吸光度最大值。
22.如權(quán)利要求20所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物的吸光度最大值比所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物的吸光度最大值短不止20nm。
23.如權(quán)利要求20所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物的300nm和1000nm之間的吸收光譜的最大吸光度的60%處的尾緣的波長比所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物的300nm和1000nm之間的吸收光譜的最大吸光度的60%處的前緣的波長短或相等。
24.如權(quán)利要求20所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中300nm和1000nm之間測量的標(biāo)準(zhǔn)化吸收光譜總和中在所述第一本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物的吸光度最大值和所述第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層中所用的聚合物的吸光度最大值之間波長中值處的吸光度比單個(gè)任ー聚合物的標(biāo)準(zhǔn)化最大吸光度高10%并且少于150%。
25.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)聚合物光伏器件，其中所述第一或第二本體異質(zhì)結(jié)聚合物半導(dǎo)體層種所用的一種聚合物具有式(I)的結(jié)構(gòu):
26.—種包含具有式(I)結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元的聚合物:
27.如權(quán)利要求26所述的聚合物，其中Ar1和Ar2獨(dú)立地選自由下列組成的組
28.如權(quán)利要求26所述的聚合物，其中所述重復(fù)單元具有式(II)的結(jié)構(gòu):
29.如權(quán)利要求28所述的聚合物，其中R1和R3獨(dú)立地選自具有4至12C原子的烷基基團(tuán).
30.如權(quán)利要求29所述的聚合物，其中R1是2-乙基己基基團(tuán)而R3是2-丁基辛基基團(tuán)。
31.包含根據(jù)權(quán)利要求26-30中任一項(xiàng)所述的聚合物的電子或電光器件。
32.如權(quán)利要求31所述的器件，其中所述共軛聚合物材料是光伏材料。
33.如權(quán)利要求31所述的器件，其中所述電子或電光器件是聚合物太陽能電池器件或光檢測器器件。
34.如權(quán)利要求33所述的器件，其中所述器件是包含本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池器件。
35.如權(quán)利要求34所述的器件，其中所述本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)包含除了所述共軛聚合物之外的至少ー種成分。
36.如權(quán)利要求35所述的器件，其中除了所述共軛聚合物之外的所述至少ー種成分包含富勒烯結(jié)構(gòu)。
37.如權(quán)利要求35所述的器件，其中所述至少ー種成分是[6，6]-苯基C61丁酸甲酯、[6，6]-苯基C71 丁酸甲酯)或茚-C6。雙加成物中的至少ー個(gè)。
38.一種電子或電光器件，其包括: 第一電極； 與所述第一電極間隔開的第二電極；和 布置在所述第一電極和所述第二電極之間的活性材料層，其中所述活性層包括具有重復(fù)單元的聚合物，，所述重復(fù)單元具有式(I)的結(jié)構(gòu)
39.如權(quán)利要求38所述的電子或電光器件，其還包括布置在所述第一和第二電極之間的第二活性材料層以使得 所述電子或電光器件是串聯(lián)光伏器件。
【文檔編號】H01L27/30GK103597601SQ201280026430
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月29日
【發(fā)明者】楊陽, 竇樂天, 尤京璧 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會