技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種以單層石墨材料為受體材料的活性層和基于此活性層的有機(jī)光伏電池。

背景技術(shù)

作為解決世界能源危機(jī)的一個可行的也可能是唯一的方法，太陽能的利用已經(jīng)成為一個廣泛研究的前沿性課題。有機(jī)光伏電池以其低成本，無毒，容易制備而大大受到人們的青睞，近年來基于有機(jī)光伏電池的研究迅速激增。到目前為止，對于有機(jī)光伏電池的研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到5-6％(Peet?J，et?al.Nat.Mater.，6，497(2007))，這距離有機(jī)光伏電池的實際應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。

由于在本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)光伏電池中，給體材料和受體材料都需要進(jìn)行微觀相分離以達(dá)到最佳的相分離程度以便于形成盡可能多的分離界面數(shù)和比較好的電荷傳輸路徑。而且，在以共軛聚合物/C₆₀衍生物為活性層的本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)光伏電池中，由于相互貫通的電子電荷傳輸網(wǎng)絡(luò)中存在大量的電荷傳輸路徑缺陷，導(dǎo)致了電荷遷移率較低，C₆₀的球型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電子的跳躍式傳輸，這些都是電池結(jié)構(gòu)上的缺陷，都是降低電池效率的因素(Dittmer?J?J，et?al，Adv.Mater.，12，1270(2000))。同C₆₀相比，碳納米管具有大的長徑比，高的電荷遷移率，大π共軛結(jié)構(gòu)，所以從結(jié)構(gòu)上講更有利于實現(xiàn)比較多的分離界面數(shù)和比較好的電荷傳輸路徑，減少電子的跳躍式傳輸和結(jié)構(gòu)上的缺陷。為此，人們曾經(jīng)試圖使用碳的另一種同素異構(gòu)體碳納米管來替代C₆₀用作受體材料。到目前為止，據(jù)報道的基于碳納米管的有機(jī)光伏電池的最高光電轉(zhuǎn)化效率還顯著低于基于PCBM的有機(jī)光伏電池(KymakisE?and?Amaratunga?G?A?J，Appl.Phys.Lett.，80，112(2002))。雖然碳納米管是具有極高電荷傳輸能力的一維納米導(dǎo)線，然而它們的實際應(yīng)用在技術(shù)上卻受到了很大的限制。到目前為止，一個最重要的問題就是目前能大規(guī)模制備碳納米管(尤其是單壁碳納米管)的方法所得到的產(chǎn)物中雜質(zhì)太多，如金屬離子，富勒烯，無定形碳。而且，得到的碳納米管的長度和直徑的分散性太大，具有很大的缺陷，是半導(dǎo)體型和金屬型的一個混合物。并且，由于它們在溶劑中的溶解性很差，碳納米管容易聚集，因此很難對其進(jìn)行利用。通過化學(xué)方法進(jìn)行純化和功能化能夠解決部分問題，但是也會造成相當(dāng)一大部分的碳原子(～5％)成為缺陷點，這都會造成器件性質(zhì)的下降。因此找到更好的電子受體材料用來制備活性層并應(yīng)用于有機(jī)光伏電池中仍是一個急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是采用基于單層石墨的材料(以下簡稱單層石墨材料)為受體材料來制備活性層并用此活性層制備有機(jī)光伏電池。由于單層石墨本身是具有二維結(jié)構(gòu)單原子厚度的單晶和零帶隙的半導(dǎo)體材料，具有很高的電子遷移率和極大的比表面積，因此以基于單層石墨材料為受體材料的活性層以及光伏器件可以預(yù)期獲得更高的激子擴(kuò)散效率，又不會因此而造成電荷傳輸路徑的破壞而導(dǎo)致電荷傳輸遇到阻礙產(chǎn)生二次聚集，從而提高器件性能。

該活性層是由單層石墨材料或單層石墨材料和另外一種或幾種給體材料組成。該單層石墨材料的制備方法見下實例。為便于應(yīng)用，構(gòu)成單層石墨材料的單個石墨片面積在10nm²到100μm²之間，經(jīng)過功能化而能夠在溶劑如水，甲醇，乙醇，丙醇，丙酮，乙酸乙酯，氯仿，四氯化碳，N，N-二甲基甲酰胺，二甲基亞砜，苯，甲苯，二甲苯，氯苯，二氯苯，三氯苯等中溶解，特別是能夠溶解在共軛高分子材料的溶劑如氯仿，甲苯，二甲苯，氯苯，二氯苯，三氯苯等中，并具有一定導(dǎo)電性。給體材料為有機(jī)小分子或高分子材料，特別是共軛高分子材料如聚噻吩，聚苯撐乙烯，聚苯撐乙炔，聚芴，以及以它們?yōu)橹麈溁騻?cè)鏈的共聚物，以聚烷基噻吩為最佳。

該活性層可以為本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或雙層結(jié)構(gòu)或單層結(jié)構(gòu)。以本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為佳，其中單層石墨材料與給體材料的質(zhì)量比為1∶1000到100∶1之間，以質(zhì)量比為1∶100到1∶1之間為最佳。

基于此活性層可以制備有機(jī)光伏電池，該有機(jī)光伏電池由第一電極，活性層，和第二電極組成。其中第一電極用鋁，第二電極用氧化銦錫，并且兩個電極通常使用緩沖層進(jìn)行修飾。第一電極使用氟化鋰修飾，第二電極使用聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸鹽)修飾。

基于該活性層的有機(jī)光伏電池，其光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到并超過1％。