通過熱和溶劑蒸汽退火法制備的增強(qiáng)的體異質(zhì)結(jié)器件制造技術(shù)

本申請描述了一種通過熱和溶劑蒸汽退火的組合來制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)光伏電池的方法。可以通過已知方法例如旋涂法來制備體異質(zhì)結(jié)薄膜，然后將其暴露于一種或多種汽化溶劑并進(jìn)行熱退火，以努力增強(qiáng)所述光活性材料的結(jié)晶性質(zhì)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本公開總的來說涉及通過熱和溶劑蒸汽退火法制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)光伏電池的方法。更具體來說，涉及通過將體異質(zhì)結(jié)暴露于汽化溶劑以及熱和溶劑蒸汽退火的組合來增加有機(jī)薄膜的介觀有序性和結(jié)晶度。
技術(shù)介紹
光電子器件依靠材料的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)，通過電子學(xué)方法產(chǎn)生或檢測電磁輻射，或從環(huán)境電磁輻射產(chǎn)生電。光敏光電子器件將電磁福射轉(zhuǎn)變成電。太陽能電池、也稱為光伏(PV)器件,是一類特別用于產(chǎn)生電力的光敏光電子器件。可以從太陽光之外的其他光源產(chǎn)生電能的PV器件，可用于驅(qū)動(dòng)耗電負(fù)載以提供例如照明、加熱，或?yàn)殡娮泳€路或裝置例如計(jì)算器、無線電、計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)測或通訊設(shè)備供電。這些發(fā)電應(yīng)用通常還包括為電池或其他能量儲(chǔ)存裝置充電，以便當(dāng)來自太陽或其他光源的直接照射不可用時(shí)能夠繼續(xù)運(yùn)行，或根據(jù)特定應(yīng)用的要求平衡PV器件的電力輸出。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“電阻性負(fù)載”是指任何耗電或儲(chǔ)電電路、裝置、設(shè)備或系統(tǒng)。另一種類型的光敏光電子器件是光電導(dǎo)管。在這種功能中，信號(hào)檢測電路監(jiān)測器件的阻抗以檢測由光的吸收所引起的變化。另一種類型的光敏光電子器件是光電探測器。在操作中，光電探測器與電流檢測線路聯(lián)合使用，當(dāng)光電探測器暴露于電磁輻射并可能具有施加的偏電壓時(shí)，所述電流檢測線路測量所產(chǎn)生的電流。本文描述的檢測線路能夠向光電探測器提供偏電壓，并測量光電探測器對電磁輻射的電子學(xué)響應(yīng)。這三種類型的光敏光電子器件可以根據(jù)是否存在下文定義的整流結(jié)，并且也根據(jù)器件的運(yùn)行是否使用外加電壓、也稱為偏壓或偏電壓來表征。光導(dǎo)電池不具有整流結(jié)，并且通常使用偏壓來運(yùn)行。PV器件具有至少一個(gè)整流結(jié)，并且不使用偏壓運(yùn)行。光電探測器具有至少一個(gè)整流結(jié)，并且通常但不總是使用偏壓運(yùn)行。按一般規(guī)律，光伏電池向電路、裝置或設(shè)備提供電力，但是不提供信號(hào)或電流以控制檢測電路，或從檢測電路輸出信息。相反，光電探測器或光電導(dǎo)體提供信號(hào)或電流以控制檢測電路或從檢測電路輸出信息，但是不向電路、裝置或設(shè)備提供電力。傳統(tǒng)上，光敏光電子器件由多種無機(jī)半導(dǎo)體，例如晶體、多晶和無定形硅、砷化鎵、碲化鎘等構(gòu)造而成。在本文中，術(shù)語“半導(dǎo)體”是指當(dāng)電荷載流子受到熱或電磁激發(fā)誘導(dǎo)時(shí)能夠?qū)щ姷牟牧稀Ｐg(shù)語“光導(dǎo)”一般是指電磁輻射能量被吸收從而轉(zhuǎn)變成電荷載流子的激發(fā)能，以便載流子能夠傳導(dǎo)、即運(yùn)輸材料中的電荷的過程。術(shù)語“光電導(dǎo)體”和“光導(dǎo)材料”在本文中用于指稱由于其吸收電磁輻射以產(chǎn)生電荷載流子的性質(zhì)而被選擇的半導(dǎo)體材料。PV器件的性質(zhì)可以由它們能夠?qū)⑷肷淙展饽苻D(zhuǎn)變成有用電能的效率來表征。利用晶體或無定形硅的器件在商業(yè)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，并且其中某些已經(jīng)達(dá)到23%或更高的效率。但是，有效的基于晶體的器件、特別是大表面積器件，由于在生產(chǎn)沒有明顯的降低效率的缺陷的大晶體中固有的問題，生產(chǎn)起來困難且昂貴。另一方面，高效無定形硅器件仍然受到穩(wěn)定性問題的困擾。目前可商購的無定形硅電池的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率在4到8%之間。可以對PV器件進(jìn)行優(yōu)化，以在標(biāo)準(zhǔn)照射條件(即標(biāo)準(zhǔn)測試條件，其為1000W/m2、AMI. 5光譜照射)下最大化電力產(chǎn)生,用于最大化光電流乘以光電壓的乘積。這種電池在標(biāo)準(zhǔn)照射條件下的電能轉(zhuǎn)換效率取決于下列三個(gè)參數(shù)(I)零偏壓下的電流，即短路電流Is。，單位為安培；(2)開路條件下的光電壓，即開路電壓Vre，單位為伏特；以及(3)填充因子 。PV器件在跨負(fù)載相連并用光照射時(shí)產(chǎn)生光生電流。當(dāng)在無限負(fù)載下照射時(shí)，PV器件產(chǎn)生其最大可能電壓，即Vffg或vre。當(dāng)在其電觸點(diǎn)短路的情況下照射時(shí)，PV器件產(chǎn)生其最大可能電流，即1胃@或Isc。當(dāng)實(shí)際用于產(chǎn)生電力時(shí)，PV器件與有限電阻性負(fù)載相連，電力輸出由電流和電壓的乘積IXV給出。由PV器件產(chǎn)生的最大總功率必然不能超過乘積Isexv。。。當(dāng)對負(fù)載值進(jìn)行優(yōu)化以獲得最大功率提取時(shí)，電流和電壓分別具有值Imax和vmax。PV器件的性能指數(shù)是填充因子 ，其定義為_8] ff= Umax VmaJVUsc VqJ(I)其中ff總是小于I，因?yàn)樵趯?shí)際使用中永遠(yuǎn)不能同時(shí)獲得和Vq。。但是，在最適條件下，當(dāng)ff接近I時(shí)，器件具有較低的串聯(lián)或內(nèi)部電阻，因此向負(fù)載提供較高百分率的Is。與Vre的乘積。當(dāng)Pin。是器件上的入射功率時(shí)，器件的功率效率ηρ可以由下式計(jì)算nP=ff* (Isc*v0c)/Pinc為了產(chǎn)生占據(jù)半導(dǎo)體的顯著體積的內(nèi)生電場，常用的方法是將兩層特別是在其分子的量子能態(tài)分布方面具有適當(dāng)選擇的導(dǎo)電性質(zhì)的材料并置。這兩種材料的界面被稱為光伏結(jié)。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體理論中，用于形成PV結(jié)的材料一般被稱為η或P型。這里η型是指大部分載流子類型是電子。這可以被視為具有許多處于相對自由能態(tài)中的電子的材料。P型是指大部分載流子類型是空穴。這樣的材料具有許多處于相對自由能態(tài)中的空穴。背景的類型、即非光生的大部分載流子濃度，主要取決于由缺陷或雜質(zhì)引起的無意摻雜。雜質(zhì)的類型和濃度決定了導(dǎo)帶最低能量與價(jià)帶最高能量之間的能隙內(nèi)的費(fèi)米能(Fermi energy)或能級(jí)的值。費(fèi)米能描述了分子的量子能態(tài)的統(tǒng)計(jì)學(xué)占據(jù)情況，其用占據(jù)概率等于1/2時(shí)的能量值表示。費(fèi)米能接近導(dǎo)帶最低能量表明電子是優(yōu)勢載流子。費(fèi)米能接近價(jià)帶最高能量表明空穴是優(yōu)勢載流子。因此，費(fèi)米能是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的重要定性性質(zhì)，并且原型PV結(jié)傳統(tǒng)上是P_n界面。術(shù)語“整流”尤其是指具有不對稱導(dǎo)電特性的界面，即界面支持優(yōu)選一個(gè)方向上的電荷運(yùn)輸。整流一般與適當(dāng)選擇的材料之間的結(jié)處產(chǎn)生的內(nèi)建電場相關(guān)。常規(guī)的無機(jī)半導(dǎo)體PV電池利用p-n節(jié)建立內(nèi)部電場。早期的有機(jī)薄膜電池例如由Tang, Appl. Phys Lett. 48，183 (1986)所報(bào)道的，含有與在常規(guī)無機(jī)PV電池中所使用的類似的異質(zhì)結(jié)。然而，現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到，除了 P-n型節(jié)的建立之外，異質(zhì)結(jié)的能級(jí)失諧也發(fā)揮重要作用。由于有機(jī)材料中光生過程的基本性質(zhì)，有機(jī)D-A異質(zhì)結(jié)處的能級(jí)失諧據(jù)信對于有機(jī)PV器件的運(yùn)行來說是重要的。在有機(jī)材料光激發(fā)后，產(chǎn)生了局部化的弗倫克爾(Frenkel)或電荷轉(zhuǎn)移激子。為了進(jìn)行電檢測或產(chǎn)生電流，必須將結(jié)合的激子解離成它們的組分電子和空穴。這樣的過程可以由內(nèi)建電場誘導(dǎo)，但是在有機(jī)器件中典型存在的電場(廣106V/cm)下效率低。有機(jī)材料中最有效的激子解離發(fā)生在供體-受體(D-A)界面處。在 這種界面處，具有低電離電勢的供體材料與具有高電子親和勢的受體材料形成異質(zhì)結(jié)。取決于供體和受體材料的能級(jí)排列，激子在這種界面處的解離可能變得能量上有利，在受體材料中產(chǎn)生自由電子極化子，并在供體材料中產(chǎn)生自由空穴極化子。有機(jī)PV電池與傳統(tǒng)的硅基器件相比具有許多潛在優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)PV電池重量輕，材料的使用經(jīng)濟(jì)，并且可以沉積在低成本基材例如柔性塑料箔片上。但是，有機(jī)PV器件典型地具有相對低的外量子效率(電磁輻射向電能的轉(zhuǎn)換效率)，其在1%或更低的量級(jí)上。據(jù)認(rèn)為，這部分是由固有的光導(dǎo)過程的二次性質(zhì)造成的。也就是說，載流子產(chǎn)生需要激子的產(chǎn)生、擴(kuò)散和電離或收集。這些過程每個(gè)都伴有效率η。下標(biāo)可以如下使用Ρ表示功率效率，EXT表示外量子效率，A表示光子吸收，ED表示擴(kuò)散，CC表示收集，并且INT表示內(nèi)量子效率。使用該表示法η P η ΕΧΤ— Π. a* rI ed* rI ccn EXT= rI A* n IN本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：斯蒂芬·R·弗里斯特，馬克·E·湯普森，魏茍碭，王思軼，
申請(專利權(quán))人：密歇根大學(xué)董事會(huì)，南加利福尼亞大學(xué)，
類型：
國別省市：