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CN104272486A - 有机电化学装置及其制造方法 - Google Patents

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CN104272486A
CN104272486A CN201380023941.0A CN201380023941A CN104272486A CN 104272486 A CN104272486 A CN 104272486A CN 201380023941 A CN201380023941 A CN 201380023941A CN 104272486 A CN104272486 A CN 104272486A
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organic
electrode
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姜泰植
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Original Assignee
LG Chemical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明涉及有机电化学装置及其制造方法。根据本发明的有机电化学装置包括：衬底；装备在所述衬底上的第一电极；装备在所述第一电极上的中间层；装备在所述中间层上的第二电极；以及第一有机材料层。至少部分的所述第一有机材料层与所述第二电极和所述中间层接触。

Description

有机电化学装置及其制造方法
技术领域
本申请具有2012年5月9日向美国专利局提交的美国专利申请号61/644,536的优先权，该专利申请的全部内容包含在本申请的说明书中。
本说明书涉及一种有机电化学装置及其制造方法。
背景技术
硅晶太阳能电池作为直接将光能转化为电能的装置已经是众所周知的。这种硅晶太阳能电池被用作独立的能源以及用于汽车内的能源。硅晶太阳能电池通常由单晶硅或非晶硅制成。然而，生产单晶硅或非晶硅需要大量的能量，而为了弥补用来制造太阳能电池所消耗的能量，这种太阳能电池需要连续发电几乎长达十年之久。
同时，近几年来，已经开发了多种形式的使用有机分子的太阳能电池作为太阳能电池的新形式，其技术上的可能性已经得到了迅速提高。迄今为止开发的现有有机太阳能电池在能量转换效率和使用寿命等方面仍然处于起步阶段。目前，由于有机分子的光电稳定性没有达到满意的水平，因此有机太阳能电池是至今仍被广泛研究以改善其性能的太阳能电池的研究领域之一。
迄今为止开发的现有有机太阳能电池对温度、太阳光和高波长系统等非常敏感，而且在能量转换效率方面存在许多问题。因此，这些问题成为了使用有机分子的太阳能电池发展的阻碍因素，特别是，由于使用有机分子的太阳能电池的能量转换效率低于已有的硅太阳能电池等的能量转换效率，而且这种太阳能电池在使用上受到许多限制，因此难以扩展其应用领域。
如下面的图15中所示，相关领域中的有机太阳能电池包括：装备在玻璃衬底上的氧化铟锡(ITO)电极，装备在ITO电极上的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT/PSS)层，装备在PEDOT/PSS层和玻璃衬底上的有机活性层以及装备在有机活性层上的铝电极。
发明内容
技术问题
本发明已完成，以试图提供具有优异能量转换效率的有机电化学装置及其制造方法。
技术方案
本发明提供一种有机电化学装置，包括：
衬底；
第一电极，该第一电极装备在所述衬底上；
中间层，该中间层装备在所述第一电极上；
第二电极，该第二电极装备在所述中间层上；以及
第一有机材料层，
其中，至少部分的所述第一有机材料层与所述第二电极和所述中间层接触。
另外，本发明提供一种有机电化学装置，包括：
透明衬底；
第一有机材料层，该第一有机材料层装备在所述透明衬底上；
第一电极，该第一电极装备在所述第一有机材料层上；
第二电极；以及
中间层，该中间层装备在所述第一有机材料层与所述第二电极之间，
其中，至少部分的所述中间层与所述第一电极和所述第一有机材料层接触。
此外，本发明提供一种制造有机电化学装置的方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成中间层；
在所述中间层上形成第二电极，使得至少部分的第二电极与中间层接触；以及
在所述中间层上形成第一有机材料层。
另外，本发明提供一种制造有机电化学装置的方法，所述方法包括：
在透明衬底上形成第一有机材料层；
在所述第一有机材料层上形成第一电极，使得至少部分的第一电极与第一有机材料层接触；
在所述第一有机材料层和所述第一电极上形成中间层；以及
在所述中间层上形成第二电极。
有益效果
由于可以在第二电极和中间层上形成有机活性层，根据本发明的一个示例性实施方案的有机电化学装置可以提高能量转换效率。另外，根据本发明的另一个示例性实施方案的有机电化学装置可以使用金属电极作为第一电极和第二电极，由此提高导电性并以较低的成本来实施。
此外，根据本发明的又一个示例性实施方案的有机电化学装置通过在第二电极上包括有机材料层而可以改善有机电化学装置的柔韧性，通过将光直接照射在装备于第二电极上部的有机材料层上而不使光穿过透明电极而可以减少由于电极和空穴传输层等的光吸收导致的光损失，并且由于光从金属电极的反射而可以提高光的再吸收率。根据本发明的有机电化学装置可以应用于多种有机电化学装置，例如有机太阳能电池、有机光电检测元件、有机发光元件和有机电致变色元件。
附图说明
图1是图示性地示出根据本发明的第一示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图2是图示性地示出根据本发明的第二示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图3是图示性地示出根据本发明的第三示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图4是图示性地示出根据本发明的第四示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图5是图示性地示出根据本发明的第五示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图6是图示性地示出根据本发明的第六示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图7是图示性地示出根据本发明的第七示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图8是图示性地示出根据本发明的第八示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图9是图示性地示出根据本发明的第九示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图10是图示性地示出根据本发明的第十示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图11是图示性地示出根据本发明的第十一示例性实施方案的有机电化学装置的视图；
图12是图示性地示出根据本发明的第十二示例性实施方案的有机太阳能电池的视图；
图13是图示性地示出根据本发明的第十三示例性实施方案的有机发光元件的视图；
图14是图示性地示出根据本发明的第十四示例性实施方案的有机电致变色元件的视图；
图15是图示性地示出相关领域中的有机太阳能电池的视图。
<附图中主要部件的符号说明>
10：衬底
20：第一电极
30：中间层
40：绝缘层
50：第二电极
60：第一有机材料层
70：空穴传输层
80：第二有机材料层
90：电子传输层
100：离子储存层
110：离子导体/电解质
120：电致变色层
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选的示例性实施方案。
图1是图示性地示出根据本发明的第一示例性实施方案的有机电化学装置的视图。根据第一示例性实施方案的有机电化学装置包括：衬底10，装备在所述衬底上的第一电极20，装备在所述第一电极20上的中间层30，装备在所述中间层30上的第二电极50，以及第一有机材料层60，其中，至少部分的所述第一有机材料层60与第二电极50和中间层30接触。
衬底10可以是或者不是透明的。对于该衬底的厚度没有特别限制，只要其具有有机电化学装置中所允许的合适强度即可。所述衬底可以是玻璃、塑料、金属和陶瓷等。玻璃的实例包括钠玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、石英玻璃和钠钙玻璃等。塑料衬底的实例包括诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯的聚酯片，以及诸如聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚砜和聚亚乙基降冰片烯的片材。陶瓷的实例包括高纯氧化铝等。
对用于第一电极20的材料没有特别限制，可以采用金属、导电氧化物、碳材料和导电聚合物等。金属的实例包括钛、镍、铂、金、银、铜、铝、钨、铑和铟等。导电氧化物的实例包括氧化锡、氟掺杂氧化锡(FTO)、氧化铟、锡掺杂氧化铟(ITO)和氧化锌等。碳材料的实例包括碳纳米管、石墨烯和炭黑等。导电聚合物的实例包括PEDOT-PSS、聚吡咯、聚苯胺和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(聚-EDT)等。这些材料可以单独使用或者组合使用。
第一电极20可以通过沉积方法涂布在衬底上。所述第一电极可以通过例如热金属蒸发、电子束蒸发、RF溅射、磁控溅射、原子层沉积、电弧蒸镀沉积和离子束辅助沉积的物理气相沉积或者例如化学气相沉积(CVD)、金属有机气相沉积(MOCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的化学气相沉积的方法，在衬底10上沉积诸如金属、导电氧化物、碳材料和导电聚合物的导电材料来形成。
中间层30可以在所述第一电极20上形成。所述中间层可以包括空穴传输层和绝缘层。包括空穴传输层70和绝缘层40作为中间层的有机电化学装置在下面的图3中示意性地示出。
另外，所述中间层包括空穴传输层70，还可以额外地包括在该中间层与第二电极之间的绝缘层40。具有上述结构的有机电化学装置在下面的图2中示意性地示出。
空穴传输层70可以包含空穴传输材料。所述空穴传输材料是可以在第一电极20与第一有机材料层60之间传输空穴的材料，并且合适地为具有高空穴迁移率的材料。其具体实例包括芳基胺类有机材料、导电聚合物以及同时具有共轭部分和非共轭部分的嵌段共聚物等，但并不局限于此。
更具体而言，空穴传输材料的实例包括用聚(苯乙烯磺酸)掺杂的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT:PSS)和N,N'-双(3-甲基苯基)-N,N'-二苯基-[1,1'-联苯]-4,4'-二胺(TPD)等，但并不局限于此。
绝缘层40可以采用现有技术中已知的材料和方法来形成。
中间层30可以具有比第一电极20和第二电极50更低的电导率。
第二电极50可以在中间层30上形成。第二电极50可以包含规则图案或者不规则图案。
对用于第二电极50的材料没有特别限制，可以采用金属、导电氧化物、碳材料和导电聚合物等。金属的实例包括钛、镍、铂、金、银、铜、铝、钨、铑和铟等。导电氧化物的实例包括氧化锡、氟掺杂氧化锡(FTO)、氧化铟、锡掺杂氧化铟(ITO)和氧化锌等。碳材料的实例包括碳纳米管、石墨烯和炭黑等。导电聚合物的实例包括PEDOT-PSS、聚吡咯、聚苯胺和聚-EDT等。这些材料可以单独使用或者组合使用。
第二电极50可以通过沉积方法涂布在衬底上。所述第二电极可以通过例如热金属蒸发、电子束蒸发、RF溅射、磁控溅射、原子层沉积、电弧蒸镀沉积和离子束辅助沉积的物理气相沉积或者例如CVD、MOCVD和PECVD的化学气相沉积的方法，在衬底30上沉积诸如金属、导电氧化物、碳材料和导电聚合物的导电材料来形成。
特别是，在如下面图15中示出的相关领域中的有机太阳能电池的结构中，光由玻璃表面的一侧吸收，而在本发明中，通过以规则图案或不规则图案形成第二电极50，可以使光由该第二电极上形成的第一有机材料层的表面一侧吸收或发射至其中。
另外，在本发明中，所述第一电极20和第二电极50均可以为金属电极。因此，可以提供具有优异导电性的有机电化学装置。
第一有机材料层60可以在第二电极50和中间层30上形成。因此，至少部分的第一有机材料层60可以与第二电极和中间层接触。
对于第一有机材料层60的表面状态没有特别限制。第一有机材料层60的表面状态可以为如下面图2中所示的平整表面的形式，也可以为如下面图4中所示的弯曲表面的形式。
此外，根据本发明的有机电化学装置可以具有如下面图5中所示的第二电极50被包含在第一有机材料层60中的结构。
所述第一有机材料层60可以是有机光活性层。
当将所述有机电化学装置应用于有机太阳能电池时，所述有机光活性层可以包含电子给体材料和/或电子受体材料。
作为电子给体材料，可以使用适合于光吸收波长范围或太阳光谱、具有较强的光吸收并具有优异的电性质如电荷迁移率的高分子化合物。所述电子给体材料可以包括合成的高分子材料聚(3-己基噻吩)(P3HT)，但并不局限于此。
电子受体材料可以是富勒烯、富勒烯衍生物、vasocuproin、半导体元素、半导体化合物或者它们的组合，具体而言，可以是苯基C61-丁酸甲酯(PC61BM)或苯基C71-丁酸甲酯(PC71BM)，但并不局限于此。
在所述有机光活性层中，电子给体材料和电子受体材料可以形成本体异质结(BHJ)。电子给体材料和电子受体材料可以以1:10至10:1的比例(w/w：
质量比)相互混合。将电子给体材料和电子受体材料混合，然后可以在30℃至300℃下退火1秒至24小时，以使其特性最大化。
所述有机光活性层的厚度可以为至但并不局限于此。
当将所述有机电化学装置应用于有机发光元件时，所述有机光活性层可以包含发光材料。所述发光材料是通过对来自空穴传输层的空穴和来自电子传输层的电子进行接收和复合而能够发出可见光区域的光的材料，并且优选为对于荧光或磷光具有较高量子效率的材料。其具体实例包括：8-羟基喹啉-铝络合物(8-hydroxy-quinoline-aluminum complex)(Alq3)，咔唑类化合物，二聚苯乙烯基化合物，BAlq，10-羟基苯并喹啉-金属化合物，苯并噁唑类、苯并噻唑类和苯并咪唑类化合物，聚(对亚苯基亚乙烯基)(PPV)类聚合物，螺环化合物以及聚芴和红荧烯等，但并不局限于此。
当将所述有机电化学装置应用于有机电致变色元件时，所述有机光活性层可以是有机电致变色层。
如上所述，通过控制第一有机材料层中包含的材料从而使得适合其用途，根据本发明的有机电化学装置可以应用于多种有机电化学装置，例如有机太阳能电池、有机光电检测元件、有机发光元件和有机电致变色元件。
根据本发明的有机电化学装置可以额外地包括在中间层30与第一有机材料层60之间的第二有机材料层80。具有上述结构的有机电化学装置的图示结构在下面的图6中示出。
所述第二有机材料层可以包含前述例示为用于第一有机材料层的材料的材料。优选第一有机材料层包含第一材料，第二有机材料层包含第二材料，且该第一材料和第二材料包含彼此不同的材料。并且，优选第一材料和第二材料可以吸收波长范围彼此不同的光，且第二材料吸收具有比第一材料吸收的光更长波长的光，但本发明并不局限于此。
根据本发明的有机电化学装置可以额外地包括在第一有机材料层60与第二电极50之间的电子传输层90。具有上述结构的有机电化学装置的图示结构在下面的图7中示出。
电子传输层90可以包含电子传输材料。所述电子传输材料是可以接受电子并将其由第二电极向第一有机材料层60传输的材料，并且合适地为具有高电子迁移率的材料。其具体实例包括：三羟基喹啉铝(aluminumtrihydroxyquinoline)(Alq3)、1,3,4-噁二唑衍生物2-(4-联苯)-5-苯基-1,3,4-噁二唑(PBD)、喹喔啉衍生物1,3,4-三[(3-苯基-6-三氟甲基)喹喔啉-2-基]苯(TPQ)以及三唑衍生物等，但并不局限于此。
可以使用多种高分子材料，通过上述沉积方法或者溶剂法(例如，诸如旋涂、浸涂、刮涂、丝网印刷、喷墨印刷的方法或热转印法)来制造所述中间层30、绝缘层40、空穴传输层70、第一有机材料层60、第二有机材料层70和电子传输层90等。
图8是图示性地示出根据本发明的第八示例性实施方案的有机电化学装置的视图。根据第八示例性实施方案的有机电化学装置包括：衬底10，装备在所述衬底上的第一有机材料层60，装备在所述第一有机材料层60上的第一电极20，第二电极50，以及装备在所述第一有机材料层60与所述第二电极50之间的中间层30，其中，至少部分的所述中间层30与第一电极20和第一有机材料层60接触。
优选根据第八示例性实施方案的有机电化学装置的衬底10是透明的。
根据第八示例性实施方案的有机电化学装置的第一电极20可以包含规则图案或不规则图案。在本发明中，通过以规则图案或不规则图案形成第一电极20，可以使光由位于该第一电极下表面的衬底的表面一侧吸收或发射至其中。
另外，在本发明中，所述第一电极20和第二电极50均可以为金属电极。因此，可以提供具有优异导电性的有机电化学装置。
在根据第八示例性实施方案的有机电化学装置中，中间层30可以包括空穴传输层70和绝缘层40。此外，所述中间层30包括空穴传输层70，还可以额外地包括在该中间层30与第一电极20之间的绝缘层40。具有上述结构的有机电化学装置在下面的图9中示意性地示出。
对于空穴传输层70的表面状态没有特别限制。空穴传输层70的表面状态可以为如下面图9中所示的平整表面的形式，也可以为如下面图10中所示的不平整的形式。
根据第八示例性实施方案的有机电化学装置可以额外地包括在中间层30与第一有机材料层60之间的第二有机材料层80。具有上述结构的有机电化学装置的图示结构在下面的图11中示出。
在根据第八示例性实施方案的有机电化学装置中，用于第一电极20、中间层30、绝缘层40、第二电极50、空穴传输层70、第一有机材料层60、第二有机材料层70和电子传输层90等的材料和形成方法与上述的材料和形成方法相同或相似，因此将省略对于它们的具体描述。
根据本发明的有机电化学装置可以应用于多种有机电化学装置，例如有机太阳能电池、有机光电检测元件、有机发光元件和有机电致变色元件。
在相关领域中的有机太阳能电池示意性地示于下面的图15中。此外，根据本发明的有机太阳能电池示意性地示于下面的图12中，根据本发明的有机发光元件示意性地示于下面的图13中，根据本发明的有机电致变色元件示意性地示于下面的图14中。
另外，根据本发明的一个示例性实施方案的制造有机电化学装置的方法包括：在衬底上形成第一电极；在所述第一电极上形成中间层；在所述中间层上形成第二电极，使得至少部分的第二电极与中间层接触；以及在所述中间层上形成第一有机材料层。
另外，根据本发明的另一个示例性实施方案的制造有机电化学装置的方法包括：在衬底上形成第一有机材料层；在所述第一有机材料层上形成第一电极，使得至少部分的第一电极与第一有机材料层接触；在所述第一有机材料层和所述第一电极上形成中间层；以及在所述中间层上形成第二电极。
在根据本发明的制造有机电化学装置的方法中，用于第一电极20、中间层30、绝缘层40、第二电极50、空穴传输层70、第一有机材料层60、第二有机材料层70和电子传输层90等的材料和形成方法与上述的材料和形成方法相同或相似，因此将省略对于它们的具体描述。
根据本发明的一个示例性实施方案的有机电化学装置可以提高能量转换效率，这是因为可以在第二电极和中间层上形成有机活性层。此外，根据本发明的另一个示例性实施方案的有机电化学装置可以使用金属电极作为第一电极和第二电极，由此提高导电性并以较低的成本来实施。
另外，根据本发明的又一个示例性实施方案的有机电化学装置通过在第二电极上包括有机材料层而可以改善有机电化学装置的柔韧性，通过将光直接照射在装备于第二电极上部的有机材料层上而不使光穿过透明电极而可以减少由于电极和空穴传输层等的光吸收导致的光损失，并且由于光从金属电极的反射而可以提高光的再吸收率。根据本发明的有机电化学装置可以应用于多种有机电化学装置，例如有机太阳能电池、有机光电检测元件、有机发光元件和有机电致变色元件。

Claims (27)

1.一种有机电化学装置，包括：
衬底；
第一电极，该第一电极装备在所述衬底上；
中间层，该中间层装备在所述第一电极上；
第二电极，该第二电极装备在所述中间层上；以及
第一有机材料层，
其中，至少部分的所述第一有机材料层与所述第二电极和所述中间层接触。
2.根据权利要求1所述的有机电化学装置，其中，所述中间层包括空穴传输层。
3.根据权利要求2所述的有机电化学装置，其中，所述中间层包括绝缘层。
4.根据权利要求2所述的有机电化学装置，还包括：
装备在所述中间层与所述第二电极之间的绝缘层。
5.根据权利要求1所述的有机电化学装置，其中，所述第一电极和所述第二电极均是金属电极。
6.根据权利要求1所述的有机电化学装置，其中，所述第一有机材料层是有机光活性层。
7.根据权利要求1所述的有机电化学装置，还包括：
装备在所述中间层与所述第一有机材料层之间的第二有机材料层。
8.根据权利要求7所述的有机电化学装置，其中，所述第一有机材料层包含第一材料，所述第二有机材料层包含第二材料，并且
所述第一材料和所述第二材料为彼此不同的材料。
9.根据权利要求8所述的有机电化学装置，其中，所述第一材料和所述第二材料吸收波长范围彼此不同的光。
10.根据权利要求9所述的有机电化学装置，其中，所述第二材料吸收具有比所述第一材料吸收的光更长波长的光。
11.根据权利要求1所述的有机电化学装置，其中，所述第二电极包含规则图案或不规则图案。
12.根据权利要求1所述的有机电化学装置，还包括：
装备在所述第二电极上的电子传输层。
13.一种有机电化学装置，包括：
衬底；
第一有机材料层，该第一有机材料层装备在所述衬底上；
第一电极，该第一电极装备在所述第一有机材料层上；
第二电极；以及
中间层，该中间层装备在所述第一有机材料层与所述第二电极之间，
其中，至少部分的所述中间层与所述第一电极和所述第一有机材料层接触。
14.根据权利要求13所述的有机电化学装置，其中，所述中间层包括空穴传输层。
15.根据权利要求14所述的有机电化学装置，其中，所述中间层包括绝缘层。
16.根据权利要求14所述的有机电化学装置，还包括：
装备在所述第一电极与所述中间层之间的绝缘层。
17.根据权利要求13所述的有机电化学装置，其中，所述第一电极和所述第二电极均是金属电极。
18.根据权利要求13所述的有机电化学装置，其中，所述第一有机材料层是有机光活性层。
19.根据权利要求13所述的有机电化学装置，还包括：
装备在所述中间层与所述第一有机材料层之间的第二有机材料层。
20.根据权利要求19所述的有机电化学装置，其中，所述第一有机材料层包含第一材料，所述第二有机材料层包含第二材料，并且
所述第一材料和所述第二材料为彼此不同的材料。
21.根据权利要求20所述的有机电化学装置，其中，所述第一材料和所述第二材料吸收波长范围彼此不同的光。
22.根据权利要求21所述的有机电化学装置，其中，所述第二材料吸收具有比所述第一材料吸收的光更长波长的光。
23.根据权利要求13所述的有机电化学装置，其中，所述第二电极包含规则图案或不规则图案。
24.根据权利要求13所述的有机电化学装置，还包括：
装备在所述第一有机材料层与所述第一电极之间的电子传输层。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的有机电化学装置，其中，该有机电化学装置选自有机太阳能电池、有机光电检测元件和有机电致变色元件中。
26.一种制造有机电化学装置的方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成中间层；
在所述中间层上形成第二电极，使得至少部分的第二电极与中间层接触；以及
在所述中间层上形成第一有机材料层。
27.一种制造有机电化学装置的方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一有机材料层；
在所述第一有机材料层上形成第一电极，使得至少部分的第一电极与第一有机材料层接触；
在所述第一有机材料层和所述第一电极上形成中间层；以及
在所述中间层上形成第二电极。
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