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TW201539819A - 高效率多接面小分子光伏裝置 - Google Patents

高效率多接面小分子光伏裝置 Download PDF

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TW201539819A
TW201539819A TW104101369A TW104101369A TW201539819A TW 201539819 A TW201539819 A TW 201539819A TW 104101369 A TW104101369 A TW 104101369A TW 104101369 A TW104101369 A TW 104101369A TW 201539819 A TW201539819 A TW 201539819A
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donors
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TW104101369A
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Stephen R Forrest
Xiao-Zhou Che
Xin Xiao
Original Assignee
Univ Michigan
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Abstract

本文揭示高效率多接面小分子有機光伏裝置及其製造方法。本文亦揭示使用該等多接面裝置改良光譜覆蓋及捕光效率之設計考慮。

Description

高效率多接面小分子光伏裝置 相關申請案之交叉引用
本申請案主張2014年1月15日申請之美國臨時申請案第61/927,934號、2014年1月16日申請之美國臨時申請案第61/928,048號、2014年4月4日申請之美國臨時申請案第61/975,626號、2014年4月8日申請之美國臨時申請案第61/976,942號及2014年7月18日申請之美國臨時申請案第62/026,275號之權利，該等申請案全部以全文引用之方式併入本文中。
[關於聯邦政府贊助研究之聲明]
本發明在美國政府支援下依據由美國能源部(Department of Energy)授予的合同第DE-EE0005310號及DE-SC0000957號進行。政府具有本發明中之某些權利。
[聯合研究協議]
本發明之標的物係由、代表一或多個以下聯合之大學公司研究協議當事人及/或與該等當事人一起完成的：密歇根大學董事會(Regents of the University of Michigan)及NanoFlex電力公司(NanoFlex Power Corporation)。該協議在本發明之標的物起草之日及之前有效且該協議係作為在該協議範疇內所進行之活動的結果而創製的。
本發明大體上係關於有機光電裝置，且特定而言，係關於多接面小分子光伏裝置。
光電裝置依賴於材料之光學及電子性質以電子式地產生或偵測電磁輻射或自環境電磁輻射產生電。
感光性光電裝置將電磁輻射轉換為電。太陽能電池(亦稱為光伏(PV)裝置或電池)為一類特定用於產生電力之感光性光電裝置。可自除了日光之外的光源產生電能之PV裝置可用於驅動耗電負載以提供(例如)照明、供暖或用於為電子電路系統或裝置(諸如計算器、收音機、電腦或遠端監測或通信設備)供電。此等發電應用亦常涉及電池或其他能量儲存裝置之充電，以使得在得不到來自太陽或其他光源之直接照明時操作可繼續，或平衡PV裝置之功率輸出與具體的應用要求。
可針對標準照明條件(亦即，1000W/m2、AM 1.5光譜照明之標準測試條件)下的最大電力產生來最佳化PV裝置以獲得光電流乘以光電壓之最大乘積。此電池在標準照明條件下的功率轉換效率視以下三個參數而定：(1)零偏壓下之電流，亦即，短路電流ISC，單位為安培，(2)開路條件下之光電壓，亦即，開路電壓VOC，單位為伏特，及(3)填充因數，FF。
ISC常替代地列示為JSC(短路電流密度(單位為mA/cm2))以移除該值對太陽能電池之面積的相依性。因此，藉由分別除以或乘以PV裝置之面積，ISC可容易轉換為JSC或自JSC導出。
PV裝置在跨越負載連接且藉由光輻照時產生光生電流。當在無限負載下受到輻照時，PV裝置產生其最大可能電壓、V開路或VOC。當被輻照且其電觸點短路時，PV裝置產生其最大可能電流、I短路或ISC。在實際用於發電時，PV裝置連接至有限電阻性負載且功率輸出由電流與電壓之乘積VI給定。由PV裝置產生之最大總功率固有地不能超過乘積(ISCVOC)。當針對最大功率提取最佳化了負載值時，電流及電壓分別具有值IMAX及VMAX。
PV裝置之優值為填充因數(FF)，定義為：FF=(IMAXVMAX)/(ISCVOC)
其中FF總是小於1，因為不會在實際使用中同時獲得ISC及VOC。但是，在最佳條件下，隨著FF接近1，裝置具有較低之串聯或內部電阻且因此將ISC與VOC之乘積之更大百分比遞送至負載。其中Pinc為入射於裝置上之功率，裝置之功率效率(ηP)可經如下計算：ηP=FF(ISCVOC)/Pinc
為了產生佔據半導體之實質體積之內部產生的電場，常見方法為將具有適當選擇之導電性質(尤其關於其分子量子能量狀態之分佈)之兩層材料(供體及受體)並置。此等兩種材料之界面稱為光伏接面。在傳統半導體理論中，用於形成PV接面之材料大體上表示為n型或p型。此處，n型表示多數載流子類型為電子。此可視為具有許多處於相對自由能態中之電子之材料。p型表示多數載流子類型為電洞。此材料具有許多在相對自由能態中之電洞。背景(亦即，非光生)多數載流子濃度類型主要取決於缺陷或雜質之無意摻雜。雜質之類型及濃度判定在傳導帶最低能量與價能帶最高能量之間的間隙(亦稱為HOMO-LUMO間隙)內的費米(Fermi)能量值或能階。費米能量表徵分子量子能態之統計佔據，其由佔據機率等於½的能量值表示。傳導帶最低(LUMO)能量附近的費米能量指示電子為支配載流子。價能帶最大(HOMO)能量附近的費米能量指示電洞為支配載流子。因此，費米能量為傳統半導體之主要表徵性質且原型PV接面傳統上為p-n界面。
有機光伏裝置(OPV)中的載流子產生需要激子產生、擴散及離子化或收集。存在與此等過程中之每一者相關聯之效率η。歸因於有機材料中的光生過程之基本性質，據信有機供體-受體(D-A)異質接面處的能階偏移對於有機PV裝置之操作是重要的。在有機材料受到光學激勵時，產生局部Frenkel或電荷轉移激子。為了使電偵測或電流產生 發生，受縛激子必須解離為其組成電子及電洞。此過程可由內建式電場誘發，但通常在有機裝置中發現的電場(F~106V/cm)處的效率較低。有機材料中的最有效之激子解離在D-A界面處發生。在此界面處，具有低游離電位之供體材料與具有高電子親和性之受體材料形成異質接面。視供體及受體材料之能階之對準而定，激子之解離可在此界面處變得在能量方面有利，導致受體材料中的自由電子極化子及供體材料中的自由電洞極化子。
OPV為太陽能轉換提供低成本、重量輕及機械可撓性途徑。與聚合物OPV相比，小分子OPV享有使用具有定義明確的分子結構及分子量的材料的優點。因此，小分子提供純化之簡單路徑，且與使用高度受控之熱蒸發之多層沈積相容，而不必顧慮會溶解(及因此損害)先前沈積之層或子電池。
單接面OPV可受制於狹窄吸收範圍、低開路電壓(VOC)及大光子能量損失，最終限制其功率轉換效率。改良電池效能之一種方式為藉由使用多接面電池捕獲更多太陽光譜。舉例而言，已展示串接(亦即，兩個子電池)聚合物OPV具有10.6%之功率轉換效率。參見J.You等人之「A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency」Nat.Commun.,4,1446(2013)。此外，已證實達成9.6%之功率轉換效率之三接面聚合物OPV。參見W.Li等人之「Efficient Tandem and Triple-Junction Polymer Solar Cells」Journal of the American Chemical Society(美國化學學會雜誌)，135,5529-5532(2013)。然而，此三接面聚合物OPV將背面子電池分為兩個更薄的子電池，由於層厚度受溶液處理考慮因素限制，此情況導致量子效率之損失。
根據本發明，可經真空沈積之小分子材料避免此問題，從而允許製造具有幾乎無限數目之子電池之OPV。因此，本文揭示包含三個 或三個以上子電池之多接面OPV，其中子電池中之至少一者、兩者、三者或更多者包含小分子材料。
在本發明之一個態樣中，多接面有機光伏裝置包含：處於疊置關係之兩個電極；第一子電池，其包含形成第一供體-受體異質接面之第一有機供體及第一有機受體；第二子電池，其包含形成第二供體-受體異質接面之第二有機供體及第二有機受體；第三子電池，其包含形成第三供體-受體異質接面之第三有機供體及第三有機受體；第一分離層；及第二分離層，其中第一、第二及第三子電池位於兩個電極之間，第二子電池位於第一子電池與第三子電池之間，第一分離層位於第一子電池與第二子電池之間，第二分離層位於第二子電池與第三子電池之間，且該等子電池中之至少兩者包含小分子材料。
在一些實施例中，第一、第二及第三供體各自主要在非重疊波長處進行吸收。在其他實施例中，第一、第二及第三供體主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且第一、第二及第三子電池定位於一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。在一些實施例中，第一、第二及第三供體中之僅兩者主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且對應於主要在一或多個重疊波長處進行吸收的兩個供體的子電池定位於該一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
在另一態樣中，多接面有機光伏裝置包含：處於疊置關係之兩個電極；第一子電池，其包含形成第一供體-受體異質接面之第一有機供體及第一有機受體；第二子電池，其包含形成第二供體-受體異質接面之第二有機供體及第二有機受體；第三子電池，其包含形成第三供體-受體異質接面之第三有機供體及第三有機受體；第四子電池，其包含形成第四供體-受體異質接面之第四有機供體及第四有機受體；第一分離層；第二分離層；及第三分離層，其中第一、第二、第三及第四子電池位於兩個電極之間，第二子電池位於第一子電池與 第三子電池之間，第三子電池位於第二子電池與第四子電池之間，第一分離層位於第一子電池與第二子電池之間，第二分離層位於第二子電池與第三子電池之間，第三分離層位於第三子電池與第四子電池之間，且該等子電池中之三者或全部四者包含小分子材料。
在一些實施例中，該等供體中之兩者或兩個以上者主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收，且對應於主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的供體材料的子電池定位於一或多個第一重疊波長內之不同光學干涉最大值處。在一些實施例中，該等供體中之另外兩者主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收，且對應於主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收的供體材料的子電池定位於一或多個第二重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
在另一態樣中，多接面有機光伏裝置包含：處於疊置關係之兩個電極；位於該等電極之間的五個或五個以上子電池，其中每一對相鄰子電池由分離層分隔，該等子電池中之兩者或兩個以上者各自包含主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的供體，且包含主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的供體的該等子電池中之每一者定位於一或多個第一重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
在另一態樣中，一種製造多接面有機光伏裝置之方法包含：在第一電極上方沈積第一子電池；在第一子電池上方沈積第一分離層；在第一分離層上方沈積第二子電池；在第二子電池上方沈積第二分離層；在第二分離層上方沈積第三子電池；及在第三子電池上方沈積第二電極，其中該等子電池中之每一者包含選自小分子材料之材料。
在另一態樣中，一種製造多接面有機光伏裝置之方法包含：在第一電極上方沈積四個或四個以上子電池，及在該等四個或四個以上子電池上方沈積第二電極，其中該等子電池中之每一相鄰對由分離層分隔，且其中該等子電池中之每一者包含小分子材料。
本發明之前述及其他特徵將自結合所附圖式之例示性實施例之以下詳細描述而更容易顯而易見。將注意，為方便起見，所有結構圖解展示相對於寬度誇示之高度尺寸。
隨附圖式併入本說明書中且構成本說明書之一部分。
術語「電極」及「觸點」在本文中用於指提供用於將光生電流遞送至外部電路或將偏壓電流或電壓提供至裝置之媒介的層。亦即，電極或觸點提供有機感光性光電裝置之光敏性區域與用於將電荷載流子傳輸至外部電路或自外部電路傳輸之電線、引線、跡線或其他構件之間的界面。陽極及陰極為實例。
在感光性光電裝置中，可能需要允許來自裝置外部之最大量的環境電磁輻射進入光導活性內部區域。亦即，電磁輻射必須到達光敏 性層，在該等光敏性層處，其可藉由光導吸收轉換為電。此情況常規定了電觸點中之至少一者應最低程度地吸收及最低程度地反射入射之電磁輻射。在一些情況下，此觸點應為透明的或至少半透明的。當電極允許至少50%之相關波長的入射電磁輻射經由該電極傳輸時，該電極被稱為「透明的」。當電極允許傳輸一些但低於50%之相關波長的環境電磁輻射時，該電極被稱為「半透明的」。相對電極可為反射性材料以使得通過電池而未被吸收的光經由電池反射回來。
如本文中所使用及描繪，「層」係指主要維度為X-Y(亦即，沿其長度及寬度)之感光性裝置之部件或組件。應理解，術語層不必限於材料之單一層或片。另外，應理解，某些層之表面(包括此等層與其他材料或層之界面)可係不完美的，其中該等表面表示與其他材料或層之互相滲透、纏結或捲曲網路。類似地，亦應理解，層可為不連續的，使得該層沿X-Y維度之連續性可被擾亂或以其它方式由其他層或材料中斷。
如本文中所使用，「光敏性區域」係指光伏裝置之吸收電磁輻射以產生激子之區域。類似地，若層吸收電磁輻射以產生激子，則該層為「光敏性的」。激子可解離為電子及電洞以產生電流。
在本發明之有機材料之背景下，術語「供體」及「受體」係指兩種接觸但不同的有機材料之HOMO及LUMO能階之相對位置。若與另一種材料接觸之一種材料之LUMO能階較低，則彼材料為受體。否則其為供體。在無外部偏壓之情況下，供體-受體接面處的電子移動至受體材料中以及電洞移動至供體材料中在能量方面為有利的。
如本文所用且如熟習此項技術者通常將瞭解，若第一能階較接近於真空能階，則第一「最高佔據分子軌域」(HOMO)或「最低未佔據分子軌域」(LUMO)能階「大於」或「高於」第二HOMO或LUMO能階。由於游離電位(IP)經量測為相對於真空能階之負能量，故較高 HOMO能階對應於具有較小絕對值之IP(較小負值之IP)。類似地，較高LUMO能階對應於具有較小絕對值之電子親和性(EA)(較小負值之EA)。在真空能階處於頂部之習知能階圖上，材料之LUMO能階高於相同材料之HOMO能階。「較高」HOMO或LUMO能階比「較低」HOMO或LUMO能階更接近該圖之頂部。
當將OPV稱為具有「子電池」時，如本文中所使用之該術語，個別子電池係指光伏裝置中的每一各別光敏性區域，每一區域含有供體-受體異質接面。
如本文中所使用，「小分子材料」係指並非聚合物之任何有機材料，且「小分子」實際上可非常大。在一些情況下，小分子可包括重複單元。舉例而言，小分子可包括單體、二聚體、寡聚物及樹枝狀聚合物。大體而言，小分子具有經定義之化學式，其中分子具有相同分子量，而聚合物具有經定義之化學式，其中分子之分子量可有所不同。
如本文中所使用，術語「光學干涉最大值」係指裝置內之光場強度對於特定波長為最高的點。舉例而言，一般情況下，一階光學干涉最大值在λ/4n處出現，且二階光學干涉最大值在3λ/4n處出現，其中λ係波長且n係裝置層之折射率。如一般熟習此項技術者將瞭解，判定干涉最大值之精確位置可需要考慮在光波通過多種材料時之多種折射率。
如本文中所使用，材料之「主要吸收」係指以材料之吸收峰值為中心的100nm光譜範圍。因此，如本文中所使用，材料在以其峰值吸收為中心的100nm範圍內的波長處「主要吸收」。當將一種材料稱為在光譜之特定區域(例如，綠色光譜)中「主要吸收」時，此情況意謂在該材料之「主要吸收」內，材料在該特定光譜區域中吸收比在任何其他光譜區域中更多的電磁輻射。
如圖1中所展示，揭示一種有機光伏裝置，其包含：處於疊置關係之兩個電極；第一子電池；第二子電池；第三子電池；第一分離層；及第二分離層，其中第一、第二及第三子電池位於兩個電極之間，第二子電池位於第一子電池與第三子電池之間，第一分離層將第一子電池與第二子電池分隔，且第二分離層將第二子電池與第三子電池分隔。
第一子電池包含形成第一供體-受體異質接面之第一有機供體及第一有機受體。第二子電池包含形成第二供體-受體異質接面之第二有機供體及第二有機受體。第三子電池包含形成第三供體-受體異質接面之第三有機供體及第三有機受體。
第一、第二及第三子電池中之至少一者包含小分子材料(亦即，小分子供體及受體材料)。在一些實施例中，子電池中之至少兩者包含小分子材料。舉例而言，第一子電池可包含聚合物材料且第二及第三子電池可包含小分子材料。在某些實施例中，兩個電極、第一、第二及第三子電池以及第一及第二分離層安置在基板上方，以使得第一子電池經定位為比第二及第三子電池更接近基板。在一些該等實施例中，第一子電池包含聚合物材料。以此方式，可在沈積剩餘子電池之前製造經溶液處理之第一子電池以將由暴露於液體溶劑引起之潛在損害降至最低。
在一些實施例中，第一、第二及第三子電池中之所有三者包含小分子材料。
用於當前所揭示之裝置中的小分子供體材料之合適實例包括(但不限於)酞菁(諸如銅酞菁(CuPc)、氯鋁酞菁(ClAlPc)、錫酞菁(SnPc)、鋅酞菁(ZnPc)及其他經改質之酞菁)、亞酞菁(諸如硼亞酞菁(SubPc))、萘酞菁、部花青素染料、硼-二吡咯亞甲基(BODIPY)染料、二茚并苝(DIP)、方酸(SQ)染料、四苯基二苯并二茚并芘(DBP)、 2-((7-(5-(二對甲苯胺基)噻吩-2-基)苯并[c][1,2,5]噻二唑-4-基)亞甲基)丙二腈(DTDCTB)、2-[(7-{4-[N,N-雙(4-甲基苯基)胺基]苯基}-2,1,3-苯并噻二唑-4-基)亞甲基]丙烷二腈(DTDCPB))及其衍生物。方酸供體材料之實例包括(但不限於)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)。圖2提供DBP、DTDCTB、及DTDCPB之化學結構。
用於當前所揭示之裝置中的小分子受體材料之合適實例包括(但不限於)富勒烯及富勒烯衍生物(例如，PCBM、ICBA、ICMA等)。非限制實例為選自C60、C70、C76、C82、C84或其衍生物(諸如[6,6]-苯基-C61-丁酸-甲酯([60]PCBM)、[6,6]-苯基-C71-丁酸-甲酯([70]PCBM)或噻吩基-C61-丁酸-甲酯([60]ThCBM))及其他受體(諸如3,4,9,10-苝四羧基-二苯并咪唑(PTCBI)、十六氟酞菁(F16CuPc))及其衍生物之彼等材料。
在一些實施例中，第一、第二及第三受體中之每一者係選自富勒烯及其衍生物。在某些實施例中，第一、第二及第三受體中之每一者係選自C60及C70。
在一些實施例中，第一、第二及第三供體中之一者、兩者或所有三者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
第一、第二及第三供體-受體異質接面可獨立地選自此項技術中已知的彼等異質接面，諸如平面異質接面、塊狀異質接面、混合異質接面及混雜式平面混合異質接面。除混合供體-受體區域之外之混雜式平面混合異質接面也使用包覆混合區域的純淨(均質)供體及/或受體。在某些混雜式平面混合異質接面中，包覆混合區域的純淨供體及/或受體包含混合區域之相同供體及/或受體材料。在一些實施例中，第一、第二及第三供體-受體異質接面中之一者、兩者或所有三者係混雜式平面混合異質接面。
子電池可經並聯或串聯電連接。本文中所提及之分離層用以將子電池彼此分隔。分離層可各自包含至少一個電荷轉移層、至少一個電極或至少一個電荷再結合層。
電荷再結合層允許自一個子電池流動之電子與自相鄰子電池流動之電洞再結合。在一些實施例中，電荷再結合層可包含金屬奈米簇、奈米粒子或奈米棒。在一些實施例中，電荷再結合層包含薄金屬層。在某些實施例中，金屬係選自Ag、Li、LiF、Al、Ti及Sn。在某些實施例中，電荷再結合層小於或等於約20Å厚，諸如小於或等於約15Å、10Å或5Å厚。小厚度確保足夠的光在子電池之間通過。
在一些實施例中，第一分離層包含第一電荷再結合層且第二分離層包含第二電荷再結合層。在一些實施例中，第一及第二電荷再結合層各自包含薄金屬層。在某些實施例中，薄金屬層中之每一者具有20Å或更小之厚度，諸如15Å或更小，或10Å或更小。在某些實施例中，薄金屬層中之每一者係選自Ag、Li、LiF、Al、Ti及Sn。在某些實施例中，薄金屬層中之每一者包含Ag。
分離層可各自進一步包含在傳導適當電荷載流子時阻擋激子之層。此等層最低程度地吸收以允許最大量之電磁輻射在子電池之間通過係重要的。如以引用之方式併入本文中之國際公開案第WO2014/169270號及國際申請案第PCT/US2014/062351號中描述之激子-阻擋電荷-載流子過濾器(亦即，激子-阻擋電子過濾器及激子-阻擋電洞過濾器)對於此等層係適合的例示性選擇。視待根據裝置組態傳導之適當的電荷載流子而定，此等激子阻擋的電子/電洞過濾器包含寬能隙材料與電子傳導材料抑或電洞傳導材料之混合物。寬能隙材料阻擋激子，而電子傳導材料或電洞傳導材料分別將電子或電洞傳輸至(例如)電荷再結合層。
合適的寬能隙材料包括(但不限於)浴銅靈(BCP)、浴啡啉 (BPhen)、對雙(三苯基矽烷基)苯(UGH-2)、(4,4'-N,N'-二咔唑)聯二苯(CBP)、N,N'-二咔唑基-3,5-苯(mCP)、菲及烷基及/或芳基取代菲類、烷基及/或芳基取代苯衍生物、聯伸三苯及烷基及/或芳基取代聯伸三苯、氮雜取代聯伸三苯、噁二唑、三唑、芳基苯并咪唑、金剛烷及烷基及/或芳基取代金剛烷、四芳基甲烷及其衍生物、9,9-二烷基茀及其寡聚物、9,9-二芳基茀及其寡聚物、螺環-聯二苯及經取代衍生物、碗烯(corannulene)及其烷基及/或芳基取代衍生物，及其衍生物。
在一些實施例中，激子-阻擋電荷-載流子過濾器中的電子傳導材料或電洞傳導材料包含與相鄰子電池中的受體或供體相同的材料。在某些實施例中，電子傳導材料係富勒烯(例如C60)。第一及第二分離層可能但不必包含相同材料。分離層可能包含激子阻擋之電子過濾器及激子阻擋之電洞過濾器兩者。激子阻擋之電子過濾器阻擋激子且自一個子電池傳導電子，而激子阻擋之電洞過濾器阻擋激子且自相鄰子電池傳導電洞。
分離層之實例展示於圖3A中之樣品裝置示意圖中，其中第一分離層及第二分離層各自包含薄Ag電荷再結合層及Bphen：C60激子阻擋電子過濾器。
根據最大化由OPV吸收之電磁輻射量之需要，本發明描述改良電池效能之多接面OPV設計。
一種設計選擇三種供體材料以將其吸收光譜中之重疊降至最低，從而允許每一子電池中平衡的吸收及電流產生。因此，在此第一設計考慮下，第一、第二及第三供體各自主要在非重疊波長處進行吸收。亦即，第一、第二及第三供體中之每一者具有不與其他兩者重疊之主要吸收。在一些實施例中，第一、第二及第三供體中之兩者係選自小分子材料。在一些實施例中，第一、第二及第三子電池全部係選自小分子材料。
在一些實施例中，三個供體各自主要在其各別主要吸收內之一或多個波長處的光學干涉最大值處進行吸收。在某些實施例中，三個供體各自主要在其各別主要吸收內之一或多個波長處的一階光學干涉最大值處進行吸收。
作為第一設計考慮之實例，第一、第二及第三供體可經選擇以使得一個供體主要在NIR光譜中吸收，一個供體主要在紅色光譜中吸收且一個供體主要在綠色光譜中吸收。在某些實施例中，第一供體主要在NIR光譜中吸收，第二供體主要在紅色光譜中吸收，且第三供體主要在綠色光譜中吸收。在另外的實施例中，最靠近第三子電池之電極係反射性電極。在某些實施例中，該電極係陰極或在其他實施例中係陽極。在某些實施例中，主要在NIR光譜中吸收之供體包含聚合物材料。在某些實施例中，主要在NIR光譜中吸收之供體包含聚合物基質中的碳奈米管。在某些實施例中，主要在NIR光譜中吸收之供體包含量子點，諸如PbS量子點。
在一些實施例中，第一、第二及第三供體中之一者或兩者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。DTDCTB主要在紅色光譜中吸收，且DBP及DTDCPB主要在綠色光譜中吸收。在某些實施例中，供體中之一者包含DTDCTB或其衍生物，且供體中之另一者包含DBP、DTDCPB或其衍生物。在某些實施例中，供體中之一者包含DTDCTB或其衍生物，供體中之另一者包含DBP、DTDCPB或其衍生物，且供體中之最後一者包含主要在NIR光譜中吸收之材料。
在一些實施例中，第三供體包含DBP、DTDCPB或其衍生物，且第二供體包含DTDCTB。在一些實施例中，第三供體包含DBP、DTDCPB或其衍生物，第二供體包含DTDCTB，且第一供體包含主要在NIR光譜中吸收之材料。在某些實施例中，最靠近第三子電池之電極係反射性電極。在某些實施例中，該電極係陰極或在其他實施例中 係陽極。
根據此第一設計考慮之OPV之一個實例展示於圖4A中，其中第一供體構成主要在NIR光譜中吸收之材料，第二供體係DTDCTB(吸收紅色的)且第三供體係DBP(吸收綠色的)。
應理解，根據此第一設計考慮預期了眾多材料組合。舉例而言，SubPc(吸收峰值：580nm)可與ZnPc(吸收峰值：700nm)、ClAlPc(吸收峰值：750nm)或PbPc(吸收峰值：850nm)及NIR吸收材料(諸如PbS(吸收峰值：950nm)或卟啉膠帶(吸收峰值：1350nm))組合使用。
第一設計考慮亦可應用於第一、第二及第三受體以使得該等受體主要在非重疊波長處進行吸收。
在其他實施例中，使用重疊受體，如圖4A所示。在一些實施例中，第一、第二及第三受體中之每一者係選自富勒烯及其衍生物。在某些實施例中，第一、第二及第三受體中之每一者係選自C60及C70。
應注意，富勒烯C60在約360nm波長及約450nm波長處進行吸收，分別對應於Frenkel型及分子間電荷轉移(CT)激子特徵。CT吸收係由電子自一個分子之最高佔據分子軌域激勵至鄰近C60分子之最低未佔據分子軌域產生的。如先前所示範，即使在適度稀釋下，λ=450nm處之C60 CT峰值在混合供體-受體異質接面中顯著減少。參見國際申請案第PCT/US2014/062354號。因此，混合異質接面及混雜式平面混合異質接面可減少由在CT吸收波長處的重疊吸收引起的潛在損失(諸如藉由減少與吸收藍色/綠色的供體之潛在重疊吸收)。
根據本發明之第二設計考慮允許供體材料的吸收光譜之重疊但使用每一干涉最大值處的光場分佈以最大化電磁輻射之吸收。藉由在不同光學干涉最大值下進行吸收，具有重疊吸收之子電池可高效地捕獲光。
因此，在三接面OPV之一些實施例中，第一、第二及第三供體主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且第一、第二及第三子電池定位於一或多個重疊波長內的不同光學干涉最大值處。在一些實施例中，第一、第二及第三供體係選自小分子材料。在一些實施例中，第一、第二及第三供體包含相同小分子材料。
在其他實施例中，第一、第二及第三供體中之僅兩者主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且對應於主要在一或多個重疊波長處進行吸收的兩個供體的子電池定位於一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。舉例而言，兩個供體中之一者可在一或多個重疊波長內之一階光學干涉最大值處進行吸收，且兩者中之第二者可在一或多個重疊波長內之二階光學干涉最大值處進行吸收。此組態允許具有重疊吸收之兩個供體高效地捕獲光，而同時第三供體並未主要在一或多個重疊波長處進行吸收。亦即，第三供體可主要在光譜之不同部分中吸收以補充其他供體之吸收。在一些實施例中，未主要在一或多個重疊波長處進行吸收之供體主要在其主要吸收內之一或多個波長處的第一光學干涉最大值處進行吸收。在一些實施例中，第一、第二及第三供體係選自小分子材料。在某些實施例中，主要在一或多個重疊波長處進行吸收之兩個供體包含相同小分子材料。
在一些實施例中，第一及第三供體主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且第一及第三子電池定位於一或多個重疊波長內的不同光學干涉最大值處。舉例而言，第一及第三供體可主要吸收較短波長(例如，綠色光譜)且在不同光學干涉最大值處進行吸收，而第二供體主要在較長波長(例如，紅色光譜)處進行吸收。在另外的實施例中，最靠近第三子電池之電極係反射性電極。在另外的實施例中，該電極係陰極或在其他實施例中係陽極。
在一些實施例中，第一、第二及第三供體中之一者、兩者或所 有三者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。在某些實施例中，供體中之一者包含DTDCTB或其衍生物且供體中之另一者包含DBP、DTDCPB或其衍生物。在某些實施例中，供體中之兩者包含DTDCTB或其衍生物且供體中之一者包含DBP、DTDCPB或其衍生物。在某些實施例中，供體中之兩者包含DBP、DTDCPB或其衍生物且供體中之一者包含DTDCTB。在某些實施例中，第一及第三供體包含DBP、DTDCPB或其衍生物。在某些實施例中，第二供體包含DTDCTB。在另外的實施例中，最靠近第三子電池之電極係反射性電極。在另外的實施例中，該電極係陰極或在其他實施例中係陽極。
可藉由(例如)控制子電池之厚度以使得最大值符合於適當的子電池及/或藉由將其他裝置層(緩衝層等)用作光學隔片而將子電池定位於適當光學干涉最大值處。
根據三接面電池之此第二設計考慮之實例展示於圖3A中，其中第一及第三供體係主要吸收綠色的DBP且第二供體係主要吸收紅色的DTDCTB。因此，第一及第三供體展現重疊吸收光譜。為了高效地捕獲光，背面子電池(最靠近Ag陰極)及正面子電池(最靠近透明ITO陽極)分別符合一階光學干涉最大值及二階光學干涉最大值。
在一些實施例中，如圖3A中所展示，第一、第二及第三受體中之每一者係選自富勒烯或其衍生物。在某些實施例中，第一、第二及第三受體中之每一者係選自C60及C70。
第二設計考慮對於包含四個或四個以上子電池之多接面OPV的建構亦為實用的。如圖5中所展示，揭示一種有機光伏裝置，該有機光伏裝置包含：處於疊置關係之兩個電極；第一子電池；第二子電池；第三子電池；第四子電池；第一分離層；第二分離層；及第三分離層，其中第一、第二、第三及第四子電池位於兩個電極之間，第二子電池位於第一子電池與第三子電池之間，第三子電池位於第二子電池 與第四子電池之間，第一分離層將第一子電池與第二子電池分隔，第二分離層將第二子電池與第三子電池分隔，且第三分離層將第三子電池與第四子電池分隔。
第一子電池包含形成第一供體-受體異質接面之第一有機供體及第一有機受體。第二子電池包含形成第二供體-受體異質接面之第二有機供體及第二有機受體。第三子電池包含形成第三供體-受體異質接面之第三有機供體及第三有機受體。第四子電池包含形成第四供體-受體異質接面之第四有機供體及第四有機受體。
在一些實施例中，子電池中之三者或所有四者包含小分子材料。合適供體及受體小分子材料之實例包括(但不限於)以上描述之彼等材料。上文描述合適供體-受體異質接面之實例。在某些實施例中，供體-受體異質接面中之一者、兩者、三者或所有四者係選自混合異質接面及混雜式平面混合異質接面。
可(例如)根據上述針對分離層之揭示內容選擇第一、第二及第三分離層。
根據第二設計考慮，第一、第二、第三及第四供體中之兩者或兩個以上者主要在一或多個重疊波長處進行吸收。對應於主要在一或多個重疊波長處進行吸收之供體材料之子電池定位於一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
在某些實施例中，供體中之兩者主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收且供體中之另外兩者主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收。對應於主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收之供體材料之子電池定位於一或多個第一重疊波長內之不同光學干涉最大值處。對應於主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收之供體材料之子電池定位於一或多個第二重疊波長內之不同光學干涉最大值處。此組態允許寬光譜覆蓋，同時亦高效地在重疊波長處進行吸收。
舉例而言，根據第二設計考慮，第一及第三供體可主要在一或多個第一重疊波長處(在一些實施例中，在較長波長處，例如，在紅色光譜中)吸收且第二及第四供體可主要在一或多個第二重疊波長處(在一些實施例中，在較短波長處，例如，在綠色光譜中)吸收。第一及第三子電池可定位於一或多個第一重疊波長內之不同光學干涉最大值處，且第二及第四子電池可定位於一或多個第二重疊波長內之不同光學干涉最大值處。在某些實施例中，最靠近第四子電池之電極係反射性電極。在另外的實施例中，該電極係陰極或在其他實施例中係陽極。在另外的實施例中，第一及第三子電池分別定位於一或多個第一重疊波長內之二階及一階光學干涉最大值處，且第二及第四子電池分別定位於一或多個第二重疊波長內之二階及一階光學干涉最大值處。
圖9提供展示根據第二設計考慮之光學干涉最大值之四接面裝置之實例示意圖。具有較短波長之綠光具有更靠近Ag陰極之一階光學干涉最大值。第四子電池符合於此第一最大值且經選擇為吸收綠色的。第三子電池係吸收紅色的子電池且符合於紅光之一階光學干涉最大值。第二子電池係另一吸收綠色的子電池且經定位以使得其符合於綠光之二階光學干涉最大值。最後，第一子電池係另一吸收紅色的子電池且符合於紅光之二階光學干涉最大值。
根據四接面OPV之第二設計考慮之具體實例展示於圖6A中，其中第一及第三供體係主要吸收紅色的DTDCTB，且第二及第四供體係主要吸收綠色的DBP。因此，第一與第三供體以及第二與第四供體展現重疊吸收光譜。為了高效地捕獲光，第一及第三子電池分別符合二階及一階光學干涉最大值，且第二及第四子電池分別符合二階及一階光學干涉最大值。
替代地，供體中之至少兩者可主要在一或多個重疊波長處進行吸收且供體中之另外一者或兩者並未主要在一或多個重疊波長處進行 吸收。此等一個或兩個其他供體可主要在光譜之另一部分中吸收，從而補充重疊供體之吸收。
在一些實施例中，所有供體係選自小分子材料。在一些實施例中，具有重疊主要吸收之供體材料包含相同材料。在一些實施例中，供體中之一者、兩者、三者或所有四者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。在一些實施例中，供體中之兩者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。在某些實施例中，供體中之一者係DTDCTB或其衍生物且供體中之另一者係DBP、DTDCPB或其衍生物。在某些實施例中，供體中之兩者係選自DTDCTB及其衍生物，且其他供體中之一者或兩者係選自DBP、DTDCPB、及其衍生物。在某些實施例中，供體中之兩者包含DBP、DTDCPB或其衍生物且其他供體中之一者或兩者包含DTDCTB。在某些實施例中，第一及第三供體包含DTDCTB或其衍生物。在某些實施例中，第二及第四供體包含DBP、DTDCPB或其衍生物。在某些實施例中，最靠近第四子電池之電極係反射性電極。在另外的實施例中，該電極係陰極或在其他實施例中係陽極。
在一些實施例中，如圖6A中所展示，第一、第二及第三受體中係選自富勒烯及其衍生物。在某些實施例中，第一、第二及第三受體係選自C60及C70。
一般熟習此項技術者將自本發明理解，根據此設計考慮預期眾多各種OPV材料及結構組合，包括具有五個或五個以上子電池之多接面OPV裝置。
舉例而言，額外子電池及分離層可添加至圖5中的裝置結構。因此，揭示一種多接面有機光伏裝置，其包含處於疊置關係之兩個電極及位於該等電極之間的五個或五個以上子電池，其中每對相鄰子電池由分離層分隔，如本文中所描述。子電池中之兩者或兩個以上者(例 如，至少三個子電池)各自包含主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的供體，其中包含主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的供體的子電池中之每一者定位於一或多個第一重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
在一些實施例中，另外兩個或兩個以上子電池(例如，至少三個子電池)各自包含主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收的供體，其中包含主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收的供體的子電池中之每一者定位於一或多個第二重疊波長內之不同光學干涉最大值處。 在一些實施例中，一或多個子電池各自包含具有實質上不與任何其他供體重疊之吸收光譜之供體。五個或五個以上子電池可各自包含選自小分子材料之材料。在某些實施例中，具有重疊主要吸收光譜之供體包含相同材料。
當前揭示之裝置中的電極中之一者可為陽極，且另一電極係陰極。應理解，應最佳化該等電極以接收及傳輸所需載流子(電洞或電子)。在本文中使用術語「陰極」，以使得在環境輻照下與電阻性負載連接且無外部施加電壓之單接面PV裝置或多接面PV裝置之單一單元中，電子自光敏性區域移動至陰極。類似地，在本文中使用術語「陽極」以使得在照明下的PV裝置中，電洞自光敏性區域移動至陽極，其等效於電子以相反方式移動。
本發明之多接面裝置可進一步包含此項技術中已知的用於光伏裝置之額外層，諸如各種緩衝層。舉例而言，裝置可進一步包含電荷收集/傳輸層。電荷收集/傳輸層可位於(例如)子電池與電極之間及/或子電池與分離層之間，如圖3A中所展示。應理解，將根據待收集/傳輸之所需載流子選擇電荷收集/傳輸層。電荷收集/傳輸層之實例包括(但不限於)金屬氧化物。在某些實施例中，金屬氧化物係選自MoO3、V2O5、ZnO及TiO2。
作為另一實例，裝置可包括激子阻擋層，包括除分離層中存在之任何激子-阻擋電荷-載流子過濾器之外的其他激子-阻擋電荷-載流子過濾器。關於可用作激子阻擋層之材料，非限制實例為選自以下各者之彼等材料：浴銅靈(BCP)、浴啡啉(BPhen)、1,4,5,8-萘四羧酸-二酐(NTCDA)、3,4,9,10-苝四羧酸雙苯并咪唑(PTCBI)、1,3,5-參(N-苯基苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、參(乙醯丙酮根)釕(III)(Ru(acac)3)，及鋁(III)酚化物(Alq2 OPH)、N,N'-二苯基-N,N'-雙-α-萘基聯苯胺(NPD)、鋁參(8-羥基喹啉)(Alq3)及咔唑聯二苯(CBP)。圖3A例如包括第三子電池與Ag陰極之間的BPhen激子阻擋層。
此等緩衝層亦可充當光學隔片以根據本文中所揭示之設計考慮控制多接面裝置中的光場分佈。
可使用此項技術中已知的技術沈積層及材料。舉例而言，本文中所描述之層及材料可自溶液、蒸氣或兩者之組合沈積或共沈積。在一些實施例中，使用真空熱蒸發、有機氣相沈積或有機蒸氣噴射印刷來沈積或共沈積有機材料或有機層。
本發明之小分子多接面OPV之特定優點在於可使用真空熱蒸發沈積子電池。小分子之真空熱蒸發方法可在不損害先前沈積之層之情況下達成較厚結構，其對於經堆疊裝置係重要的。
因此，揭示一種製造多接面有機光伏裝置之方法，其包含：在第一電極上方沈積第一子電池；在第一子電池上方沈積第一分離層；在第一分離層上方沈積第二子電池；在第二子電池上方沈積第二分離層；在第二分離層上方沈積第三子電池；及在第三子電池上方沈積第二電極，其中該等子電池中之每一者包含選自小分子材料之材料。在一些實施例中，該等子電池中之每一者藉由真空熱蒸發沈積。可在沈積第二電極之前沈積額外子電池及分離層。
在一些實施例中，第一電極安置在基板上方以使得第一子電池 經定位為比第二及第三子電池更接近基板。在某些此等實施例中，第二及第三子電池包含小分子材料。在某些實施例中，第二及第三子電池藉由真空熱蒸發沈積。在某些實施例中，第一子電池經由溶液處理沈積。以此方式，可在沈積剩餘子電池之前製造經溶液處理之子電池以將由暴露於液體溶劑引起之潛在損害降至最低。
亦揭示一種製造多接面有機光伏裝置之方法，其包含在第一電極上方沈積四個或四個以上子電池及在該四個或四個以上子電池上方沈積第二電極，其中該等子電池中之每一相鄰對由分離層分隔，且其中該等子電池中之每一者包含選自小分子材料之材料。
額外材料/層(例如，電荷傳輸緩衝層及/或激子阻擋緩衝層)可如此項技術中已知般沈積。
另外，可根據本文中所揭示之設計考慮沈積層及材料，此處將不會重複該等設計考慮。
應理解，本文中所描述之實施例可結合各種結構使用。可藉由組合以不同方式描述之各種層來達成功能性有機光伏裝置，或可基於設計、效能及成本因素省去層。亦可包括未具體描述之額外層。可使用除具體描述之彼等材料以外的材料。本文中對各種層給出的名稱並不意欲為嚴格限制性的。
除了在實例中或在另有指示之情況下以外，本說明書及申請專利範圍中使用之表達成分數量、反應條件、分析量測等之所有數字應理解為在所有情況下藉由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則說明書及所附申請專利範圍中所闡述之數值參數為近似值，其可取決於本發明設法獲得之所要性質而變化。最低程度上且不試圖將等效物原則之應用限制於申請專利範圍之範疇，每一數值參數應根據有效數位之數目及一般捨入法來解釋。
儘管闡述本發明之廣泛範疇的數值範圍及參數為近似值，但除 非另有指示，否則特定實例中所闡述之數值為儘可能精確報告的。然而，任何數值固有地含有因在其各別測試量測中發現之標準偏差所必然引起的某些誤差。
將藉由以下非限制性實例進一步描述本文所描述之裝置及方法，該等實例意欲為完全例示性的。
實例1
根據第一設計考慮設計例示性三接面OPV，且裝置示意圖展示於圖4A中。該裝置包括ITO陽極及Ag陰極、三個子電池、各自包含高度透明的Bphen：C60激子阻擋電子過濾器與薄Ag再結合層之兩個分離層、MoO3緩衝層及Bphen激子阻擋層。每一子電池係具有混合區域中之富勒烯受體(C60或C70)及純淨富勒烯層(包覆混合物之C60或C70)之混雜式平面混合異質接面。每一子電池中之供體展現非重疊吸收光譜，因而允許每一子電池中平衡的吸收及電流產生。
具體而言，圖4B中展示裝置(包括每一子電池)之經計算之吸收光譜。第一供體係模擬NIR吸收材料，第二供體(DTDCTB)主要在紅色光譜中吸收，且第三供體(DBP)主要在綠色光譜中吸收。圖4B中的強烈吸收由吸收帶內的較深陰影指示。如圖所示，Bphen：C60層係高度透明的。
基於轉移矩陣法及基因演算法方法使用Matlab®執行結構最佳化及裝置效能模擬，使用激子擴散及載流子收集長度作為參數。使用高斯振盪器藉由使用Cauchy模型的橢圓偏振法(在300-1600nm之波長處)量測矽基板上沈積之30nm薄膜之實數及虛數折射率(分別為n及k)。為了判定用於電流匹配及效率之最佳結構，使用來自組成的子電池的光強度相關J-V資料。使用AM 1.5G光譜模擬經計算之量子效率及電池效能兩者。
模型化表明根據本實例之非最佳化裝置將在日光照明強度為1時 具有16%之功率轉換效率。預期最佳化將效率推進到20%或大於20%。
實例2
根據第二設計考慮製造例示性三接面OPV，且裝置示意圖展示於圖3A中。該裝置包括ITO陽極及Ag陰極、三個子電池、各自包含高度透明的Bphen：C60激子阻擋電子過濾器與薄Ag再結合層之兩個分離層、MoO3緩衝層及Bphen激子阻擋層。使用以下兩種類型之子電池：DBP：C70混雜式平面混合異質接面及DTDCTB：C60混雜式平面混合異質接面。
圖3B中展示裝置(包括每一子電池)之經計算之吸收光譜。吸收紅色的DTDCTB：C60子電池經置放於中部以用於在一階光學干涉最大值處進行吸收，而吸收綠色的DBP：C70子電池經置放為正面及背面子電池且厚度經控制以使得該等子電池分別符合二階及一階光學干涉最大值。因此，正面及背面吸收綠色的電池在不同光學最大值處進行吸收以高效地捕獲短波長光子，同時補充中間吸收紅色的電池之吸收。如圖3B中所展示，Bphen：C60激子阻擋電子過濾器係高度透明的且因此無損耗，從而改良捕光效率。
產生針對該裝置之模擬資料及實驗資料兩者。基於轉移矩陣法及基因演算法方法使用激子擴散及載流子收集長度作為參數使用Matlab®執行結構最佳化及裝置效能模擬。使用高斯振盪器藉由使用Cauchy模型的橢圓偏振法(在300-1600nm之波長處)量測矽基板上沈積之30nm薄膜之實數及虛數折射率(分別為n及k)。為了判定用於電流匹配及效率之最佳結構，使用來自組成的子電池的光強度相關J-V資料。使用AM 1.5G光譜模擬經計算之量子效率及電池效能兩者。根據來自模擬器光譜之模擬η P 除以基於參考AM 1.5G太陽光譜之η P 獲得光譜不匹配因素。
圖7展示三接面裝置之模擬量子效率對比以下實例3中描述之四接面裝置之模擬量子效率。圖8展示三接面裝置對比四接面裝置之經量測之電流密度對電壓(J-V)特性。根據經計算之量子效率，歸因於在不同干涉最大值處的兩個DBP：C70子電池之作用，三接面裝置覆蓋約300nm至約900nm之大範圍太陽光譜且自約400nm至600nm幾乎達到100%。總體三接面裝置效率經量測為11.1%。表1列出裝置之模擬及實驗J SC 、V OC 、FF及PCE。
實例3
根據第二設計考慮製造例示性四接面OPV，且裝置示意圖展示於圖6A中。該裝置包括ITO陽極及Ag陰極、四個子電池、各自包含高度透明的Bphen：C60激子阻擋電子過濾器與薄Ag再結合層之三個分離層、MoO3緩衝層及Bphen激子阻擋層。
四接面裝置含有與三接面裝置相同的子電池組態，不同之處在於第二吸收紅色的DTDCTB：C60子電池在第二干涉最大值處經添加作為正面子電池(最靠近ITO陽極)。
圖6B中展示裝置(包括每一子電池)之經計算之吸收光譜。第一及第三吸收紅色的子電池在不同光學干涉最大值處進行吸收，而第二及第四吸收綠色的子電池在不同光學干涉最大值處進行吸收。如圖所示，Bphen：C60激子阻擋電子過濾器係高度透明的且因此無損，從而改良捕光效率。
產生針對該裝置之模擬資料及實驗資料兩者。如上文所描述執行結構最佳化及裝置效能模擬。
圖7展示四接面裝置對比三接面裝置之模擬量子效率。圖8展示 四接面裝置對比三接面裝置之經量測之電流密度對電壓(J-V)特性。四接面裝置之量子效率針對較長波長(約600nm至700nm)增強接近100%，其幾乎充分利用一階及二階光學週期中的光場。總體四接面裝置效率經量測為12.6%，據信在科學文獻中報告的OPV中最高。預期結構最佳化進一步增加PCE。表2列出裝置之模擬及實驗J SC 、V OC 、FF及PCE。
實驗部分
在塗佈氧化銦錫(ITO，15Ω/sq.之薄層電阻)之玻璃基板上生長裝置。所有化學品皆自商業供應商獲得。在使用前，使用溫度-梯度昇華對DTDCTB、DBP、C60及C70進行一次純化。
在薄膜沈積之前，在一系列清潔劑及溶劑中清潔ITO表面且在薄膜沈積之前使用紫外臭氧處理10分鐘。所有純淨薄膜係使用真空熱蒸發在具有10-7Torr之基礎壓力之腔室中以0.1nm/s之速率沈積，但以0.005nm/s沈積Ag奈米粒子電荷再結合層。以0.1nm/s共沈積DTDCTB：C60及Bphen：C60層之組分且以0.2nm/s沈積DBP：C70，同時調整每一材料之速率以達成所要體積比。生長率及厚度係使用石英晶體監測器監測且藉由非原位可變角光譜橢圓偏振法校準。經由具有界定裝置面積之一系列圓形1mm直徑之開口的蔽蔭遮罩沈積100nm厚之Ag陰極。裝置直徑係使用光學顯微鏡量測且範圍為0.98mm至1mm。此3-4%裝置面積變化包括在系統性誤差計算中。
在陰極沈積之後，將樣品轉移至填充有超純(<0.1ppm)N2之手套工作箱中以供測試。獲得單接面電池及多接面電池兩者之J-V特性。對比使用來自經過濾Xe燈之AM 1.5G日光照明(ASTM G173-03)之光 強度執行量測。使用無關於所考慮範圍內的光譜之中性密度過濾器調整強度。1太陽(1000W/m2)強度時之電池溫度為25±1℃，量測時間為約10s以避免溫度增加。使用美國可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory(NREL))可追蹤Si參考電池量測強度，其中針對光譜不匹配校正J SC 及η P 。使用來自200Hz截斷Xe燈(其輸出經聚焦以未填滿裝置面積)之單色光量測EQE，且使用NIST可追蹤Si偵測器校準EQE。根據樣品之經量測回應度計算子電池之光譜不匹配因素(M)。表1中的誤差對應於在單一基板上一次性製造的30個裝置之裝置間變化，且J SC 及η P 之量測包括5%之額外系統誤差。報告之裝置來自最好的基板樣品。使用Lassiter等人之Appl.Phys.Lett.,2012,101,063303及Lassiter等人之J.Appl.Phys.,2013,113,214505中描述之方法執行結構最佳化及裝置效能模擬。
在500nm之波長處使用對DBP：C70單接面電池之2D光學掃描量測裝置回應均一性。使用具有10μm之纖芯直徑之光纖將來自單色儀之光耦合至裝置。隨後使用電流對光纖位置(具有2μm之空間解析度)特性來產生映射。
熟習此項技術者將自對描述及實例之考慮而顯而易見本文中所描述之裝置及方法之其他實施例。意欲將本說明書視為僅為例示性的，其中所描述之裝置及方法之真實範疇由申請專利範圍指示。
圖1展示根據本發明之三接面OPV之例示性裝置示意圖。
圖2展示DBP、DTDCTB及DTDCPB之化學結構。
圖3A提供根據本發明的三接面OPV之實例；圖3B展示圖3A之三接面裝置之經計算的吸收光譜。
圖4A提供根據本發明的三接面OPV之實例；圖4B展示圖4A之三接面裝置之經計算的吸收光譜。
圖5展示根據本發明之四接面OPV之例示性裝置示意圖。
圖6A提供根據本發明的四接面OPV之實例；圖6B展示圖6A之四接面裝置之經計算之吸收光譜。
圖7展示三接面及四接面裝置之模擬量子效率。
圖8展示三接面及四接面裝置之經量測之電流密度對電壓(J-V)特性。
圖9提供四接面裝置之實例示意圖且說明根據本文中所揭示之設計考慮之光學干涉最大值。

Claims (48)

  1. 一種多接面有機光伏裝置，其包含：處於疊置關係之兩個電極；一第一子電池，其包含形成一第一供體-受體異質接面之一第一有機供體及一第一有機受體；一第二子電池，其包含形成一第二供體-受體異質接面之一第二有機供體及一第二有機受體；一第三子電池，其包含形成一第三供體-受體異質接面之一第三有機供體及一第三有機受體；一第一分離層；及一第二分離層，其中該第一、該第二及該第三子電池位於該兩個電極之間，該第二子電池位於該第一子電池與該第三子電池之間，該第一分離層位於該第一子電池與該第二子電池之間，該第二分離層位於該第二子電池與該第三子電池之間，且該等子電池中之至少兩者包含小分子材料。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一子電池包含一聚合物材料，且該第二及該第三子電池包含小分子材料。
  3. 如請求項1之裝置，其中所有三個子電池包含小分子材料。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第一、該第二及該第三受體中之每一者係選自富勒烯及其衍生物。
  5. 如請求項4之裝置，其中該第一、該第二及該第三受體中之每一者係選自C60及C70。
  6. 如請求項1之裝置，其中該等供體中之至少一者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
  7. 如請求項6之裝置，其中該等供體中之兩者或全部三者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
  8. 如請求項1之裝置，其中該等供體-受體異質接面中之至少一者係一混雜式平面混合異質接面。
  9. 如請求項8之裝置，其中該等供體-受體異質接面中之兩者或全部三者係一混雜式平面混合異質接面。
  10. 如請求項1之裝置，其中該第一及該第二分離層中之每一者包含一電荷再結合層。
  11. 如請求項10之裝置，其中該等電荷再結合層包含選自Ag、Li、LiF、Al、Ti及Sn之材料。
  12. 如請求項1之裝置，其中該第一及該第二分離層中之一者或兩者包含一激子-阻擋電荷-載流子過濾器。
  13. 如請求項1之裝置，其中該第一、該第二及該第三供體各自主要在非重疊波長處進行吸收。
  14. 如請求項13之裝置，其中該等供體中之兩者係選自小分子材料且該第三供體係選自聚合物材料。
  15. 如請求項13之裝置，其中所有三個供體係選自小分子材料。
  16. 如請求項13之裝置，其中該等供體中之一者或兩者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
  17. 如請求項16之裝置，其中該等供體中之一者包含DTDCTB或其衍生物，且該等供體中之另一者包含DBP、DTDCPB或其衍生物。
  18. 如請求項1之裝置，其中該第一、該第二及該第三供體主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且該第一、該第二及該第三子電池定位於該一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  19. 如請求項1之裝置，其中該第一、該第二及該第三供體中之僅兩者主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且對應於主要在該一 或多個重疊波長處進行吸收的該等兩個供體的該等子電池定位於該一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  20. 如請求項19之裝置，其中主要在一或多個重疊波長處進行吸收的該兩個供體包含相同小分子材料。
  21. 如請求項20之裝置，其中該相同小分子材料係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
  22. 如請求項19之裝置，其中主要在一或多個重疊波長處進行吸收的該等兩個供體係選自DBP、DTDCPB及其衍生物。
  23. 如請求項22之裝置，其中該剩餘供體係DTDCTB。
  24. 如請求項19之裝置，其中該等供體中之全部三者係選自小分子材料。
  25. 如請求項19之裝置，其中該第一及該第三供體主要在一或多個重疊波長處進行吸收，且該第一及該第三子電池定位於該一或多個重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  26. 一種多接面有機光伏裝置，其包含：處於疊置關係之兩個電極；一第一子電池，其包含形成一第一供體-受體異質接面之一第一有機供體及一第一有機受體；一第二子電池，其包含形成一第二供體-受體異質接面之一第二有機供體及一第二有機受體；一第三子電池，其包含形成一第三供體-受體異質接面之一第三有機供體及一第三有機受體；一第四子電池，其包含形成一第四供體-受體異質接面之一第四有機供體及一第四有機受體；一第一分離層；一第二分離層；及 一第三分離層，其中該第一、該第二、該第三及該第四子電池位於該等兩個電極之間，該第二子電池位於該第一子電池與該第三子電池之間，該第三子電池位於該第二子電池與該第四子電池之間，該第一分離層位於該第一子電池與該第二子電池之間，該第二分離層位於該第二子電池與該第三子電池之間，該第三分離層位於該第三子電池與該第四子電池之間，且該等子電池中之三者或全部四者包含小分子材料。
  27. 如請求項26之裝置，其中該等受體中之每一者係選自富勒烯及其衍生物。
  28. 如請求項27之裝置，其中該等受體中之每一者係選自C60及C70。
  29. 如請求項26之裝置，其中該等供體中之至少一者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
  30. 如請求項29之裝置，其中該等供體中之兩者、三者或全部四者係選自DTDCTB、DBP、DTDCPB及其衍生物。
  31. 如請求項26之裝置，其中該等供體-受體異質接面中之至少一者係一混雜式平面混合異質接面。
  32. 如請求項31之裝置，其中該等供體-受體異質接面中之兩者、三者或全部四者係混雜式平面混合異質接面。
  33. 如請求項26之裝置，其中該等分離層中之每一者包含一電荷再結合層。
  34. 如請求項33之裝置，其中該等電荷再結合層包含選自Ag、Li、LiF、Al、Ti及Sn之材料。
  35. 如請求項26之裝置，其中一個、兩個或所有三個分離層包含一激子一阻擋電荷一載流子過濾器。
  36. 如請求項26之裝置，其中該等供體中之兩者或兩個以上者主要 在一或多個第一重疊波長處進行吸收，且對應於主要在該一或多個第一重疊波長處進行吸收的該等供體材料的該等子電池定位於該一或多個第一重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  37. 如請求項36之裝置，其中該等供體中之另外兩者主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收，且對應於主要在該一或多個第二重疊波長處進行吸收的該等供體材料的該等子電池定位於該一或多個第二重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  38. 如請求項36之裝置，其中該第一及該第三供體主要在該一或多個第一重疊波長處進行吸收，且該第二及該第四供體主要在該一或多個第二重疊波長處進行吸收。
  39. 如請求項36之裝置，其中主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的該兩個或兩個以上供體包含相同小分子材料。
  40. 如請求項37之裝置，其中主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的該兩個供體包含相同小分子材料，且主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收的該等兩個供體包含相同小分子材料。
  41. 如請求項40之裝置，其中主要在該一或多個第一重疊波長處進行吸收的該兩個供體包含DBP、DTDCPB或其衍生物，且主要在該一或多個第二重疊波長處進行吸收的該兩個供體包含DTDCTB或其衍生物。
  42. 一種多接面有機光伏裝置，其包含：處於疊置關係之兩個電極；位於該等電極之間的五個或五個以上子電池，其中每對相鄰子電池由一分離層分隔，該等子電池中之兩者或兩個以上者各自包含主要在一或多個第一重疊波長處進行吸收的一供體，且包含主要在該一或多個第一重疊波長處進行吸收的一供體的該等子電池中之每一者定位於該一或多個第一重 疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  43. 如請求項42之裝置，其中該等子電池中之另外兩者或兩個以上者各自包含主要在一或多個第二重疊波長處進行吸收的一供體，其中包含主要在該一或多個第二重疊波長處進行吸收的一供體的的該等子電池中之每一者定位於該一或多個第二重疊波長內之不同光學干涉最大值處。
  44. 如請求項42之裝置，其中該五個或五個以上子電池各自包含小分子材料。
  45. 一種製造一多接面有機光伏裝置之方法，其包含：在一第一電極上方沈積一第一子電池；在該第一子電池上方沈積一第一分離層；在該第一分離層上方沈積一第二子電池；在該第二子電池上方沈積一第二分離層；在該第二分離層上方沈積一第三子電池；及在該第三子電池上方沈積一第二電極，其中該等子電池中之每一者包含選自小分子材料之材料。
  46. 如請求項45之方法，其中藉由真空熱蒸發沈積該等子電池中之每一者。
  47. 一種製造一多接面有機光伏裝置之方法，其包含在一第一電極上方沈積四個或四個以上子電池及在該四個或四個以上子電池上方沈積一第二電極，其中該等子電池中之每一相鄰對由一分離層分隔，且其中該等子電池中之每一者包含小分子材料。
  48. 如請求項47之方法，其中藉由真空熱蒸發沈積該四個或四個以上子電池。
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