太陽能電池及其制造方法與流程

本申請要求于2014年4月30日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請No.10-2014-0052664的優先權和權益，其全部內容通過引用并入本文。

本說明書涉及太陽能電池及其制造方法。

背景技術：

為了解決由化石燃料消耗及其使用所引起的全球環境問題，已經對可再生且清潔的替代能源(例如太陽能、風能和水力)積極地進行了研究。其中，對直接將太陽光改變為電能的太陽能電池的關注已顯著增加。本文，太陽能電池意指通過從太陽光吸收光能以使用產生電子和空穴的光伏效應產生電流-電壓的電池。

太陽能電池是可通過應用光伏效應將太陽能直接轉換為電能的器件。根據構成薄膜的材料，太陽能電池可分為無機太陽能電池和有機太陽能電池。

已經對太陽能電池進行了大量研究，以通過根據設計的多種層以及電極的改變而提高能量轉換效率。

技術實現要素：

技術問題

本說明書的目的是提供太陽能電池及其制造方法。

技術方案

本說明書提供了太陽能電池，包括：

第一電極；

設置成面向所述第一電極的第二電極；

設置在所述第一電極與所述第二電極之間的光活性層；以及

在所述光活性層與所述第一電極或所述第二電極之間的包含由以下化學式1表示的電荷傳輸材料的電荷傳輸層。

[化學式1]

在化學式1中，

n為括號中結構的重復數并且為1至3，

當n為2或更大時，所述括號中的兩個或更多個結構彼此相同或不同，

X1至X4彼此相同或不同，并且各自獨立地為O、S或NR，

R和R1至R16彼此相同或不同，并且各自獨立地為氫；鹵素基團；羧酸基；硝基；腈基；酰亞胺基；酰胺基；亞胺基；硫代酰亞胺基；酸酐基；羥基；經取代或未經取代的酯基；經取代或未經取代的硫酯基；經取代或未經取代的硫羰酯基；經取代或未經取代的羰基；經取代或未經取代的硫酮基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的芳基烷基；經取代或未經取代的芳氧基；經取代或未經取代的烷基硫基；經取代或未經取代的芳基硫基；經取代或未經取代的烷基磺酰基；經取代或未經取代的芳基磺酰基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的甲硅烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的烷基胺基；經取代或未經取代的芳烷基胺基；經取代或未經取代的芳基胺基；經取代或未經取代的雜芳基胺基；經取代或未經取代的芳基；或者經取代或未經取代的雜環基，或者相鄰取代基彼此結合形成經取代或未經取代的烴環；或者經取代或未經取代的雜環，并且

當R1至R16和取代基彼此結合形成經取代或未經取代的烴環時，所形成烴環的取代基的至少一者為可交聯取代基。

此外，本說明書提供了用于制造上述太陽能電池的方法，所述方法包括：準備基底；在所述基底上形成第一電極；在所述第一電極上形成包括具有兩個或更多個層的有機材料層的具有兩個或更多個層的有機材料層，其包括光活性層和電荷傳輸層；以及在所述有機材料層上形成第二電極。

有益效果

根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池具有優異的電子轉移能力，并因此可實現短路電流密度(Jsc)的增加和效率的提高。

根據本說明書的一個示例性實施方案的化學式1可包含金屬顆粒或離子基團。在這種情況下，光吸收可通過入射光的再分布而增加，并且電荷勢壘可以由于界面偶極子的增加而得以調節。此外，由于電導率的增加，可以預期具有高效率的太陽能電池。

此外，根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池可提高填充因數，并且因此可以實現高效率。

此外，根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池可由于簡單的制造工藝而降低生產成本和/或提高工藝效率。

此外，根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池可具有卷繞結構，并且在這種情況下，可在各個方向上有效地吸收光以提高效率。

附圖說明

圖1至4為舉例說明根據一個示例性實施方案的有機太陽能電池的視圖。

圖5為舉例說明當使依照根據本說明書的一個示例性實施方案的實驗例制造的各個有機太陽能電池在80℃的溫度下經歷熱處理時器件效率變化的視圖。

具體實施方式

下文中，將對本說明書進行更詳細地描述。

在本說明書中，當將一個構件布置在另一個構件“上”時，這不僅包括其中一個構件與另一個構件相接觸的情況，還包括其中又一個構件存在于所述兩個構件之間的情況。

在本說明書中，當一個部件“包括”一個組成元件時，除非另外特別說明，否則這不意指排除另一個組成元件，而是意指還可包括另一個組成元件。

本說明書提供了一種太陽能電池，包括：第一電極；設置成面向所述第一電極的第二電極；設置在所述第一電極與所述第二電極之間的光活性層；以及在所述光活性層與所述第一電極或所述第二電極之間的包含由化學式1表示的電荷傳輸材料的電荷傳輸層。

本說明書的一個示例性實施方案包含如化學式1中的冠型(crown type)電荷轉移材料。

在相關技術中，使用金屬氧化物作為具有倒置結構的電荷傳輸層。然而，當使用金屬氧化物作為電荷傳輸層時，需要高溫熱處理以具有高電荷遷移率，并且因此，難以將電荷傳輸層施加于柔性基底，并且難以調節與用于待施加的光活性層的材料的能壘。

根據本說明書的一個示例性實施方案的包含由化學式1表示的電荷傳輸材料的電荷傳輸層具有優異的電荷遷移率，并且由于不需要進行用于形成傳輸電荷所需納米結構的單獨熱處理而可以容易地施加于柔性基底。此外，通過向由化學式1表示的冠型材料的取代基和/或化學式1的中心插入離子基團易于調節電荷遷移率和功函數。因此，存在的優點在于與用于光活性層的材料的能壘得以容易地調節。

在本說明書的一個示例性實施方案中，在具有至少一個可交聯取代基作為由化學式1表示的電荷傳輸材料的情況下，存在形成的電荷傳輸層的熱穩定性增加的效果，并且因此器件的使用壽命增加，并且在將其中兩個或更多個離子彼此結合的冠型材料混合的情況下，存在可形成均勻混合的層的效果。

在本說明書的一個示例性實施方案中，由化學式1表示的電荷傳輸材料可由以下化學式1-1或1-2表示。

[化學式1-1]

[化學式1-2]

在化學式1-1和1-2中，

n、X1至X4、R5至R8和R13至R16的定義與上述那些相同，

Cy1至Cy4彼此相同或不同，并且各自獨立地為經取代或未經取代的芳香環；或者經取代或未經取代的雜環。

在本說明書的一個示例性實施方案中，X1為O。

在另一個示例性實施方案中，X1為NR。

在本說明書的一個示例性實施方案中，X2為O。

在一個示例性實施方案中，X2為NR。

在本說明書的一個示例性實施方案中，X3為O。

在另一個示例性實施方案中，X3為NR。

在又一個示例性實施方案中，X4為O。

在再一個示例性實施方案中，X4為NR。

在本說明書的一個示例性實施方案中，R為氫。

在本說明書的一個示例性實施方案中，Cy1至Cy4為苯環。

在本說明書中，“可交聯取代基”為變成中間體的取代基，在所述中間體中化合物可與若干化合物直接結合或通過連接體結合。

在本說明書的一個示例性實施方案中，可交聯取代基為經取代或未經取代的乙烯基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的丙烯酸酯基；羥基；或異氰酸酯基。

在本說明書的一個示例性實施方案中，n為1。

在另一個示例性實施方案中，n為2。

在又一個示例性實施方案中，n為3。

在本說明書的一個示例性實施方案中，由化學式1表示的電荷傳輸材料可選自以下結構。

在所述結構中，在具有所述結構的碳中被取代的氫可被上述可交聯取代基取代。

在本說明書的一個示例性實施方案中，由化學式1表示的電荷傳輸材料可選自以下結構。

在所述結構中，a為至4的整數。

在本說明書的一個示例性實施方案中，基于電荷傳輸層的總質量，由化學式1表示的電荷傳輸材料以0.01重量％至2重量％的量包含在內。在本說明書的一個示例性實施方案中，基于電荷傳輸層的總質量，由化學式1表示的電荷傳輸材料以0.02重量％至0.5重量％的量包含在內。

根據本說明書的一個示例性實施方案，當由化學式1表示的電荷傳輸材料的含量在所述范圍之外時，其含量由于偶極子的形成而超出傳輸電荷的界限，因此顯著降低了電流密度。因為此原因，存在器件的效率快速降低的問題。在所述范圍內，可以防止含量由于偶極子的形成而超出傳輸電荷的界限。

取代基的實例將在下文中描述，但不限于此。

術語“取代”意指與化合物的碳原子結合的氫原子變成另一個取代基，并且待取代的位置沒有限制，只要所述位置為氫原子被取代的位置，即取代基可以被取代的位置即可，并且當兩個或更多個被取代時，所述兩個或更多個取代基可以彼此相同或不同。

本文中所使用的術語“經取代或未經取代”意指被選自以下中的一種或更多種取代基取代：氘；鹵素基團；烷基；烯基；烷氧基；酯基；羰基；羧基；羥基；環烷基；甲硅烷基；芳基烯基；芳氧基；烷基硫基；烷基磺酰基；芳基磺酰基；硼基；烷基胺基；芳烷基胺基；芳基胺基；雜芳基；咔唑基；芳基胺基；芳基；腈基；硝基；羥基；和雜環基，或者沒有取代基。

在本說明書中，鹵素基團可為氟、氯、溴或碘。

在本說明書中，酰亞胺基的碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至25。具體地，酰亞胺基可為具有以下結構的化合物，但不限于此。

在本說明書中，硫代酰亞胺基為其中酰亞胺基的C＝O被C＝S取代的基團。

在本說明書中，酸酐基為其中酰亞胺基的N原子被O取代的基團。

在本說明書中，對于酰胺基，酰胺基的一個或兩個氮原子可被氫，具有1至25個碳原子的直鏈、支化或環狀烷基，或具有6至25個碳原子的芳基取代。具體地，酰胺基可為具有以下結構式的化合物，但不限于此。

在本說明書中，酰胺基還包括環狀基團，例如內酰胺。

在本說明書中，酯基的通式可由或表示。R'為氫；具有1至60個碳原子的烷氧基；具有1至60個碳原子的經取代或未經取代的烷基；具有3至60個碳原子的經取代或未經取代的環烷基；具有7至50個碳原子的經取代或未經取代的芳基烷基；具有2至60個碳原子的雜芳基烷基；具有1至40個碳原子的經取代或未經取代的酯基；具有1至40個碳原子的經取代或未經取代的羰基；具有6至60個碳原子的經取代或未經取代的芳基；或者包含N、O和S原子中的一者或更多者的具有2至60個碳原子的經取代或未經取代的雜環基。

在本說明書中，酯基還包括環狀基團，例如內酯基。

在本說明書中，硫酯基為其中酯基的C＝O被C＝S取代的基團。

在本說明書中，羰基可由表示。R'為氫；具有1至20個碳原子的經取代或未經取代的烷基；具有3至60個碳原子的經取代或未經取代的環烷基；具有7至50個碳原子的經取代或未經取代的芳基烷基；具有6至60個碳原子的經取代或未經取代的芳基；或者具有2至60個碳原子的經取代或未經取代的雜環基。

本說明書的硫酮基為其中羰基的O原子被S原子取代的基團。

在本說明書中，亞胺基可由或表示。R'和R"彼此相同或不同，并且為氫；具有1至25個碳原子的經取代或未經取代的直鏈、支化或環狀烷基；或者具有6至25個碳原子的經取代或未經取代的芳基。

在本說明書中，醚基可由表示。R為具有1至25個碳原子的經取代或未經取代的直鏈、支化或環狀烷基；或者具有6至25個碳原子的經取代或未經取代的芳基。具體地，Z1至Z3彼此相同或不同，并且為具有6至25個碳原子的經取代或未經取代的直鏈、支化或環狀烷基；或者具有6至25個碳原子的經取代或未經取代的芳基。

在本說明書中，意指與另一個取代基連接的部分。

在本說明書中，烷基可為直鏈的或支化的，并且其碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至50。其具體實例包括甲基、乙基、丙基、正丙基、異丙基、丁基、正丁基、異丁基、叔丁基、仲丁基、1-甲基-丁基、1-乙基-丁基、戊基、正戊基、異戊基、新戊基、叔戊基、己基、正己基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、4-甲基-2-戊基、3,3-二甲基丁基、2-乙基丁基、庚基、正庚基、1-甲基己基、環戊基甲基、環己基甲基、辛基、正辛基、叔辛基、1-甲基庚基、2-乙基己基、2-丙基戊基、正壬基、2,2-二甲基庚基、1-乙基-丙基、1,1-二甲基-丙基、異己基、2-甲基戊基、4-甲基己基、5-甲基己基等，但不限于此。

在本說明書中，環烷基沒有特別限制，但是其碳原子數優選為3至60，并且其具體實例包括環丙基、環丁基、環戊基、3-甲基環戊基、2,3-二甲基環戊基、環己基、3-甲基環己基、4-甲基環己基、2,3-二甲基環己基、3,4,5-三甲基環己基、4-叔丁基環己基、環庚基、環辛基等，但不限于此。

在本說明書中，烷氧基可為直鏈、支化或環狀的。烷氧基的碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至20。其具體實例包括甲氧基、乙氧基、正丙氧基、異丙氧基、異丙基氧基、正丁氧基、異丁氧基、叔丁氧基、仲丁氧基、正戊氧基、新戊氧基、異戊氧基、正己氧基、3,3-二甲基丁氧基、2-乙基丁氧基、正辛氧基、正壬氧基、正癸氧基、芐氧基、對甲基芐氧基等，但不限于此。

在本說明書中，芳基烷基的碳原子數沒有特別限制，但在本說明書的一個示例性實施方案中，芳基烷基的碳原子數為7至50。具體地，芳基部分的碳原子數為6至49，并且烷基部分的碳原子數為1至44。其具體實例包括芐基、對甲基芐基、間甲基芐基、對乙基芐基、間乙基芐基、3,5-二甲基芐基、α-甲基芐基、α,α-二甲基芐基、α,α-甲基苯基芐基、1-萘基芐基、2-萘基芐基、對氟芐基、3,5-二氟芐基、α,α-二三氟甲基芐基、對甲氧基芐基、間甲氧基芐基、α-苯氧基芐基、α-芐氧基芐基、萘基甲基、萘基乙基、萘基異丙基、吡咯基甲基、吡咯基乙基、氨基芐基、硝基芐基、氰基芐基、1-羥基-2-苯基異丙基、1-氯-2-苯基異丙基等，但不限于此。

在本說明書中，烯基可為直鏈的或支化的，并且其碳原子數沒有特別限制，但是優選為2至40。其具體實例包括乙烯基、1-丙烯基、異丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、3-甲基-1-丁烯基、1,3-丁二烯基、烯丙基、1-苯基乙烯基-1-基、2-苯基乙烯基-1-基、2,2-二苯基乙烯基-1-基、2-苯基-2-(萘基-1-基)乙烯基-1-基、2,2-雙(二苯基-1-基)乙烯基-1-基、芪基、苯乙烯基等，但不限于此。

在本說明書中，丙烯酸酯的碳原子數沒有特別限制，但是優選為3至40。其具體實例包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸3-(丙烯酰氧基)丙酯等，但不限于此。

在本說明書中，甲硅烷基的具體實例包括三甲基甲硅烷基、三乙基甲硅烷基、叔丁基二甲基甲硅烷基、乙烯基二甲基甲硅烷基、丙基二甲基甲硅烷基、三苯基甲硅烷基、二苯基甲硅烷基、苯基甲硅烷基等，但不限于此。

在本說明書中，芳基可為單環的，并且其碳原子數沒有特別限制，但是優選為6至60。芳基的具體實例包括單環芳香族基團，例如苯基、聯苯基和三聯苯基；多環芳香族基團，例如萘基、蒽基、菲基、芘基、苝基、并四苯基、基、芴基、苊基、三亞苯基和熒蒽基等，但不限于此。

在本說明書中，芴基可以被取代，并且相鄰取代基可彼此結合形成環。

當芴基被取代時，芴基可為等。然而，所述芴基不限于此。

在本說明書中，雜環基或雜芳基包含除碳以外的一種或更多種原子，即雜原子，并且具體地，雜原子可包括選自O、N、S、Si、Se等中的一種或更多種原子。雜環基的碳原子數沒有特別限制，但是優選為2至60。雜環基的實例包括噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噻唑基、唑基、二唑基、三唑基、吡啶基、聯吡啶基、三嗪基、吖啶基、噠嗪基、喹啉基、異喹啉基、吲哚基、咔唑基、苯并唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并咔唑基、苯并噻吩基、二苯并噻吩基、苯并呋喃基、菲咯啉基、二苯并呋喃基等，但不限于此。

在本說明書中，雜芳氧基中的雜芳基可選自雜芳基的上述實例。在本說明書中，芳氧基、芳基硫基、芳基磺酰基和芳烷基胺基中的芳基與芳基的上述實例相同。具體地，芳氧基的實例包括苯氧基、對甲苯氧基、間甲苯氧基、3,5-二甲基-苯氧基、2,4,6-三甲基苯氧基、對叔丁基苯氧基、3-聯苯氧基、4-聯苯氧基、1-萘氧基、2-萘氧基、4-甲基-1-萘氧基、5-甲基-2-萘氧基、1-蒽氧基、2-蒽氧基、9-蒽氧基、1-菲氧基、3-菲氧基、9-菲氧基等，芳基硫基的實例包括苯基硫基、2-甲基苯基硫基、4-叔丁基苯基硫基等，并且芳基磺酰基的實例包括苯磺酰基、對甲苯磺酰基等，但是所述實例不限于此。

在本說明書中，烷基硫基、烷基磺酰基、烷基胺基和芳烷基胺基中的烷基與烷基的上述實例相同。具體地，烷基硫基的實例包括甲基硫基、乙基硫基、叔丁基硫基、己基硫基、辛基硫基等，并且烷基磺酰基的實例包括甲磺酰基、乙基磺酰基、丙基磺酰基、丁基磺酰基等，但實例不限于此。

在本說明書中，胺基的碳原子數沒有特別限制，但是優選為1至30。胺基的具體實例包括甲基胺基、二甲基胺基、乙基胺基、二乙基胺基、苯基胺基、萘基胺基、聯苯基胺基、蒽基胺基、9-甲基-蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、三苯基胺基等，但不限于此。

在本說明書中，芳基胺基的實例包括經取代或未經取代的單芳基胺基、經取代或未經取代的二芳基胺基、或者經取代或未經取代的三芳基胺基。芳基胺基中的芳基可為單環芳基或多環芳基。包含兩個或更多個芳基的芳基胺基可包含單環芳基、多環芳基、或單環芳基和多環芳基二者。

芳基胺基的具體實例包括苯基胺基、萘基胺基、聯苯基胺基、蒽基胺基、3-甲基-苯基胺基、4-甲基-萘基胺基、2-甲基-聯苯基胺基、9-甲基-蒽基胺基、二苯基胺基、苯基萘基胺基、二甲苯基胺基、苯基甲苯基胺基、咔唑、三苯基胺基等，但不限于此。

在本說明書中，雜芳基胺基中的雜芳基可選自雜環基的上述實例。

本說明書中的相鄰基團意指在彼此相鄰的碳中取代的取代基。

在本說明書中，相鄰基團彼此結合形成烴環或雜環的情況意指相鄰取代基形成鍵以形成5元至8元單環或多環烴環，或者包含一個或更多個雜原子的5元至8元單環或多環雜環。

在本說明書中，烴環包括所有環烷基、環烯基、芳香環基或脂肪環基，可為單環的或多環的，并且包括所有通過使這些基團中的一種或兩種或更多種結合而稠合的環。

本說明書中形成的雜環意指烴環的至少一個碳原子被雜原子取代，可為脂肪環或芳香環，并且可為單環的或多環的。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸材料還包含離子基團。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸材料還包含離子基團，并且離子基團設置成插入由化學式1表示的電荷傳輸材料的中心部分。即，離子基團設置在冠型化合物中心處的空的空間，并且形成化學鍵。在本說明書的一個示例性實施方案中，不僅冠型化合物的單個分子，而且兩個或更多個分子可形成3-D結構以參與離子的結合。

然而，如果需要的話，本領域技術人員可進行熱處理或UV處理以使多個冠型化合物交聯。

具體地，可提供如下電荷傳輸材料。

在所述結構中，R1至R16、n和X1至X4與上述那些相同，并且

M為離子基團。

在本說明書的一個示例性實施方案中，待插入的金屬的離子數和金屬的類型可通過調節重復數n來選擇，從而調節冠型電荷傳輸材料的尺寸。

在如上所述包含離子基團的情況下，光吸收可通過入射光的再分布而增加，并且電荷的勢壘可由于界面偶極子的增加而得以調節。此外，由于電導率增加，可以預期具有高效率的太陽能電池。

此外，由于通過調節金屬的類型來調節電荷傳輸層的功函，因此與光活性層的能壘得以容易地調節。

在本說明書中，離子基團可為正離子基團或負離子基團。

在本說明書的一個示例性實施方案中，離子基團可包括一個分子，并且還包括其中兩個或更多個分子形成3-D結構并且彼此結合的情況。

在本說明書的一個示例性實施方案中，離子基團為選自鈦(Ti)、鋯(Zr)、鍶(Sr)、鋅(Zn)、銦(In)、鑭(La)、釩(V)、鉬(Mo)、鎢(W)、錫(Sn)、鈮(Nb)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鋁(Al)、釔(Y)、鈧(Sc)、釤(Sm)、鎵(Ga)、鉀(K)、鈷(Co)、銅(Cu)、銀(Ag)、鈉(Na)和鉛(Pb)中的金屬的正離子；選自NH₄⁺和CH₃NH₃⁺中的銨離子；或者選自N₃^-、CH₃CO₂^-、CN^-、Br^-、Cl^-、I^-、F^-、SCN^-、ClO₄^-、NO₃^-、CO₃^2-、SO₄^2-、PO₄^3-、H₂PO-₄^2-、PdCl₆^2-、Na^-、Cs^-、檸檬酸離子(檸檬酸根^3-)、SiF₅^-、SiF₆^2-、GeF₆^2-和BF₄^-中的負離子。

在本說明書的一個示例性實施方案中，光活性層和電荷傳輸層設置成彼此接觸。設置成彼此接觸不限于物理結合或化學結合。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸層設置在光活性層的接近第一電極的一個表面上。在另一個示例性實施方案中，電荷傳輸層設置在光活性層的接近第二電極的一個表面上。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸層作為緩沖層。電荷傳輸層可用于促進電子在光活性層與電荷傳輸層之間的遷移。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸層的厚度為1nm至70nm。在一個示例性實施方案中，所述厚度為1nm至20nm。電荷傳輸層在所述范圍內的厚度具有提高電荷遷移率并防止復合增加的效果。

在本說明書的一個示例性實施方案中，光活性層的厚度為30nm至600nm。在另一個示例性實施方案中，所述厚度為80nm至500nm。

在又一個示例性實施方案中，太陽能電池具有正常結構，其中第一電極為陽極并且第二電極為陰極，并且電荷傳輸層設置在光活性層與第二電極之間。

正常結構可意指在基底上形成陽極。具體地，根據本說明書的一個示例性實施方案，當太陽能電池具有正常結構時，在基底上形成的第一電極可為陽極。

圖1舉例說明了根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池的一個實例。具體地，圖1舉例說明了具有正常結構的太陽能電池。在圖1中，將ITO設置為基底上的陽極，并且緩沖層設置在陽極上。此外，將光活性層設置在緩沖層上，并且在光活性層上形成包含上述冠型電荷傳輸材料的電荷傳輸層。此外，通過使用Al形成陰極。

然而，根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池不限于圖1中的結構和材料，可設置附加層，并且各個層可通過使用多種材料來構成。

在本說明書的一個示例性實施方案中，太陽能電池具有倒置結構，其中第一電極為陰極并且第二電極為陽極，并且電荷傳輸層設置在光活性層與第一電極之間。

倒置結構可意指在基底上形成陰極。具體地，根據本說明書的一個示例性實施方案，當太陽能電池具有倒置結構時，在基底上形成的第一電極可為陰極。

圖2舉例說明了根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池的一個實例。具體地，圖2舉例說明了具有倒置結構的太陽能電池。在圖2中，將ITO設置為基底上的陰極，并且在陰極上形成包含上述冠型電荷傳輸材料的電荷傳輸層。此外，光活性層設置在電荷傳輸層上，并且緩沖層設置在光活性層上，并且使MoO₃/Al形成為陽極。

此外，陰極上還可包含上述冠型電荷傳輸材料和正離子或負離子的離子基團。

然而，根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池不限于圖2中的結構和材料，可設置附加層，并且各個層可通過使用多種材料來構成。

本說明書的緩沖層可為陰極緩沖層或陽極緩沖層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸層還包含選自金屬氧化物、碳化合物、金屬碳化物介電材料和量子點化合物中的一種或兩種或更多種材料。

本說明書的一個示例性實施方案包含含有選自金屬氧化物、碳化合物、金屬碳化物介電材料和量子點化合物中的一種或兩種或更多種材料的第二電荷傳輸層。

在本說明書中，金屬氧化物的實例包括氧化鈦(TiO_x)、氧化鋅(ZnO)、氧化釩(V₂O₅)、氧化鎳(NiO_x)或氧化釕(RuO_x)等，但不限于此。

在本說明書中，碳化合物的實例包括石墨烯、碳納米管(CNT)等，但不限于此。

在本說明書中，介電材料的實例包括聚乙烯亞胺(PEI)、乙氧基化聚乙烯亞胺(PEIE)、聚[(9,9-雙(3'-二甲基氨基)丙基)-2,7-芴)-交替-2,7-(9,9-二辛基芴)]等，并且不限于此。

在本說明書中，金屬碳化物的實例包括碳酸銫等，但不限于此。

在本說明書中，量子點化合物的實例包括Cds、Pds、CdTe或其混合物等，但不限于此。

在本說明書的一個示例性實施方案中，用由化學式1表示的電荷傳輸材料摻雜第二電荷傳輸層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，相對于選自金屬氧化物、碳化合物、金屬碳化物介電材料和量子點化合物中的一種或兩種或更多種材料(第二電荷傳輸材料)的質量，由化學式1表示的電荷傳輸材料的濃度為0.1重量％至10重量％。優選地，相對于第二電荷傳輸材料的質量，由化學式1表示的電荷傳輸材料的摻雜濃度為0.1重量％至1重量％。

當由化學式1表示的電荷傳輸材料的摻雜濃度超過10重量％時，在包含金屬氧化物和/或金屬碳化物的第二電荷傳輸層的表面上或內部形成簇，并因此充當電荷的捕獲位點。因此，摻雜濃度變成電流密度和填充因數降低的原因。因此，在所述范圍內，存在防止在第二電荷傳輸層的表面上和/或內部形成簇的效果。

圖3舉例說明了根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池的一個實例。具體地，圖1舉例說明了具有倒置結構的太陽能電池。在圖1中，將ITO設置為基底上的陰極，并將第二電荷傳輸層設置在陰極上。此外，在第二電荷傳輸層上形成包含由化學式1表示的電荷傳輸材料的第一電荷傳輸層。此外，將光活性層設置在第一電荷傳輸層上，并且使MoO₃/Al形成為陽極。

在本說明書的一個示例性實施方案中，具體地，第二電荷傳輸層可包含ZnO。在另一個示例性實施方案中，第二電荷傳輸層可包含介電材料。所述介電材料可包含聚[(9,9-雙(3'-二甲基氨基)丙基)-2,7-芴)-交替-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)作為共軛聚合物電解質，以及聚乙烯亞胺(PEI)和/或乙氧基化聚乙烯亞胺(PEIE)作為非共軛聚合物電解質。

圖4舉例說明了根據本說明書的一個示例性實施方案的太陽能電池的一個實例。具體地，圖4舉例說明了具有倒置結構的太陽能電池。在圖4中，將ITO設置為基底上的陰極，并且在陰極上形成用由化學式1表示的電荷傳輸材料摻雜的第二電荷傳輸層。此外，將光活性層設置在電荷傳輸層上，并且在光活性層上形成MoO₃/Al。

在一個示例性實施方案中，太陽能電池包括第一電荷傳輸層和第二電荷傳輸層，所述第一電荷傳輸層包含由化學式1表示的電荷傳輸材料，所述第二電荷傳輸層包含選自金屬氧化物、碳化合物、金屬碳化物介電材料和量子點化合物中的一種或兩種或更多種材料。

在另一個示例性實施方案中，第一電荷傳輸層和第二電荷傳輸層設置成彼此接觸。具體地，將包含由化學式1表示的電荷傳輸材料的第一電荷傳輸層設置在光活性層與第二電荷傳輸層之間。

在本說明書中，電荷傳輸層意指傳輸“空穴”或“電子”的層，并且可為電子傳輸層或空穴傳輸層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電荷傳輸層為電子傳輸層。本說明書的電子傳輸層可為陰極緩沖層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，第一電極可為陰極。在另一個示例性實施方案中，第一電極可為陽極。

在本說明書的一個示例性實施方案中，第二電極可為陽極。在另一個示例性實施方案中，第一電極可為陰極。

本說明書的第一電極可為陰極電極，并且可為透明導電氧化物層或金屬電極。

當第一電極為透明電極時，第一電極可為導電氧化物，例如氧化銦錫(ITO)或氧化銦鋅(IZO)。此外，第一電極還可為半透明電極。當第一電極為半透明電極時，第一電極可通過使用半透明金屬例如Ag、Au、Mg、Ca或其合金來制備。當使用半透明金屬作為第一電極時，太陽能電池可具有微腔結構。

當本說明書的電極為透明導電氧化物層時，除玻璃和石英板以外，還可使用其中將導電材料摻雜至柔性且透明的材料如塑料的電極，其包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚丙烯(PP)、聚酰亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、丙烯腈苯乙烯共聚物(AS樹脂)、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS樹脂)、三乙酰纖維素(TAC)和聚芳酯(PAR))。具體地，電極可為氧化銦錫(ITO)、氟摻雜的氧化錫(FTO)、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)、氧化銦鋅(IZO)、ZnO-Ga₂O₃、ZnO-Al₂O₃、氧化銻錫(ATO)等，并且更具體地，電極可為ITO。

在本說明書的一個示例性實施方案中，第二電極可為陽極，并且第二電極可為金屬電極。具體地，金屬電極可包括選自以下中的一種或兩種或更多種：銀(Ag)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鎢(W)、銅(Cu)、鉬(Mo)、金(Au)、鎳(Ni)和鈀(Pd)。更具體地，金屬電極可為銀(Ag)。

在本說明書的一個示例性實施方案中，在形成第一電極和/或第二電極中，圖案化ITO基底用清潔劑、丙酮和異丙醇(IPA)依次清洗，并且然后在熱板上于100℃至250℃下干燥1分鐘至30分鐘，特別地在250℃下干燥10分鐘以除去水分，并且當基底被完全清潔時，可對基底的表面進行親水性改性。作為用于此目的的預處理技術，可使用a)使用平行平板型放電的表面氧化方法；b)經由通過在真空狀態下使用UV射線所產生的臭氧來氧化表面的方法；c)使用由等離子體產生的氧自由基的氧化方法，等。接合表面電勢可通過上述表面改性維持在適合于空穴注入層的表面電勢的水平，并且在ITO基底上容易地形成聚合物薄膜并且可提高薄膜的品質。根據基底的狀況，選擇所述方法之一，并且無論使用什么方法，僅當防止氧從基底表面離開并最大限度地抑制水分和有機材料殘留時，通常才可預期預處理的實質性作用。

在下文所述的本說明書的實施例中，使用了經由通過使用UV所產生的臭氧來氧化表面的方法，并且在超聲波清洗之后，將圖案化ITO基底在熱板上充分地烘烤并干燥，引入下一個室，并且開啟UV燈以借助通過使氧氣與UV光反應所產生的臭氧來清洗圖案化ITO基底。然而，本發明中對圖案化ITO基底表面進行改性的方法不需要特別限制，并且可使用任何方法，只要所述方法為氧化基底的方法即可。

在本說明書的一個示例性實施方案中，太陽能電池還包括選自以下中的一個或兩個或更多個有機材料層：空穴注入層、空穴傳輸層、空穴阻擋層、電荷產生層、電子阻擋層、電子注入層和電子傳輸層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，太陽能電池具有倒置結構，其中第一電極為陰極并且第二電極為陽極，陰極緩沖層設置在第一電極與光活性層之間，并且陽極緩沖層設置在第二電極與光活性層之間。

除了陽極緩沖層和陰極緩沖層以外，本說明書的一個示例性實施方案還可包含另外的有機材料層。另一個示例性實施方案可僅包含陽極緩沖層和陰極緩沖層之一，并且可以不包含緩沖層。

在又一個示例性實施方案中，在本說明書的一個示例性實施方案中，太陽能電池具有正常結構，其中第一電極為陽極并且第二電極為陰極，陽極緩沖層設置在第一電極與光活性層之間，并且陰極緩沖層設置在第二電極與光活性層之間。

在本說明書的一個示例性實施方案中，陰極緩沖層可為電子傳輸層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，陽極緩沖層可為空穴傳輸層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，太陽能電池為有機太陽能電池或有機-無機混合太陽能電池。

在本說明書的一個示例性實施方案中，在有機太陽能電池或有機-無機混合太陽能電池中，如果需要的話，本領域技術人員可選擇用于光活性層的材料。

具體地，有機太陽能電池中的光活性層為光活性材料，并且包含電子供體材料和電子受體材料。在本說明書中，光活性材料可意指電子供體材料和電子受體材料。

根據本說明書的一個示例性實施方案，電子供體材料可包含：至少一種電子供體；或至少一種電子受體和至少一種電子供體的聚合物。電子供體材料可包含至少一種電子供體。此外，電子供體材料包含至少一種電子受體和至少一種電子供體的聚合物。

具體地，電子供體材料可為多種聚合材料，例如基于噻吩、基于芴和基于咔唑的材料、以及起始于聚[2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1,4-亞苯基亞乙烯基](MEH-PPV)的單分子材料。

具體地，單分子材料可包括選自以下中的一種或更多種材料：酞菁銅(II)、酞菁鋅、三[4-(5-二氰基亞甲基甲基-2-噻吩基)苯基]胺、2,4-雙[4-(N,N-二芐基氨基)-2,6-二羥基苯基]方酸、苯并[b]蒽和并五苯。

具體地，聚合材料可包括選自以下中的一種或更多種材料：聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[N-9'-十七烷基-2,7-咔唑-交替-5,5-(4'-7'-二-2-噻吩基-2',1',3'-苯并噻二唑)](PCDTBT)、聚[2,6-(4,4-雙(2-乙基己基)-4H-環戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)、聚[2,7-(9,9-二辛基-芴)-交替-5,5-(4,7-二-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑)](PFO-DBT)、聚[[4,8-雙[(2-乙基己基)氧基]苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基](PTB7)以及聚[2,7-(9,9-二辛基-二苯并噻咯)-交替-4,7-雙(噻吩-2-基)苯并-2,1,3-噻二唑](PSiF-DBT)。

在本說明書的一個示例性實施方案中，電子受體材料可為富勒烯衍生物或非富勒烯衍生物。

如果需要的話，富勒烯衍生物可為C₆₀至C₁₂₀富勒烯衍生物，并且可由本領域技術人員選擇。如果需要的話，富勒烯衍生物選自上述取代基中，并且可被取代或未被取代。

與非富勒烯衍生物相比，富勒烯衍生物具有分離電子-空穴對(激子)的優異能力和優異的電荷遷移率，因此在效率特性方面是有利的。

此外，在本說明書的一個示例性實施方案中，光活性層可具有本體異質結結構或雙層結結構。本體異質結結構可為本體異質結(BHJ)結型，并且雙層結結構可為雙層結型。

將上述光活性材料溶解在有機溶劑中，并且然后通過例如旋涂的方法以50nm至280nm范圍的厚度施加溶液以引入光活性層。在這種情況下，可對光活性層應用例如浸涂、絲網印刷、噴涂、刮涂和刷涂的方法。

在另一個示例性實施方案中，對于有機-無機混合太陽能電池中的光活性層而言，如果需要的話，本領域技術人員可選擇用于光活性層的材料，例如使用量子點的量子點太陽能電池；使用硅層的硅太陽能電池；或者使用具有鈣鈦礦型結構的化合物的鈣鈦礦型太陽能電池。

根據本說明書的一個示例性實施方案，電子傳輸層的導電氧化物可為提取電子的金屬氧化物，并且具體地，可包括選自氧化鈦(TiO_x)、氧化鋅(ZnO)和碳酸銫(Cs₂CO₃)中的一種或更多種。

根據本說明書的一個示例性實施方案，所述金屬可為核殼材料，包括：銀(Ag)納米顆粒；金(Au)納米顆粒；和金屬氧化物，例如Ag-SiO2、Ag-TiO2和Au-TiO₂。核殼材料包含作為核的金屬，以及作為殼的金屬氧化物，例如Ag-SiO₂、Ag-TiO₂和Au-TiO₂。

電子傳輸層可通過使用以下方法施加至基底的一個表面上或以膜的形式涂覆來形成：濺射、電子束、熱沉積、旋涂、絲網印刷、噴墨印刷、刮涂或凹版印刷。

可將空穴傳輸層通過諸如以下的方法引入經預處理的光活性層的上部：旋涂、浸涂、噴墨印刷、凹版印刷、噴涂、刮涂、棒涂、凹版涂覆、刷涂和熱沉積。在這種情況下，通常使用聚(3,5-亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸酯)[PEDOT:PSS]作為導電聚合物溶液，并且可使用氧化鉬(MoO_x)、氧化釩(V₂O₅)、氧化鎳(NiO)、氧化鎢(WO_x)等作為提取空穴的金屬氧化物材料。根據本說明書的一個示例性實施方案，空穴傳輸層可通過經由熱沉積系統沉積MoO₃至厚度為5nm至10nm來形成。

根據本說明書的一個示例性實施方案，太陽能電池還可包括基底。具體地，可將基底設置在第一電極的下部。

根據本說明書的一個示例性實施方案，作為基底，可使用具有優良透明度、表面光滑度、易于處理和防水性的基底。具體地，可使用玻璃基底、薄膜玻璃基底或透明塑料基底。塑料基底可包括單層或多層形式的膜，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)和聚酰亞胺(PI)。然而，所述基底不限于此，并且可使用通常用于太陽能電池的基底。

根據本說明書的一個示例性實施方案，太陽能電池可具有卷繞結構。具體地，太陽能電池可以以柔性膜的形式制造，并且可制成其中膜以圓柱形式卷繞的具有中空卷繞結構的太陽能電池。當太陽能電池具有卷繞結構時，可以以其中太陽能電池豎立在地面上的方式安裝太陽能電池。在這種情況下，在其中安裝太陽能電池的位置處，可在太陽自東向西移動時確保其中光的入射角變得最大的部分。因此，存在這樣的優點：當太陽上升時，可以盡可能多地吸收光并可提高效率。

此外，本說明書提供了用于制造上述太陽能電池的方法，所述方法包括：準備基底；在所述基底上形成第一電極；在所述第一電極上形成包括具有兩個或更多個層的有機材料層的具有兩個或更多個層的有機材料層，其包括光活性層和電荷傳輸層；以及在所述有機材料層上形成第二電極。

在本說明書中，用于制造太陽能電池的方法可使用通常使用的方法，不同之處在于包含上述電荷傳輸層。

根據本說明書的一個示例性實施方案，形成第一電極可在清洗第一電極之后對第一電極的表面進行親水性改性。

根據本說明書的一個示例性實施方案，制造單層太陽能電池還可包括形成空穴傳輸層以及形成電子傳輸層。

在本說明書的一個示例性實施方案中，太陽能電池還包括在形成有機材料層之后進行熱處理或進行UV處理。

根據本說明書的一個示例性實施方案的電荷傳輸材料包括其中將離子基團插入由化學式1表示的冠型化合物的中心的電荷傳輸材料。在還包括進行如上所述的熱處理或UV處理的情況下，由化學式1表示的化合物可以彼此結合形成化學結合的單富勒烯層。在這種情況下，存在熱穩定性增強的效果。

在本說明書中，基底、第一電極、光活性層、電子傳輸層和第二電極與上述那些相同。

實施例

下文中，將參照用于具體描述本說明書的實施例來詳細地描述本說明書。然而，根據本說明書的實施例可以以多種形式進行修改，并且不應理解為本說明書的范圍限于下文中詳細描述的實施例。提供本說明書的實施例以向本領域的普通技術人員更完整地描述本說明書。

實驗例1.

將在溶液(其中乙酸乙酯與甲醇以1:1的比混合)中包含0.1重量％具有以下可交聯取代基的冠衍生物的電荷傳輸層旋涂在ITO玻璃上作為第一電極，然后使其經歷熱處理，并且然后形成膜。使用P3HT:PC₆₀BM在電荷傳輸層上形成光活性層。使用MoO₃在光活性層上形成緩沖層，并且然后使用Ag在緩沖層上形成第二電極以制造具有倒置結構的有機太陽能電池。

ITO/可交聯[18-冠-6]/P3HT:PC₆₀BM/MoO₃/Ag

可交聯[18-冠-6]

實驗例2.

以與實驗例1中相同的方式制造有機太陽能電池，不同之處在于：使用在實驗例1中的18-冠-6的中心處包含鉀離子(K⁺)的材料。

可交聯[18-冠-6]K+

比較例1.

以與實驗例1中相同的方式制造有機太陽能電池，不同之處在于：使用ZnO代替可交聯[18-冠-6]作為實驗例1中的電荷傳輸層。

比較例2.

以與實驗例1中相同的方式制造有機太陽能電池，不同之處在于：在實驗例1中使用以下冠衍生物。

[18-冠-6]

比較例3.

以與實驗例1中相同的方式制造有機太陽能電池，不同之處在于：使用在實驗例1中的18-冠-6的中心處包含鉀離子(K⁺)的材料。

ITO/[18-冠-6]K+/P3HT:PC₆₀BM/MoO₃/Ag

[18-冠-6]K+

比較例4.

以與實驗例3中相同的方式制造有機太陽能電池，不同之處在于：在實驗例1中使用以下六氮雜環十八烷(hexacyclen)。

ITO/六氮雜環十八烷/P3HT:PC₆₀BM/MoO₃/Ag

六氮雜環十八烷

根據實驗例和比較例制造的有機太陽能電池的光電轉換特性在下表1中示出。

[表1]

當在80℃的溫度下進行熱處理時，各個有機太陽能電池中的器件效率變化在以下圖5中示出。當沒有進行交聯時，由于18-冠-6的低熔點，器件的效率比使用ZnO的情況下降得更快；但是當進行交聯時，可觀察到器件的熱穩定性顯著增強，并且因此，即使在熱處理進行15小時之后仍維持96％或更高的器件性能。(ZnO：86％，18-冠-6：78％)

即使當沒有進行交聯時，六氮雜環十八烷仍由于高介電常數和熔點而表現出比ZnO更好的熱穩定性，并且與18-冠-6的情況相比，可通過高的開路電壓、電流密度和填充因數獲得提高至50％或更高的效率。

已經對本發明的示例性實施方案進行了描述，但是由于提供具體說明是為了告知本領域普通技術人員本發明所屬的發明種類，因此明顯的是本發明的范圍不受限制。因此，本發明的實質范圍將由所附權利要求書及其等同方案限定。