包含被光活性表面改性剂包围的半导体纳米颗粒的混杂有机太阳能电池

摘要

本发明涉及一种其中在光活性层中半导体纳米颗粒被光活性表面活性剂材料包围的太阳能电池。

说明书

本发明涉及太阳能电池，尤其是混杂有机太阳能电池领域。

这类太阳能电池尤其从US 6,878,871中获知。该文献描述了其中 半导体纳米颗粒布置在光活性层中的太阳能电池。

然而，这些和类似的现有技术太阳能电池通常仅具有不令人满意 的功率效率。这尤其归因于已经发现迅速地分离由在纳米颗粒/聚合物 界面通过有效的电荷转移吸收质子而产生的激发子(束缚的电子空穴 对)以防止太阳能电池中降低功率的重组是有问题的。

因此，本发明的目的是提供一种具有较高的功率效率、具有至少 不明显的变差，优选甚至保持相同或提高的其他性能的混杂有机太阳 能电池(hybride organische Solarzelle)。

为了解决该问题，提供了根据本发明的权利要求1的太阳能电池。 因此提出这样一种太阳能电池，该太阳能电池包含至少一种在光活性 层的至少一部分中被至少一种光活性表面活性剂材料包围的半导体 纳米颗粒。

由于半导体纳米颗粒被该表面活性剂材料包围，因此在本发明的 广泛应用范围内可以发现效率显著增加地升高-不限于这一理论- 这归因于在太阳能电池的光活性层中，在纳米颗粒与半导体有机基体 例如半导体聚合物之间的界面处提高的电荷分离。

在本发明的上下文中，“光活性”被理解为尤其是指通过产生激发 子而吸收光。

在本发明的上下文中，“表面活性剂材料”被理解为尤其是指基本 由包含极性首基(Kopfgruppe)(例如-但不限于-羧基、胺基、硫羟 基、磷酸根(Phosphat-)或硫酸根基团(Sulfatgruppe))和非极性尾基的 分子组成的材料。

在本发明的上下文中，“光活性表面活性剂材料”被理解为尤其是 指至少一种表面活性剂材料具有最高占据的分子轨道(HOMO)和最低 占据的分子轨道(LUMO)，其的能量位置为使得由光吸收产生的电荷 载体分离到半导体纳米颗粒和/或周围的有机基体中是可能的(对应于 在半导体技术中已知的类型II结)。另外，在本发明中的 许多应用中，由于表面活性剂相对于空穴电导率和/或电子电导率而言 的性能，因此在纳米颗粒和/或周围的有机基体例如半导体聚合物中由 光吸收产生的激发子的电荷分离得到改进。

在类型II异质结的界面处，具有能量较低的LUMO的材料也被 称为受体，并且具有能量较高的HOMO的材料被称为给体。

在本发明的上下文中，“半导体纳米颗粒”被理解为特别是指具有 基本晶体或近似晶体的结构、具有≥0.5至≤3.5eV的带隙并且平均 具有≥1nm至≤50nm，优选≥1.5nm至≤40nm，特别优选≥2nm 至≤30nm的特征尺寸大小的无机材料。在本发明的上下文中，特征 尺寸大小被理解为是指对于它们的物理化学性能而言决定性的纳米 颗粒的尺寸。其在球形颗粒的情形下为直径，在细长型的颗粒例如棒 的情形下为棒直径，和在多臂颗粒的情形下为臂直径。

半导体纳米颗粒优选得自II-VI或III-V化合物半导体 (Verbindshalbleiter)(例如CdSe、CdTe、InP)和其的混合物。

在本发明的一个优选实施方案中，至少一种光活性表面活性剂材 料包含p-和/或n-导电材料。

在本发明的一个优选实施方案中，半导体纳米颗粒表面被至少一 种光活性表面活性剂材料的覆盖密度为≥50％至≤100％，特别优选≥ 80％至≤100％，最特别优选≥95％至≤100％。

100％的覆盖密度特别是指周围的有机基体不直接与半导体纳米 颗粒接触。

光活性表面活性剂材料中p-和/或n-导电材料的摩尔份额可以在 0％-100％变化，但优选20％-80％。特别优选地，根据下式，光活 性表面活性剂材料中p-和n-导电材料的摩尔比与整个太阳能电池的 p-和n-导电组分的吸收率之比(光学密度)成反比：

$\frac{n_p}{n_n}=A·\frac{a_n}{a_p}·\frac{{\sigma }_n}{{\sigma }_p},$

其中n_p是p-导电材料的摩尔量，n_n是光活性表面活性剂材料中n-导 电材料的摩尔量，相应地a_n或p是太阳能电池的n-或p-导电材料n的 吸收率并且σ_n或p是n-和p-导电光活性表面活性剂材料的电导率，和 其中系数A为≥0.05至≤20，优选≥0.5至≤1.5并且特别优选≥0.8 至≤1.2。

因此，在本发明中的许多应用中可以提高电荷载体在所需的方向 上(n-半导体方向上的电子，p-半导体方向上的空穴)的传输效率。

在例如p-导电聚合物具有较高吸收率的情形中，在本发明的一个 优选实施方案中希望电子以增强的程度转移到n-导电半导体纳米颗 粒，并且因此优选较高比例的n-导电光活性表面活性剂材料。在p- 导电聚合物具有比n-导电半导体纳米颗粒更低的吸收率的情形中，在 本发明的一个优选实施方案中其行为方式则反过来。在本发明的一个 优选实施方案中，如果聚合物是n-导电并且半导体纳米颗粒是p-导 电，则过程将是类似的。

在本发明的一个优选实施方案中，半导体纳米颗粒嵌入光活性有 机基体中。

在本发明的上下文中，光活性有机“基体”被理解为特别是指具有 合适的带隙和合适的HOMO-LUMO位置并且除了在纳米颗粒之间的 接触区域和与导走电荷的电极的接触区域之外完全包围纳米颗粒的 半导体有机材料。当与使用的半导体纳米颗粒接触产生本领域那些技 术人员已知的类型II异质结时，该材料具有的合适的带隙。在一个优 选实施方案中，在受体的LUMO与给体的HOMO之间的能量差异和 因此理论可实现的太阳能电池的端电压尽可能高。

在受体具有比给体更高的吸收率的情形中，在一个优选实施方案 中，受体的HOMO与给体的HOMO之间的能量差异减去激发子结合 能为≥0.01eV至≤0.6eV；该能量差异特别优选为≥0.05eV至≤0.3 eV。

在给体具有比受体更高的吸收率的情形中，在一个优选实施方案 中，受体的LUMO与给体的LUMO之间的能量差异减去激发子结合 能为≥0.01eV至≤0.6eV，该能量差异特别优选为≥0.05eV至≤0.3 eV。

在本发明的一个优选实施方案中，有机基体包含至少一种光活性 半导体有机物质。在该情形下优选的是：(1)半导体纳米颗粒先前(eher) 是n-导电的并且有机基体先前为p-导电的，或(2)反之亦然。

为了确保电子在阴极方向上流动，表面活性剂材料的LUMO必须 处于比先前n-导电材料高但低于LUMO减去先前p-导电材料的激发 子结合能的能量下，以使得电子可以导入n-导电材料中。同样，表面 活性剂材料的HOMO必须处于比先前n-半导电材料高但低于先前p- 导电材料的能量下，以使得空穴可以流入有机基体并且因此在阳极方 向上流动。在第一情形(1)下，表面活性剂材料的LUMO的位置优 选与半导体纳米颗粒接近，以使得表面活性剂材料构成对于电子从一 个颗粒传输到下一个颗粒一直到阴极的尽可能低的能量阻隔。表面活 性剂的LUMO(表面活性剂的LUMO稍微更高)和n-导电纳米颗粒 的能量距离优选为≤0.6eV，特别优选≤0.3eV并且非常特别优选≤ 0.1eV。然而在任何情形中，p-导电聚合物和n-导电纳米颗粒或表面 活性剂的LUMO之间的差异必须足够大，以使得能量差异足以产生在 吸收材料中生成的结合电子-空穴对(激发子)的分离。相应地，在第 二情形(2)中HOMO的位置优选与半导体纳米颗粒接近，以使得表 面活性剂材料具有对于空穴从一个颗粒传输到下一个颗粒一直到阳 极上的尽可能低的能量阻隔。HOMO的能量距离优选为≤0.6eV，特 别优选≤0.3eV并且非常特别优选≤0.1eV。

根据本发明，优选这样选择表面活性剂材料和纳米颗粒相对于彼 此的能级排列：

对于p-导电表面活性剂材料为

和/或

对于n-导电表面活性剂材料为

其中Y在0≤Y≤1.5eV，特别优选0.1≤Y≤0.8eV范围内选择，和X 在0≤X≤1eV，特别优选0.1≤X≤0.5eV的范围内选择。

在另一个优选实施方案中，表面活性剂材料吸收至少一部分其中 日光具有高强度的波长范围(400nm-1000nm)，具有ε≥10^-4nm^-1， 优选ε≥10^-3nm^-1，特别优选ε≥10^-2nm^-1的吸收率，并且因此积极地 有助于在太阳能电池的光活性层中生成激发子。同时，吸收率与无单 位的光学密度OD相关，关系为OD＝ε·d。符号d在这里对应于半导 体纳米颗粒周围的表面活性剂材料的层厚度。

在本发明的一个优选实施方案中，基体包含有机聚合物。这被发 现在本发明的许多应用中是有利的，因为由此可以以简单的方式例如 通过印刷或流延工艺构造所希望的太阳能电池。

概括性基团定义：在说明书和权利要求书中要求保护和描述了概 括性基团，例如烷基、烷氧基、芳基等。除非另外说明，在本发明的 上下文中在概述的基团中优选使用以下基团：

烷基：线型和支化的C1-C8烷基，

长链烷基：线型和支化的C5-C20烷基，

烯基：C2-C8烯基，

环烷基：C3-C8环烷基，

烷氧基：C1-C6烷氧基，

长链烷氧基：线型和支化的C5-C20烷氧基，

亚烷基：选自包括以下的群组：亚甲基；1，1-亚乙基；1，2-亚乙基； 1，1-亚丙基；1，2-亚丙基；1，3-亚丙基；2，2-亚丙基；丁-2-醇-1，4-二基； 丙-2-醇-1，3-二基；1，4-亚丁基；环己烷-1，1-二基；环己烷-1，2-二基； 环己烷-1，3-二基；环己烷-1，4-二基；环戊烷-1，1-二基；环戊烷-1，2-二 基；和环戊烷-1，3-二基，

芳基：选自具有低于300Da的分子量的芳族化合物，

亚芳基：选自包括以下的群组：1，2-亚苯基；1，3-亚苯基；1，4-亚 苯基；1，2-亚萘基；1，3-亚萘基；1，4-亚萘基；2，3-亚萘基；1-羟基-2，3- 亚苯基；1-羟基-2，4-亚苯基；1-羟基-2，5-亚苯基；和1-羟基-2，6-亚苯 基，

杂芳基：选自包括以下的群组：吡啶基；嘧啶基；吡嗪基；三唑 基；哒嗪基；1，3，5-三嗪基；喹啉基；异喹啉基；喹喔啉基；咪唑基； 吡唑基；苯并咪唑基；噻唑基；噁唑烷基；吡咯基；噻吩基；咔唑基； 吲哚基和异吲哚基，其中所述杂芳基可以通过所选择的杂芳基环中的 任何原子与化合物相连，

亚杂芳基：选自包括以下的群组：吡啶二基；喹啉二基；吡唑并 二基(pyrazodiyl)；吡唑二基(pyrazolediyl)；三唑二基；吡嗪二基；噻 吩二基；和咪唑二基，其中亚杂芳基通过所选择的杂芳基环中的任何 原子在化合物中充当桥；尤其优选：吡啶-2，3-二基；吡啶-2，4-二基； 吡啶-2，5-二基；吡啶-2，6-二基；吡啶-3，4-二基；吡啶-3，5-二基；喹啉 -2，3-二基；喹啉-2，4-二基；喹啉-2，8-二基；异喹啉-1，3-二基；异喹啉 -1，4-二基；吡唑-1，3-二基；吡唑-3，5-二基；三唑-3，5-二基；三唑-1，3- 二基；吡嗪-2，5-二基；和咪唑-2，4-二基；噻吩-2，5-二基；噻吩-3，5-二 基；选自包括以下的群组的C1-C6杂环烷基：哌啶基；哌啶；1，4-哌 嗪；四氢噻吩；四氢呋喃；1，4，7-三氮杂环壬烷；1，4，8，11-四氮杂环十 四烷；1，4，7，10，13-五氮杂环十五烷；1，4-二氮杂-7-硫杂环壬烷；1，4- 二氮杂-7-氧杂环壬烷；1，4，7，10-四氮杂环十二烷；1，4-二噁烷；1，4，7- 三硫杂环壬烷；吡咯烷；和四氢吡喃，其中杂芳基可以通过所选择的 杂芳基环中的任何原子与C1-C6烷基相连，

亚杂环烷基：选自包括以下的群组：哌啶-1，2-亚基；哌啶-2，6-亚 基；哌啶-4，4-亚基；1，4-哌嗪-1，4-亚基；1，4-哌嗪-2，3-亚基；1，4-哌嗪 -2，5-亚基；1，4-哌嗪-2，6-亚基；1，4-哌嗪-1，2-亚基；1，4-哌嗪-1，3-亚基； 1，4-哌嗪-1，4-亚基；四氢噻吩-2，5-亚基；四氢噻吩-3，4-亚基；四氢噻吩 -2，3-亚基；四氢呋喃-2，5-亚基；四氢呋喃-3，4-亚基；四氢呋喃-2，3-亚 基；吡咯烷-2，5-亚基；吡咯烷-3，4-亚基；吡咯烷-2，3-亚基；吡咯烷-1，2- 亚基；吡咯烷-1，3-亚基；吡咯烷-2，2-亚基；1，4，7-三氮杂-环壬-1，4-亚 基；1，4，7-三氮杂-环壬-2，3-亚基；1，4，7-三氮杂-环壬-2，9-亚基；1，4，7- 三氮杂-环壬-3，8-亚基；1，4，7-三氮杂-环壬-2，2-亚基；1，4，8，11-四氮杂- 环十四烷-1，4-亚基；1，4，8，11-四氮杂-环十四烷-1，8-亚基；1，4，8，11-四 氮杂-环十四烷-2，3-亚基；1，4，8，11-四氮杂-环十四烷-2，5-亚基；1，4，8，11- 四氮杂-环十四烷-1，2-亚基；1，4，8，11-四氮杂-环十四烷-2，2-亚基； 1，4，7，10-四氮杂-环十二烷-1，4-亚基；1，4，7，10-四氮杂-环十二烷-1，7-亚 基；1，4，7，10-四氮杂-环十二烷-1，2-亚基；1，4，7，10-四氮杂-环十二烷-2，3- 亚基；1，4，7，10-四氮杂-环十二烷-2，2-亚基；1，4，7，10，13-五氮杂-环十五 烷-1，4-亚基；1，4，7，10，13-五氮杂-环十五烷-1，7-亚基；1，4，7，10，13-五氮 杂-环十五烷-2，3-亚基；1，4，7，10，13-五氮杂-环十五烷-1，2-亚基； 1，4，7，10，13-五氮杂-环十五烷-2，2-亚基；1，4-二氮杂-7-硫杂-环壬-1，4- 亚基；1，4-二氮杂-7-硫杂-环壬-1，2-亚基；1，4-二氮杂-7-硫杂-环壬-2，3- 亚基；1，4-二氮杂-7-硫杂-环壬-6，8-亚基；1，4-二氮杂-7-硫杂-环壬-2，2- 亚基；1，4-二氮杂-7-氧杂-环壬-1，4-亚基；1，4-二氮杂-7-氧杂-环壬-1，2- 亚基；1，4-二氮杂-7-氧杂-环壬-2，3-亚基；1，4-二氮杂-7-氧杂-环壬-6，8- 亚基；1，4-二氮杂-7-氧杂-环壬-2，2-亚基；1，4-亚二噁烷-2，3-亚基；1，4- 二噁烷-2，6-亚基；1，4-二噁烷-2，2-亚基；四氢吡喃-2，3-亚基；四氢吡 喃-2，6-亚基；四氢吡喃-2，5-亚基；四氢吡喃-2，2-亚基；1，4，7-三硫杂- 环壬-2，3-亚基；1，4，7-三硫杂-环壬-2，9-亚基；和1，4，7-三硫杂-环壬-2，2- 亚基，

杂环烷基：选自包括以下的群组：吡咯啉基；吡咯烷基；吗啉基； 哌啶基；哌嗪基；六亚甲基亚胺；1，4-哌嗪基；四氢噻吩基；四氢呋 喃基；1，4，7-三氮杂环壬基；1，4，8，11-四氮杂环十四烷基；1，4，7，10，13- 五氮杂环十五烷基；1，4-二氮杂-7-硫杂环壬基；1，4-二氮杂-7-氧杂环 壬基；1，4，7，10-四氮杂环十二烷基；1，4-二噁烷基；1，4，7-三硫杂环壬 基；四氢吡喃基；和噁唑啉基，其中杂环烷基可以通过所选择的杂环 烷基环中的任何原子与化合物相连，

卤素：选自包括以下的群组：F；Cl；Br和I，

卤代烷基：选自包括以下的群组：单、二、三、多和全卤代线型 和支化的C1-C8烷基，

拟卤素：选自包括以下的群组：-CN、-SCN、-OCN、N3、 -CNO、-SeCN。

除非另外说明，在概括性基团定义中以下基团是特别优选的基 团：

烷基：线型和支化的C1-C6烷基，

长链烷基：线型和支化的C5-C10烷基，优选C6-C8烷基，

烯基：C3-C6烯基，

环烷基：C6-C8环烷基，

烷氧基：C1-C4烷氧基，

长链烷氧基：线型和支化的C5-C10烷氧基，优选线型C6-C8烷 氧基，

亚烷基：选自包括以下的群组：亚甲基；1，2-亚乙基；1，3-亚丙基； 丁-2-醇-1，4-二基；1，4-亚丁基；环己烷-1，1-二基；环己烷-1，2-二基； 环己烷-1，4-二基；环戊烷-1，1-二基；和环戊烷-1，2-二基，

芳基：选自包括以下的群组：苯基；联苯基；萘基；蒽基和菲基，

亚芳基：选自包括以下的群组：1，2-亚苯基；1，3-亚苯基；1，4-亚 苯基；1，2-亚萘基；1，4-亚萘基；2，3-亚萘基和1-羟基-2，6-亚苯基，

亚杂芳基：噻吩、吡咯、吡啶、哒嗪、吡啶、吲哚、噻吩并噻吩，

卤素：选自包括以下的群组：F和Cl。

在本发明的一个优选实施方案中，基体包含以下结构的有机聚合 物：

其中每一R彼此独立地选自未取代、烷基取代和/或烷氧基取代的亚 芳基和烷基取代和/或烷氧基取代的亚杂芳基，并且n≥2，优选n≥4 至≤400。

在本发明的一个优选实施方案中，基体包含以下结构的有机聚合 物：

其中每一单元的每一X独立地选自N、O、P、S，每一单元的R₁和 R₂独立地选自氢、烷基、烷氧基，并且n为≥4至≤500，优选≥15 至≤400，特别优选≥20至≤300。

在本发明的一个优选实施方案中，基体包含以下结构的有机聚合 物：

其中每一单元的每一X彼此独立地选自N、O、P、S，每一单元的R₁和R₂独立地选自氢、烷基、烷氧基，并且n为≥4至≤300，优选≥ 15至≤250，特别优选≥20至≤150。

在本发明的一个优选实施方案中，基体包含以下结构的有机聚合 物：

其中每一单元的每一X彼此独立地选自N、O、P、S，每一单元的R₁和R₂独立地选自氢、烷基、烷氧基，并且n为≥4至≤300，优选≥ 15至≤250，特别优选≥20至≤150。

在本发明的一个优选实施方案中，半导体纳米颗粒加上周围的表 面活性剂材料对光活性层的体积比VA为

并且这样选择：使得VA为≥0.1，优选≥0.2至≤0.74，并且特别优 选≥0.35至≤0.6。

在一个优选实施方案中，半导体纳米颗粒加上周围的表面活性剂 材料在光活性层中的体积份额VA足够高以确保足够的渗流路径 (Perkolationspfade)到达相应的电极，从而通过n-导电材料导出电子或 者通过p-导电材料导出空穴。在本发明的一个优选实施方案中，半导 体纳米颗粒加上周围的表面活性剂材料的体积份额至少如此之高，以 使得从电子-空穴对的形成位置到最近的聚合物-纳米颗粒界面的平均 距离不大于电子-空穴对的扩散长度-约5-30nm。

在许多应用中，最佳体积份额还尤其取决于半导体纳米颗粒的形 态。激发子扩散长度越大并且越多的颗粒偏离球形，则其越低。在一 个优选实施方案中，对于球形颗粒，其为≥0.2至≤0.7并且特别优选 ≥0.3至≤0.65。对于具有至少3∶1的轴比()的棒状 颗粒，其优选为≥0.15至≤0.65，并且特别优选≥0.25至≤0.6，较低 的体积份额范围(≥0.25至≤0.45)在较大的轴比(＞5∶1)的情况下是有利 的。对于多脚形颗粒，其优选为≥0.1至≤0.6并且特别优选≥0.2至 ≤0.5，并且多个脚的分支的轴比应为至少3∶1。在至少5∶1的轴比下， 较低的体积比范围(≥0.1至≤0.4)是有利的。

使用这些范围，在本发明中的多个应用中也满足了关于渗流路径 的上述要求。半导体纳米颗粒的体积份额过高可能降低特点在于在特 定的波长范围内吸收的聚合物的份额。因此在本发明的一个优选实施 方案中，纳米颗粒的体积份额应该至多为≤60％。在本发明中的多个 应用中，太阳能电池的总吸收率将整体采用所有的可能性并且不限于 此，也即由三种光活性组分(有机基体、表面活性剂材料、半导体纳 米颗粒)的组成、它们彼此的体积比和它们的层厚度决定。

在本发明的一个优选实施方案中，表面活性剂材料包含p-导电材 料，其具有≥0.001cm²/Vs至≤10cm²/Vs，优选≥0.01cm²/Vs至≤5 cm²/Vs，特别优选≥0.05cm²/Vs至≤2cm²/Vs的空穴迁移率。

所述至少一种表面活性剂材料优选包含至少一种以下结构的p- 导电材料：

其中每一单元的每一X彼此独立地选自N、O、P、S，每一单元的R₁和R₂独立地选自氢、烷基、烷氧基，R₃选自羧酸根(Carboxylat)、 胺基(Amine)、硫羟基(Thiole)、磷酸根(Phosphat)、硫酸根(Sulfat)，和 n为≥3至≤15。

在本发明的一个优选实施方案中，表面活性剂材料包含n-导电材 料，并且表面活性剂材料中的迁移率优选为≥0.00001cm²/Vs至≤10 cm²/Vs，优选≥0.001cm²/Vs至≤5cm²/Vs，特别优选≥0.01cm²/Vs 至≤5cm²/Vs。

所述至少一种表面活性剂材料优选包含至少一种以下结构的n- 导电材料：

其中R₁、R₂、R₃和R₆独立地选自氢、烷基、烷氧基，R₄是单键和/ 或亚烷基单元，和R₅选自羧酸根(Carboxylat)、胺基(Amine)、硫羟 基(Thiole)、磷酸根(Phosphat)、硫酸根(Sulfat)。

至少一种表面活性剂材料优选包含至少一种以下结构的n-导电 材料：

其中R₁和R₄独立地选自氢、烷基、烷氧基，R₂是单键和/或亚烷基单 元，和R₃选自羧酸根(Carboxylat)、胺基(Amine)、硫羟基(Thiole)、 磷酸根(Phosphat)、硫酸根(Sulfat)。

在本发明的一个优选实施方案中，表面活性剂材料包含至少一种 在至少一种具有≥30至≤42的E_T(30)值的溶剂中具有≥10g/l至≤ 400g/l溶解度的材料。

在本发明的上下文中，“E_T(30)值”被理解为是指基于在以下文献 中公开的值的溶剂的极性：Reichart；Dimroth，Fortschr.Chem.Forsch. 1969，11，1-73，Reichart，Angew.Chem.1979，91，119-131，以及被引用 在March，Advanced Organic Chemistry，第4版，J.Wiley&Sons，1992， 表10.13，第361页。

本发明还涉及根据本发明的太阳能电池用于下列的用途：用于便 携式电子应用(例如移动电话、MP3播放器、笔记本电脑、医学技术 等)，用于汽车领域以产生用于各种用电器(elektrische Verbraucher) 的电流，用于建筑、温室或汽车的玻璃窗、钟表、设计物品中的半透 明太阳能电池，用于完全柔性和可自由成型的薄膜形式的这类太阳能 电池，用于屋顶和墙壁装置或者嵌入衣服制品的薄膜形式的固定型能 源产生。

用于根据本发明使用的上述的、要求保护的和在工作例中描述的 构件在它们的尺寸、外形设计、材料选择和技术构思不经受任何特定 的特殊条件，以使得可以使用在应用领域中已知的选择标准，而没有 限制。

本发明主题的另一些细节、特征和优点从从属权利要求和从按照 附图的描述中明显看出，其中-作为例子-示出了本发明太阳能电池 的几个工作例。在附图中：

图1示出了穿过根据本发明第一实施方案的太阳能电池的非常 示意性的截面图；

图2示出了穿过被表面活性剂材料包围的、得自图1的太阳能 电池的一些半导体纳米颗粒的非常示意性的截面图；和

图3示出了穿过根据本发明第二实施方案的太阳能电池的非常 示意性的截面图。

图4示出了根据实施例1的太阳能电池的典型电流-电压特征曲 线。

图5示出了根据实施例2的太阳能电池的典型电流-电压特征曲 线。

图6示出了根据本发明第二实施方案的太阳能电池的横截面的 透射电子显微照片。

图1示出了穿过根据本发明第一实施方案的太阳能电池1的非常 示意性的截面图。该太阳能电池包括第一电极50，其在本实施方案中 由透明材料例如ITO组成。原则上，尽管在这里可以使用本领域已知 的所有材料，尤其是所谓的TCO(透明导电氧化物)，还有以薄层施 用的官能化SWCNT(单壁碳纳米管)或官能化MWCNT(多壁碳纳 米管)。

第一p-导电聚合物层40涂覆在太阳能电池上。该层约为40nm厚 并且在本实施方案中基本由PEDOT:PSS组成。这里同样，尽管可以 使用本领域已知的具有电子阻隔性能并且对相关波长范围内的光透 明的所有材料，例如有提及的PEDOT:PSS或HIL。

光活性层10在本实施方案中由嵌入基体材料中的本发明的被光 活性表面活性剂材料覆盖的半导体纳米颗粒20的层组成。

另外涂覆了由纯的基体材料组成的层30(其厚度为10nm或更 小)。其防止在半导体纳米颗粒20与p-导电聚合物40之间可能的短 路。本实施方案中的基体材料是P3HT(聚-3-己基噻吩)。这里同样 可以使用上述的聚合物。对于该层厚度，由用于通过n-导电材料导出 电子或通过p-导电材料导出空穴的足够有效的渗流路径形成造成的 太阳能电池的总吸收率和电子电导率以及空穴电导率的乘积是最大 值。

随后是被光活性表面活性剂材料包围的、嵌入基体材料中的本发 明半导体纳米颗粒20的层。应该指出尤其是该附图部分被非常示意 性地绘制。根据具体的应用，实际的尺寸比例、体积份额和形态将非 常不同。

随后，将第二电极60涂覆在光活性层10上，其在本实施方案中 基本由铝组成。

图2表示穿过被表面活性剂材料包围的、得自图1的太阳能电池 的一些半导体纳米颗粒20的非常示意性的截面图。在该图中，可以 看出(非常示意性地)半导体纳米颗粒由被光活性表面活性剂材料22 包围的半导体材料21组成。当通过光入射通过质子吸收产生激发子 并且结合的电子-空穴对扩散到纳米颗粒/聚合物界面时，现在可能(如 图中的箭头所示)通过光活性表面活性剂材料22实现更有效的电荷 分离，这增加了太阳能电池的效率。

在一个特定实施方案中，半导体纳米颗粒基本由CdSe组成，并 且被由末端磷酸盐化的聚噻吩组成的n-导电表面活性剂材料和p-导 电的二萘嵌苯材料的混合物包围。

应该清楚地指出图2也是非常示意性的图。在实际体系中，尺寸 比例将显著不同于图2的那些，因为半导体颗粒21优选被单层光活 性材料22包围。

此外应该指出，尽管图1和图2中的半导体颗粒21用圆形直径 示出，但所有可想象到的形态对于半导体颗粒而言是可能的并且也可 以根据本发明的具体应用来优选。

例如，半导体颗粒在一个优选实施方案中由棒组成(即基本一 维)，在另一个实施方案中具有叶状结构(即基本二维)，或者具有 可以是球形、近似椭球形的三维形状和/或具有四脚形状。

应该指出根据应用，不同形态的半导体颗粒也可以存在于光活性 层中。

图3表示穿过根据本发明第二实施方案的太阳能电池1’的非常示 意性的截面图。该方案与图1不同在于涂覆了另外的层70(所谓的“空 穴阻隔层”，例如苯基C61丁酸甲酯)，其防止所不合意的空穴转移 到铝电极中。

图4示出了在大致对应于1.5AM的辐射光谱的照明条件下根据实 施例1的太阳能电池的典型电流-电压特征曲线图。对于由CdSe纳米 颗粒和P3HT组成的太阳能电池记录了该特征曲线。

图5示出了在大致对应于1.5AM的辐射光谱的照明条件下根据实 施例2的太阳能电池的典型电流-电压特征曲线图。对于由CdSe纳米 颗粒、光活性表面活性剂材料和P3HT组成的太阳能电池记录了该特 征曲线。

图6示出了根据本发明第二实施方案的由CdSe纳米颗粒、光活 性表面活性剂材料和P3HT组成的太阳能电池的横截面的透射电子显 微照片。

实施例：

实施例1：CdSe纳米颗粒在吡啶中加工和CdSe/P3HT太阳能电池的制 造

为了除去用于CdSe纳米颗粒合成的表面活性剂，首先将35mg CdSe纳米颗粒重新分散在2ml甲苯中并且然后在20ml吡啶中(甲苯 /吡啶比例：1/10)。在回流和惰性气氛下煮沸(温度约117℃2h)造 成配体交换，使得吡啶大部分代替存在于纳米颗粒表面的表面活性 剂。随后用200ml正己烷进行吡啶涂覆的纳米颗粒的沉淀(吡啶/正己 烷比例：1/10)。该步骤同时还是用于成功的配体交换的试验。通过离 心分离(在约2200g加速度下1h)将沉淀的CdSe纳米颗粒从过量的 溶剂和表面活性剂混合物中分离出。为了进一步精制，然后可以再次 将纳米颗粒重新分散在3ml吡啶中并且在30ml正己烷中沉淀。通过 离心分离(在约2200g加速度下10min)除去过量的溶剂和表面活性 剂部分。在最后的精制步骤之后，将吡啶涂覆的CdSe纳米颗粒重新 分散在由于氯苯(使用的体积约1ml)中7体积％吡啶组成的混合物 中。然后将180μl P3HT/氯苯溶液(50mg/ml)加入该混合物中。该溶 液然后可用于制造太阳能电池，溶液中存在90/10的CdSe纳米颗粒 /P3HT质量比。

然后如下制备太阳能电池。借助于旋涂机在1500l/min旋转速度 下进行CdSe/P3HT分散体均匀施加在涂覆有ITO和PEDOT:PSS的玻 璃板上30s。然后将由此形成的薄膜(参见图6)在150℃下热处理 15min。然后通过铝层的气相沉积涂覆背电极。然后在大致对应于 1.5AM的辐射光谱的条件下分析太阳能电池。

实施例2：CdSe纳米颗粒在吡啶和光活性表面活性剂材料中加工以及 CdSe/光活性表面活性剂材料/P3HT太阳能电池的制造

为了除去用于CdSe纳米颗粒合成的表面活性剂，首先将35mg CdSe纳米颗粒重新分散在2ml甲苯中并且然后在20ml吡啶中(甲苯 /吡啶比例：1/10)。在回流和惰性气氛下煮沸(温度约117℃2h)造 成配体交换，使得吡啶大部分代替存在于纳米颗粒表面的表面活性 剂。随后用200ml正己烷进行吡啶涂覆的纳米颗粒的沉淀(吡啶/正己 烷比例：1/10)。该步骤同时还是用于成功的配体交换的试验。通过离 心分离(在约2200g加速度下1h)将沉淀的CdSe纳米颗粒从过量的 溶剂和表面活性剂混合物中分离出。为了进一步精制，然后可以再次 将纳米颗粒重新分散在3ml吡啶中并且在30ml正己烷中沉淀。

在最后的精制步骤之后，将吡啶涂覆的CdSe纳米颗粒重新分散 在由于氯苯(使用的体积约3ml)中9体积％吡啶组成的混合物中。 借助于用氮气蒸发浓缩，将CdSe纳米颗粒、吡啶和氯苯的混合物调 节至约25mg/ml的颗粒浓度。随后加入76μl P3HT/氯苯溶液(50mg/ml) 和77μl光活性表面活性剂材料和氯苯的溶液(50mg/ml)。该溶液然 后可用于制造太阳能电池，溶液中存在82/9/9的CdSe纳米颗粒/光活 性表面活性剂材料/P3HT质量比。

然后如下制备太阳能电池。借助于旋涂机在1500l/min旋转速度 下进行CdSe/P3HT分散体均匀施加在涂覆有ITO和PEDOT:PSS的玻 璃板上30s。然后将由此形成的薄膜(参见图6)在150℃下热处理 15min。然后通过铝层的气相沉积涂覆背电极。然后在大致对应于 1.5AM的辐射光谱的条件下分析太阳能电池。