空穴传输结构、其制备方法及应用

本发明涉及半导体材料，尤其涉及一种空穴传输结构、其制备方法及应用。

背景技术：

1、有机太阳能电池(osc)因其在经济高效的大面积柔性器件溶液处理方面具有诱人的潜力，已成为替代传统无机太阳能电池的一种有前景的能源技术。非富勒烯受体与合适的聚合物供体匹配并用作光活性层使osc的功率转换效率(pce)提高到19％以上，与商用硅基太阳能电池相当，为osc的实际应用指明了前景。

2、除了光活性材料的进展，界面层不仅提高了器件性能，还提高了osc的器件稳定性。在光活性层和电极之间插入界面层(空穴传输层和电子传输层)进行功函数调整，形成欧姆接触，能够降低势垒，提高电荷选择性。

3、值得注意的是，用于高性能osc的许多电子传输层(etl)已被开发，但空穴传输层(htl)的研究远远落后。在大多数情况下，报道的绝大多数高性能osc都是基于使用聚乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)作为htl的传统器件结构。pedot:pss这一类聚合物空穴传输材料因其良好的透明度、机械耐久性、溶液可加工性以及与各种光活性层兼容而长期受到关注。然而，从器件稳定性的角度来看，pedot：pss的吸湿性和酸性会导致器件严重的物理和化学降解。

4、在过去的几年里，人们一直致力于开发新的htl，以规避pedot：pss的缺点。特别是过渡金属氧化物受到了极大的关注。高功函数过渡金属氧化物，如氧化钼(moo3)、氧化镍(niox)、氧化钨(wo3)、氧化钒(v2o5)、铜氧化物(cuox)、氧化铁(fe3o4)、氧化钌(ruo2)和氧化铬(crox)，由于其良好的电子特性、多功能的能量对准、可见光谱中的高透光率和高载流子迁移率，一直被用作htl的理想材料。此外，金属氧化物的光学和电学性质可以很容易地通过使用三元合成策略进行调整，给工业应用提供了充分的调控空间。

5、然而，从未来商业应用的角度来看，v2o5和moo3不适合大面积生产，因为它们必须在严格控制沉积速度的高真空下制备。其他金属氧化物通常采用溶胶-凝胶方法制备，需要高温(>200℃)热退火(ta)，其中金属氧化物薄膜由其各自的前驱体转化而来。然而，高温ta工艺的能源成本很高，并且与柔性设备不兼容，因为像聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)这样的通用柔性衬底无法承受150℃以上的高温ta工艺。另一些技术方案为了避免高温ta对柔性基底的损伤，在h2o2或uv臭氧(uvo)处理下，能够在低温下通过后分解从其前体溶液中制得金属氧化物，但是这种方法只能制备少量金属氧化物，难以应用。

6、作为金属氧化物的替代品，一些金属盐也被用作htl，例如碘化亚铜(cui)和硫氰酸亚铜(cuscn)。然而，溶解这些对环境和人体健康有害的金属盐需要使用乙腈和硫化乙酯等有毒溶剂。因此，仍然非常需要为osc开发高效的htl，并采用更具成本效益和环境友好的制备工艺和材料体系。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空穴传输结构、其制备方法及应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种空穴传输结构，包括空穴传输层和导电基底，其包括：空穴传输层，其包含金属氯化物，所述金属氯化物含有第一金属阳离子，所述第一金属阳离子选自过渡金属阳离子；导电基底，其包含第二金属阳离子，所述第二金属阳离子用于与所述金属氯化物提供的氯离子结合，从而使所述空穴传输层与导电基底结合。

4、第二方面，本发明还提供一种空穴传输结构的制备方法，其包括：

5、提供导电基底以及前驱体液，所述导电基底表面具有第二金属阳离子，所述第二金属阳离子能够与氯离子产生键合作用，所述前驱体液中溶解有金属氯化物，所述金属氯化物含有第一金属阳离子，所述第一金属阳离子选自过渡金属阳离子；

6、使所述前驱体液在所述导电基底表面涂覆成膜，形成空穴传输层，至少所述空穴传输层和导电基底构成空穴传输结构。

7、第三方面，本发明还提供上述空穴传输结构在制作半导体器件中的应用。

8、第四方面，本发明还提供一种有机半导体器件，包括依次层叠的空穴传输结构、有机功能层以及电子传输结构；所述空穴传输结构包括上述空穴传输结构。

9、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

10、本发明所提供的空穴传输结构及其制备方法，通过成本低、环境友好的金属氯化物在表面具有第二金属阳离子的导电基底表面成膜，这些金属氯化物中的氯离子与导电基底中的第二金属阳离子发生键合作用而结合，且这些金属氯化物中的阳离子不会影响到载流子的传输，所形成的空穴传输层具有优异的传输效率以及耐老化稳定性，以及对应的制备方法无需复杂的工艺以及具有显著污染性或毒性的有机溶剂，有利于大规模制备。

11、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种空穴传输结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的空穴传输结构，其特征在于，所述金属氯化物为可溶性盐，并包括氯化钴、氯化镍、氯化锌、氯化亚铁、氯化铁、氯化亚铜、氯化铜、氯化锰中的任意一种或两种以上的组合；

3.根据权利要求1所述的空穴传输结构，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为20-100nm。

4.一种空穴传输结构的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括：在进行所述前驱体液的涂覆前，对所述导电基底进行等离子体处理或uvo照射处理。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体液中的溶剂选自挥发性溶剂，所述挥发性溶剂包括水性溶剂。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水性溶剂包括水、甲醇、乙醇中的任意一种或两种以上的组合。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体液中金属氯化物的浓度为0.5-10mg/ml。

9.权利要求1-3中任意一项所述的空穴传输结构在制作半导体器件中的应用。

10.一种有机半导体器件，包括依次层叠的空穴传输结构、有机功能层以及电子传输结构；其特征在于，所述空穴传输结构包括权利要求1-3中任意一项所述的空穴传输结构。

11.根据权利要求10所述的有机半导体器件，其特征在于，所述有机半导体器件包括有机太阳能电池，所述有机功能层包括有机光活性材料；

技术总结
本发明公开了一种空穴传输结构、其制备方法及应用。所述空穴传输结构包括空穴传输层，其包含金属氯化物，含有第一金属阳离子，选自过渡金属阳离子；导电基底，其包含第二金属阳离子，用于与氯离子结合，从而使空穴传输层与导电基底结合。本发明通过成本低、环境友好的金属氯化物在表面具有第二金属阳离子的导电基底表面成膜，这些金属氯化物中的氯离子与导电基底中的第二金属阳离子发生键合作用而结合，且这些金属氯化物中的阳离子不会影响到载流子的传输，所形成的空穴传输层具有优异的传输效率以及耐老化稳定性，以及对应的制备方法无需复杂的工艺以及具有显著污染性或毒性的有机溶剂，有利于大规模制备。

技术研发人员：高小梅,骆群,马昌期
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16