CN101414663A - 一种并联结构的叠层聚合物薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种并联结构叠层聚合物太阳能电池。该太阳能电池采用高功函数金属金、银作为半透明阳极提取空穴。阳极两侧采用用p型金属氧化物三氧化钼或氧化钨作为空穴传输层连接上下子电池光敏层构建内建电场，提高载流子收集效率。叠层电池中的上下两个子电池的光敏层分别为吸收范围不同的共轭聚合物与富勒烯衍生物组成的混合物。两个子电池以并联的方式连接，叠层太阳能电池的短路电流密度为上下两子电池短路电流密度之和。该叠层聚合物薄膜太阳能电池通过采用吸收范围不同的共轭聚合物有效地改善了对太阳光的有效吸收并实现了短路电流的有效提高至15毫安/平方厘米，从而提高了聚合物薄膜太阳能电池的能量转换效率最高至3.36％。

Description

一种并联结构的叠层聚合物薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种并联结构的叠层聚合物薄膜太阳能电池。
背景技术
共轭聚合物薄膜太阳能电池可以采用连续印刷方式制备，能够有效降低生产成本；特别是由于聚合物薄膜太阳能电池的轻量化和柔性特点，原有的固定平面安装模式可向不同曲面和灵活式、便携式多种应用渠道拓展，安装灵活且成本低。这类新型太阳能电池应用范围广泛，例如：可安装在屋顶和墙壁上，或者制备成可发电的百叶窗和雨蓬等；也可作为便携式充电设备为手提电脑、手机、数码音乐播放器等供电。目前共轭聚合物薄膜太阳能电池的能量转换效率比较低，主要问题之一是单一共轭聚合物吸收谱带较窄，无法充分吸收太阳光。采用吸光范围不同的共轭聚合物制备叠层结构太阳能电池有望解决这一问题，提高太阳能电池的能量转换效率。
叠层太阳能电池通常将两个或多个子电池在垂直基板方向叠加起来，子电池之间采用透明导电的电极结构以串联方式连接。通过选择不同的共轭聚合物材料作为子电池的光敏层实现对入射光的高效吸收和更大程度地覆盖整个太阳光光谱，从而提高共轭聚合物光伏电池的能量转换效率。
对于串联结构叠层聚合物太阳能电池，要求各子电池的输出电流匹配使叠层电池的效率达到最大。但由于共轭聚合物材料的吸收和光电响应差异较大，调节子电池输出电流匹配难度较大。并联结构叠层太阳能电池只要求各子电池间具有相近的开路电压，而对不同共轭聚合物电池的开路电压比较接近，叠层电池的电压损失会比较小，而电流是各个子电池电流之和，有利于提高电池的能量转换效率。
并联结构共轭聚合物薄膜太阳能电池目前还未见报道。只是在2006年，美国加州大学洛杉矶分校的杨阳教授等人利用结构为LiF(1nm)/Al(2.5nm)/Au(12.5nm)半透明电极在铟锡氧化物导电玻璃基板上制备了半透明共轭聚合物(MEH-PPV:PCBM)光伏电池，并将两个半透明电池叠放在一起分别以用串联和并联的方式连接，实现了叠加型聚合物太阳能电池的(Applied Physics Letters2006，88，064104)，并不是真正意义上的叠层太阳能电池。对于在同一基板上实现并联结构共轭聚合物薄膜太阳能电池还没有报导。
发明内容
本发明提供一种基于并联结构的叠层共轭聚合物薄膜太阳能电池。在同一基板上制备两个不同共轭聚合物为光敏层的子电池，两个子电池以并联方式叠加在一起构成叠层共轭聚合物薄膜太阳能电池，电池的总电流接近两个子电池电流之和，提高了整个电池对太阳光的吸收，从而提高了电池的能量转换效率。
本发明提供的一种并联结构叠层共轭聚合物薄膜太阳能电池，其结构如图1所示：
1是透明基板，材料为玻璃或塑料；
2是铟锡氧化物(ITO)阴极层，厚度为150纳米；
3是第一子电池电子传输层，其材料为n型金属氧化物TiOx、ZnO和SnO2至少一种，厚度为10-50纳米；
4是第一子电池光敏层，为共轭聚合物和富勒烯衍生物的共混物；所述的共轭聚合物聚为[2，6-(4，4-双-(2乙基己基)-环五二噻吩-共-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)，作为光吸收和电子给体材料；所述的富勒烯衍生物为[6，6]-2-苯基C61-2-丁酸甲脂(PCBM)，作为电子受体材料，PCBM的质量占共混物总质量的40-80％；厚度为100-150纳米；
5是第一子电池空穴传输层，其材料为p型金属氧化物MoO3和WO3至少一种，厚度为10-20纳米；
6是半透明阳极，材料为高功函数金属金、镍和银至少一种，厚度为10-20纳米；
7是第二子电池空穴传输层，其材料为p型金属氧化物MoO3和WO3至少一种，厚度为10-20纳米；
8是第二子电池光敏层，为共轭聚合物和PCBM的共混物；所述的共轭聚合物为聚3-己基噻吩(P3HT)，作为光吸收和电子给体材料，PCBM作为电子受体材料，PCBM的质量占共混物总质量的40-80％；厚度为100-200纳米；
9是阴极，其材料为金属铝和钙至少一种，厚度为60-200纳米；
1至9层按顺序连接；铟锡氧化物ITO阴极2和半透明阳极6及其中间各层构成第一子电池；半透明阳极6和阴极9及其中间各层构成第二子电池；两个子电池在垂直于基板的方向上叠加在一起以并联的方式连接，构成并联结构叠层聚合物薄膜太阳能电池。
本发明的并联结构叠层聚合物太阳能电池的制备步骤和条件如下：
1)将刻蚀好的细条状厚度为150纳米ITO的导电玻璃清洗干净并烘干，放置在旋涂机的托架上，把用无水乙醇稀释的n型氧化物电子传输材料均匀的涂在ITO导电玻璃上，旋涂机转速为1500-3000转每分钟，得到10-50纳米厚的第一子电池电子传输层3，将镀有第一子电池电子传输层3的ITO导电玻璃基板转移到手套箱中，在手套箱中热台上在150℃下加热10分钟，去除第一子电池电子传输层3中的溶剂；
2)待涂有第一子电池电子传输层3的ITO导电玻璃基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌好的PCPDTBT:PCBM的混合溶液均匀滴在第一子电池电子传输层3表面，调节旋涂机转速500-1000转每分钟，在第一子电池电子传输层3上得到100-150纳米厚的第一子电池的光敏层4；
上述的搅拌均匀的PCPDTBT:PCBM混合溶液中，PCBM的质量占总质量的40-80％。混合溶液的制备方法如下：以氯苯为溶剂，浓度为15-30毫克/毫升，PCBM的质量占总质量的40-80％，在60度加热搅拌3小时，停止加热，继续搅拌12小时；
3)把涂有第一子电池光敏层4的基板放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发10-20纳米厚的p型金属氧化物空穴传输材料，形成第一子电池空穴传输层5，继续蒸发10-20纳米的半透明金属阳极6和10-20纳米厚的p型金属氧化物的第二子电池空穴传输层7；
4)将上述基板取出后放入手套箱中，在热台上在140℃下加热2分钟，待基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌均匀的P3HT:PCBM的混合溶液均匀滴在第二子电池空穴传输层7的表面，旋涂机转速为500-1000转每分钟，在第二子电池空穴传输层7上得到100-200纳米厚的第二子电池光敏层8；
上述的搅拌均匀的P3HT:PCBM混合溶液中，PCBM的质量占总质量的40-80％；混合溶液的制备方法如下：以氯苯为溶剂，浓度为15-20毫克/毫升，PCBM的质量占总质量的40-80％，在60度加热搅拌3小时，停止加热，继续搅拌12小时即可；
5)将步骤4)得到的制品放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发60-200纳米厚的金属，形成阴极层9，将蒸完阴极层之后的器件转移到手套箱中热台上，在110度下退火5分钟，冷却至室温后封装；
之后测试。
有益效果：表1是在100毫瓦/平方厘米的AM1.5G模拟太阳光条件下对比例I、II、III、IV、V、VI和实施例1、2、3的性能参数对比。
从表1中可以看出实施例1的短路电流密度为14.71毫安/平方厘米，近似等于对比例I和对比例II的电流密度(7.21和8.53毫安/平方厘米)之和。实施例1的开路电压为0.60伏特，与对比例I和对比例II的开路电压0.63伏和0.59伏基本一致。由于并联结构使得叠层光伏电池的电流密度增加，进而提高了叠层电池的能量转换效率，实施例1的能量转换效率达3.26％，近似等于两子电池能量转换效率之和(1.43％和1.92％)。实施例2、实施例3与实施例1具有相同的特点，在能量转换效率上比其子电池都有很大的提高。实施例2和实施例3的能量转换效率分别为2.19％和3.36％。
图3是对比例I、对比例II和实施例1在不同波长下的外量子效率曲线。叠层电池的外量子效率曲线是两个子电池外量子效率曲线的叠加。由于第二子电池的P3HT：PCBM光敏层的吸收在400到600纳米之间，而第一子电池的PCPDTBT：PCBM光敏层的吸收主要在700到800纳米之间，所以整个叠层电池的吸收光谱覆盖了整个可见光区域，达到了对太阳光的充分利用。从图2中可以看出两个子电池的叠加增大了短路电流，接近两个子电池的电流之和，电压变化不大，说明实现了并联结构共轭聚合物叠层太阳能电池。
在100毫瓦/平方厘米AM1.5G模拟太阳光下测试本发明制备的并联结构叠层共轭聚合物太阳能电池的性能，包括：开路电压VOC为0.59伏到0.61伏，短路电流JSC为10.24毫安/平方厘米到15.83毫安/平方厘米，能量转换效率PCE为2.19％到3.36％，填充因子FF为0.35到0.37。
附图说明
图1是并联结构叠层聚合物太阳能电池器件结构示意图。此图也是摘要附图。
图2是对比例I、对比例II和实施例1在100毫安/平方厘米的AM1.5G模拟太阳光下测试的电流密度-电压特性曲线。图2中的曲线1是对比例I的电流密度-电压特性曲线，曲线2是对比例II的电流密度-电压特性曲线，曲线3是实施例1的电流密度-电压特性曲线。
图3是对比例I、对比例II和实施例1在不同波长下的外量子效率(电子/光子)曲线。其中：曲线1是对比例I的外量子效率曲线，曲线2是对比例II的外量子效率曲线，曲线3是实施例1的外量子效率曲线。
具体实施方式
实施例1：
1)将刻蚀好的细条状厚度为150纳米ITO导电玻璃清洗干净并烘干，放置在旋涂机的托架上，把用无水乙醇稀释的TiOx通过0.45μm的过滤头均匀涂满整个片子，以每分钟3000转的速度旋转一分钟，得到10纳米厚的TiOx层作为第一子电池电子传输层3。将涂完TiOx层的基板转移到手套箱中，在手套箱中热台上150℃加热10分钟，去除TiOx中的溶剂。
2)待涂有TiOx层的ITO导电玻璃基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌好的PCPDTBT:PCBM的混合溶液均匀滴在TiOx层表面，以每分钟900转的速度旋涂，时间为一分钟，得到120纳米的第一子电池的光敏层4。
上述的搅拌均匀的PCPDTBT:PCBM混合溶液的制备方法如下：把以氯苯为溶剂、浓度为28毫克/毫升、质量比为1：3的PCPDTBT和PCBM混合溶液60度加热搅拌3小时后，关闭加热继续搅拌12小时。
3)把涂有第一子电池的光敏层4的基板放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发10纳米厚的MoO3作为第一子电池空穴传输层5，继续蒸发2纳米厚的Al，15纳米厚的Ag作为半透明金属阳极6，再蒸发10纳米厚的MoO3作为第二子电池空穴传输层7。
4)将上述基板取出后放入手套箱中，在热台上在140℃下加热2分钟。待基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌均匀的P3HT:PCBM的混合溶液均匀滴在MoO3的表面，以每分钟700转的速度旋涂P3HT:PCBM(1:0.8)混合物，时间为一分钟，得到100纳米厚的第二子电池光敏层8。
上述的搅拌均匀的P3HT:PCBM混合溶液的制备方法如下：把以氯苯为溶剂、浓度为18毫克/毫升、质量比为10：8的P3HT和PCBM混合溶液60度加热搅拌3小时后，关闭加热继续搅拌12小时。
5)将步骤4)得到的制品放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发100纳米厚的金属铝电极作为阴极层9。将蒸完阴极层之后的器件转移到手套箱中热台上，在110度下退火5分钟，冷却至室温后封装起来测试。
电池的有效面积为14平方毫米，电池结构为ITO/TiOx(10nm)/PCPDTBT：PCBM(120nm)/MoO3(10nm)/Al(2nm)/Ag(15nm)/MoO3(10nm)/P3HT：PCBM(100nm)/Al(100nm)。
实施例2：
1)将刻蚀好的细条状厚度为150纳米ITO导电玻璃清洗干净并烘干，放置在旋涂机的托架上，把用无水乙醇稀释的ZnO纳米颗粒通过0.45μm的过滤头均匀涂满整个片子，以每分钟1500转的速度旋转一分钟，得到50纳米厚的ZnO层作为第一子电池电子传输层3。将涂完ZnO层的基板转移到手套箱中，在手套箱中热台上150℃加热10分钟，去除ZnO中的溶剂。
2)待涂有ZnO层的ITO导电玻璃基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌好的PCPDTBT:PCBM的混合溶液均匀滴在ZnO层表面，以每分钟500转的速度旋转一分钟，得到100纳米的第一子电池的光敏层4。
上述的搅拌均匀的PCPDTBT:PCBM混合溶液的制备方法如下：把以氯苯为溶剂、浓度为15毫克/毫升、质量比为3：2的PCPDTBT和PCBM混合溶液60度加热搅拌3小时后，关闭加热继续搅拌12小时。
3)把涂有第一子电池的光敏层4的基板放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发15纳米厚的MoO3作为第一子电池空穴传输层5，继续蒸发20纳米厚的镍作为半透明金属阳极6，再蒸发15纳米厚的WO3作为第二子电池空穴传输层7。
4)将上述基板取出后放入手套箱中，在热台上在140℃下加热2分钟。待基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌均匀的P3HT:PCBM的混合溶液均匀滴在WO3的表面，以每分钟500转的速度旋涂P3HT:PCBM(3:2)混合物一分钟，得到140纳米厚的第二子电池光敏层8。
上述的搅拌均匀的P3HT:PCBM混合溶液的制备方法如下：把以氯苯为溶剂、浓度为15毫克/毫升、质量比为3：2的P3HT和PCBM混合溶液60度加热搅拌3小时后，关闭加热继续搅拌12小时。
5)将步骤4)得到的制品放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发60纳米厚的金属铝电极作为阴极层9。将蒸完阴极层之后的器件转移到手套箱中热台上，在110度下退火5分钟，冷却至室温后封装起来测试。
电池的有效面积为14平方毫米，电池结构为ITO/ZnO(50nm)/PCPDTBT：PCBM(100nm)/MoO3(15nm)/Ni(20nm)/WO3(15nm)/P3HT：PCBM(140nm)/Al(60nm)。
实施例3：
1)将刻蚀好的细条状厚度为150纳米ITO导电玻璃清洗干净并烘干，放置在旋涂机的托架上，把用无水乙醇稀释的SnO2溶胶通过0.45μm的过滤头均匀涂满整个片子，以每分钟2500转的速度旋转一分钟，得到20纳米厚的SnO2层作为第一子电池电子传输层3。将涂完SnO2层的基板转移到手套箱中，在手套箱中热台上150℃加热10分钟，去除SnO2中的溶剂。
2)待涂有SnO2层的ITO导电玻璃基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌好的PCPDTBT:PCBM的混合溶液均匀滴在SnO2层表面，以每分钟1000转的速度旋转一分钟，得到150纳米的第一子电池的光敏层4。
上述的搅拌均匀的PCPDTBT:PCBM混合溶液的制备方法如下：把以氯苯为溶剂、浓度为30毫克/毫升、质量比为1：4的PCPDTBT和PCBM混合溶液60度加热搅拌3小时后，关闭加热继续搅拌12小时。
3)把涂有第一子电池的活性层4的基板放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发20纳米厚的WO3作为第一子电池空穴传输层5，继续蒸发10纳米厚的金作为半透明金属阳极6，再蒸发20纳米厚的MoO3作为第二子电池空穴传输层7。
4)将上述基板取出后放入手套箱中，在热台上在140℃下加热2分钟。待基板冷却至室温后，将其放置在旋涂机托架上，把搅拌均匀的P3HT:PCBM的混合溶液均匀滴在MoO3的表面，以每分钟1000转的速度旋涂P3HT:PCBM(1:4)混合物一分钟，得到200纳米厚的第二子电池光敏层8。
上述的搅拌均匀的P3HT:PCBM混合溶液的制备方法如下：把以氯苯为溶剂、浓度为30毫克/毫升、质量比为1：4的P3HT和PCBM混合溶液60度加热搅拌3小时后，关闭加热继续搅拌12小时。
5)将步骤4)得到的制品放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4×10-4帕斯卡时蒸发60纳米金属钙和140纳米的金属铝电极作为阴极层9。将蒸完阴极层之后的器件转移到手套箱中热台上，在110度下退火5分钟，冷却至室温后封装起来测试。
电池的有效面积为14平方毫米，电池结构为ITO/SnO2(20nm)/PCPDTBT：PCBM(150nm)/WO3(20nm)/Au(10nm)/MoO3(20nm)/P3HT：PCBM(200nm)/Ca(60)/Al(140nm)。
对比例1：
按实施例1的方法制备并联叠层电池，但测试时仅对ITO电极2与中间金属阳极6所组成的第一子电池进行测试。
对比例2：
按实施例1的方法制备并联叠层电池，但测试时仅对中间金属阳极6与金属阴极9所组成的第二子电池进行测试。
对比例3：
按实施例2的方法制备并联叠层电池，但测试时仅对ITO电极2与中间金属阳极6所组成的第一子电池进行测试。
对比例4：
按实施例2的方法制备并联叠层电池，但测试时仅对中间金属阳极6与金属阴极9所组成的第二子电池进行测试。
对比例5：
按实施例3的方法制备并联叠层电池，但测试时仅对ITO电极2与中间金属阳极6所组成的第一子电池进行测试。
对比例6：
按实施例3的方法制备并联叠层电池，但测试时仅对中间金属阳极6与金属阴极9所组成的第二子电池进行测试。
表1
Figure A200810051527D00151

Claims (1)

1.一种并联结构叠层聚合物太阳能电池，其组成如下：透明基板(1)，材料为玻璃或塑料；(2)铟锡氧化物阴极层(2)，厚度为150纳米；(3)是第一子电池电子传输层(3)，其材料为n型金属氧化物TiOx、ZnO和SnO2至少一种，厚度为10-50纳米；第一子电池光敏层(4)，为共轭聚合物和富勒烯衍生物的共混物；所述的共轭聚合物聚为[2，6-(4，4-双-(2乙基己基)-环五二噻吩-共-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)]，作为光吸收和电子给体材料；所述的富勒烯衍生物为[6，6]-2-苯基C61-2-丁酸甲脂(PCBM)，作为电子受体材料，所述的[6，6]-2-苯基C61-2-丁酸甲脂的质量占共混物总质量的40-80％，厚度为100-150纳米；第一子电池空穴传输层(5)，其材料为p型金属氧化物MoO3和WO3至少一种，厚度为10-20纳米；6是半透明阳极(6)，材料为高功函数金属金、镍和银至少一种，厚度为10-20纳米；7是第二子电池空穴传输层(7)，其材料为p型金属氧化物MoO3和WO3至少一种，厚度为10-20纳米；8是第二子电池光敏层(8)，为共轭聚合物和PCBM的共混物；所述的共轭聚合物为聚3-己基噻吩(P3HT)，作为光吸收和电子给体材料，PCBM作为电子受体材料，PCBM的质量占共混物总质量的40-80％，厚度为100-200纳米；9是阴极(9)，其材料为金属铝和钙至少一种，厚度为60-200纳米；
(1)至(9)层按顺序连接；铟锡氧化物阴极(2)和半透明阳极(6)及其中间各层构成第一子电池；半透明阳极(6)和阴极(9)及其中间各层构成第二子电池；两个子电池在垂直于基板的方向上叠加在一起以并联的方式连接，构成并联结构叠层聚合物薄膜太阳能电池。
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