CN102027602A - 半透明太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

半透明太阳能电池具有透明衬底和作为阳极的第一半透明电极。透明活性层基本上是有机材料层，其形成在所述阳极的顶部上。在该活性层的顶部，形成第二半透明电极。该第二半透明电极是阴极。在变化形式中，第一半透明电极是阴极而第二半透明电极是阳极。选择阳极和阴极相对于透明衬底的顺序的灵活性允许提高加工技术，且因此允许增加可利用材料的量从而提高半透明太阳能电池的功率转化效率。

Description

半透明太阳能电池
相关申请
本申请要求2008年3月14日提交的美国实用申请号12/049,252的权益，通过引用将其全部内容并入本文。
背景技术
1.领域
本公开总体上涉及太阳能电池。
2.总体背景
据认为由有机材料和聚合物制造的太阳能电池有希望替代它们的无机相应物。自从它们的首次报导以来，聚合物/富勒烯体异质结(BHJ)太阳能电池，更通常被称作塑料太阳能电池，吸引了许多积极关注。
概述
半透明太阳能电池具有透明衬底和作为阳极的第一半透明电极。在所述阳极的顶部上形成基本上为有机材料层的透明活性层。在该活性层的顶部，形成第二半透明电极。该第二半透明电极是阴极。在变化形式中，第一半透明电极是阴极而第二半透明电极是阳极。选择阳极和阴极相对于透明衬底的顺序方面的灵活性允许提高加工技术，且因此允许增加可利用材料的量从而提高半透明太阳能电池的功率转化效率。
半透明太阳能电池因它们的原料和它们的制造从而具有低的成本。从原料的观点看，聚合物来源于具有极大丰富性和可利用性的有机元素。从制造的观点看，太阳能电池利用溶液处理，因此得到较容易的制造方法，与它们的硅相应物或其它无机相应物相比该方法需要较少的能量输入。
附图说明
参照下面的结合附图的描述，本发明的上述特征和目的将变得更明显，在所述附图中相同的参考数字表示相同的要素，其中：
图1是半透明太阳能电池的示例性实施方案。
图2是半透明太阳能电池的示例性实施方案。
图3是根据本发明的半透明太阳能电池制造方法的工艺流程图。
图4是根据本发明的半透明太阳能电池制造方法的工艺流程图。
图5是根据本发明的半透明太阳能电池制造方法的工艺流程图。
图6是根据本发明的半透明太阳能电池制造方法的工艺流程图。
图7是根据本发明的半透明太阳能电池制造方法的工艺流程图。
图8是根据本发明的半透明太阳能电池制造方法的工艺流程图。
图9是显示根据本发明在不同温度下退火后，各个太阳能电池性能的表格。
图10是显示根据本发明聚合物太阳能电池通过热退火改善的性能的坐标图。
图11是根据本发明的多器件级联结构太阳能电池的示意图。
详细说明
用于塑料太阳能电池的聚合物活性层通常为约50-200nm厚。因为聚合物活性层的最大吸收波长通常为约650nm，这种小厚度导致低效率的吸收。例如，在80nm厚的聚(3-己基噻吩)：[6，6]-苯基C61-丁酸甲酯(P3HT:PCBM)膜(即最常用的活性层)中的最大吸收在峰值吸收波长下表现为小于40％。在吸收范围内的其它波长下，甚至更高百分数的光发生透射而没有被吸收。
塑料太阳能电池的活性层在可见光范围内是半透性或半透明的。活性层的这种半透性或半透明性能可用来有利于半透明塑料太阳能电池的制造。为使塑料太阳能电池半透明，必须使底接触部和顶接触部半透明。在活性层中未被吸收的光子应传输通过该电池，而无任何明显的强度降低。
本发明利用了本文描述的下列方法：
热退火：热退火是这样的方法，其中通过将顶部上沉积有各种层的衬底置于热板上，将该热板在一定温度下维持一定时间段，来对所述衬底提供热能(热)。该温度称作退火温度，该时间称作退火时间。热退火还可以通过以非接触方式提供热能来进行，其中衬底不与热板(或热源)接触，例如将衬底置于受控温度下的烘箱中并持续一定时间段。
溶剂退火：溶剂退火是这样的方法，其中让通过溶液处理沉积在衬底顶部上的有机层以受控制的慢速率凝固以提高有机聚合物膜中的自组织，所述衬底具有底接触部。这通过将有机聚合物溶解在高沸点溶剂例如二氯苯或三氯苯中用以通过溶液处理沉积有机聚合物膜来实现。因为溶剂的高沸点，该膜在沉积后通常是湿的，然后让其以受控方式变干以减慢该膜由液相转变为固相所耗费的时间。期望的凝固时间为2-20分钟。较长的凝固时间允许膜中的聚合物链以高度有序的结晶相排列，这可以导致膜中的光电转换效率增加。
加入添加剂以提高载流子迁移率：加入添加剂是在聚合物太阳能电池用于改善形态和提高载流子迁移率的技术。一个实例是将微量弱溶剂(例如烷烃二硫醇或硝基苯)加入到用于制备聚合物溶液的主溶剂(dominant solvent)(例如氯苯或二氯苯)中。在一些聚合物体系中已获得了改善的聚合物聚结性和结晶性且因此具有提高的载流子迁移率。另一个实例是将电解液和盐加入到聚合物共混溶液中，这也显示改善聚合物太阳能电池中的光电流。
热蒸发：热蒸发是沉积薄膜材料的常见技术，其为物理气相沉积(PVD)方法中的一种。在热蒸发中，于10-5-10-7托范围内的真空中加热材料直到其熔化和开始蒸发。蒸气然后冷凝在暴露于该蒸气的衬底上，使其保持在较冷的温度以形成薄膜。通过将材料置于由高电阻材料例如钨制成的坩埚(或舟皿)中并且使高电流穿过该舟皿来对它们进行加热。
器件结构和制造
图1中所示的太阳能电池器件结构包含活性层120，该活性层吸收阳光并将其转变成电。活性层120在两个接触部110和130之间，所述两个接触部均是半透性或半透明的并且构建在透明衬底140上。半透明太阳能电池可从两侧吸收阳光，即从顶部和底部。该器件还可以包括金属网150以提供高的表面电导率和提高电荷收集效率。
按照电池的极性，可能存在两种构造：(i)正规器件结构，和(ii)反型器件结构。在正规结构中，如图1中所示，底接触部是阳极130，其收集空穴，而顶接触部是阴极110，其在能量转换过程期间收集电子。如图2中所示，在反型电池构造中极性是逆反的，底接触部是阴极230而顶接触部是阳极210。
活性层
活性层120典型地是p型施主聚合物和n型受主材料的体异质结(BHJ)。在施主聚合物中，光子被吸收并且在光吸收时产生激子。所产生的激子迁移到施主-受主界面，它们在此处分离成自由电子和空穴，然后它们被传输通过BHJ膜中施主和受主的3维(3D)互穿网络并且在接触部被收集。许多聚合物可用作BHJ膜中的施主，所述聚合物例如P3HT，聚[2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)-1，4-苯撑乙烯撑](MDMO-PPV)，或聚(2-甲氧基-5-(2’-乙基-己氧基)-1，4-苯撑乙烯撑)(MEH-PPV)。其它低带隙聚合物也可用于活性层。
通过对该聚合物进行选择，可就特定应用调节颜色和透明度。受主材料的最常见备选物是PCBM或[6，6]-苯基C71-丁酸甲基酯(C70-PCBM)。其它材料例如单壁碳纳米管(CNT)和其它n型聚合物也可用作受主材料。活性层可通过由有机溶剂中的聚合物溶液进行旋涂获得。该膜还可通过若干其它溶液处理技术获得，例如棒涂、喷墨印制、刮板涂覆、喷涂、丝网印制等。通过使用这些技术，可用聚合物溶液容易地且不增加工艺费用地覆盖大面积的衬底。此外，可使用柔性衬底替代玻璃，从而产生半透明的柔性塑料太阳能电池。
为改善塑料太阳能电池的光电转换效率，BHJ膜可以进行特定处理。例如，在P3HT:PCBM系统中，可使用所谓的“溶剂退火”方法和热退火方法两者。在“溶剂退火”方法中，活性层120的缓慢凝固速率允许使P3HT聚合物链组织成高度有序的结晶态，这改善了聚合物内的光吸收，提高了电荷载流子迁移率，改善了激子产生和分离效率，并且产生高度平衡的电荷载流子转移。因为这些作用，可显著提高塑料太阳能电池的效率。还使用热退火来部分恢复聚合物结晶性以及改善太阳能电池性能。其它可能的方法可以包括溶剂混合，其中使用两种或更多种溶剂来溶解用于制备活性层210的聚合物共混物，或者通过将离子盐加入到活性层120内，以及本领域已知的其它可能的界面层调节方法。
正规器件结构
在图1中所示的正规器件构造100中，活性层120夹在半透性底部(阳极)130和顶部(阴极)110电极之间。
半透明太阳能电池100的正规器件结构具有透明衬底140和在衬底140顶部上的半透明阳极130。阳极130可具有体积并且金属网150嵌入在该体积内。
半透明太阳能电池100具有基本上由有机材料制成的透明活性层120和半透明阴极110。活性层120位于半透明阳极130和半透明阴极110之间。
底接触部
可在涂覆的玻璃(或塑料)衬底上沉积透明导电氧化物(TCO)、氧化铟锡(ITO)、氟化的氧化锡(FTO)以形成透明阳极130。TCO膜通过溶液处理、溅射或热喷涂获得。为了提高有机太阳能电池的性能，TCO覆盖的玻璃表面涂覆有高电导率聚合物例如聚(亚乙烯基二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)或聚苯胺(PANI)的薄层。
在另一个变化形式中，为形成底部透明电极130，使TCO覆盖有过渡金属氧化物(TMO)例如五氧化二钒(V2O5)、氧化钼(MoO3)或氧化钨(WO3)的薄层。在该情形中，直接在TCO玻璃衬底的顶部上热蒸发或者通过溶液处理沉积金属氧化物，并形成阳极界面层。厚度为3-20nm的TMO层可替代聚合物太阳能电池中的PEDOT:PSS而不影响性能，这是因为其为透明且适度地导电。具有TCO/TMO底接触部的聚合物太阳能电池的效率与具有ITO/PEDOT:PSS底接触部的那些聚合物太阳能电池相比是相当的或甚至更好。使用TMO作为阳极界面层还防止ITO和PEDOT:PSS之间不希望的化学反应，该化学反应可引起性能劣化从而导致差的有机太阳能电池寿命。
导电聚合物例如PEDOT:PSS或PANI可替代TCO层作为底部透明电极130。因为导电聚合物可以被溶液处理，该方法产生容易且低成本的工艺，该工艺摆脱高温沉积方法例如TCO的溅射。然而，即使最高导电性PEDOT的电导率也仅为约100S/cm，这比ITO的电导率低约一个数量级。为实现有效的电荷收集，必须改善电导率。为克服这种不足，将非常细的金属线或网150嵌入到PEDOT:PSS或PANI膜中以在界面处提供高的表面电导率和有效的电荷收集。通过光刻法制备的光掩膜将金属线热蒸发在玻璃衬底的顶部上。若干高电导率金属例如铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、涂覆有Au的铬(Cr)等可用于金属线150。通过使用溶液处理技术例如旋涂、棒涂、喷墨印制、刮板涂覆、喷涂、丝网印制或本领域已知的其它技术，可由水溶液将高电导率聚合物膜沉积在覆盖有金属线的玻璃衬底上，所述金属线蒸发在玻璃衬底的顶部上。
顶接触部
正规器件结构中的顶接触部110必须是透明的。该透明阴极110必须实现两种功能。其允许未被活性层120吸收的光有效透射并且同时能够实现在阴极-聚合物界面处的电子有效收集。
获得半透性阴极110的方法之一是热蒸发多层金属膜。这样的多层金属膜包括：(i)氟化锂(LiF)和Au，(ii)LiF和Al，(iii)钙(Ca)和Au，以及(iv)LiF、Al和Au。多层金属阴极的总厚度为约10-12nm。在高真空下相继地蒸发这些金属膜。金属电极的透射率为约80-85％。
在一种情况中，半透性顶部电极110通过旋涂n-型材料例如碳酸铯、乙酰丙酮化钙[Ca(acac)2]、氟化铯(CsF)、CNT的薄层，接着蒸发透明金属例如Ag或Au的薄层而获得。在该情形中，金属层的厚度为约15纳米或更小。
获得半透性顶部电极110的另一种方法是旋涂n-型材料例如碳酸铯、乙酰丙酮化钙[Ca(acac)2]、氟化铯(CsF)、CNT等的薄层，接着通过溅射或热喷涂沉积透明的导电氧化物层例如ITO或FTO来形成半透性顶部电极110。
按图3中的工艺流程操作300表现了制造半透明太阳能电池100的方法。该方法包括在初始化操作302中提供透明衬底。然后控制转移到操作304。
在操作304中，在透明衬底140上形成透明阳极130。透明阳极130由沉积在透明衬底140上的透明导电氧化物层形成。在本发明中，阳极130的导电氧化物层可以是但不限于氧化铟锡或氟化的氧化锡并且可溅射或热喷涂到衬底140上。然后控制转移到操作306。
在操作306中，通过溶液处理在透明阳极的透明导电氧化物层上沉积过渡金属氧化物层。该过渡金属氧化物层具有基本上类似于有机活性层120的最低未占据分子轨道能级的功函数并且根据本发明可以是但不限于五氧化二钒、氧化钼或氧化钨。然后控制转移到操作308。
在操作308中，在透明阳极130上形成有机活性层120。该有机活性层120具有施主分子和受主分子的混合物。有机活性层的形成可以进一步包括热退火、溶剂退火或加入添加剂用以提高载流子迁移率其中根据本发明在约70-180℃的温度范围内处理透明衬底140、透明阳极130和有机活性层120。然后控制转移到操作310。
在最后操作310中，在有机活性层120的顶部上蒸发透明阴极110。该透明阴极110由至少一个金属层构成并且具有小于20纳米的厚度。阴极110的金属层可以是氟化锂和金，氟化锂和铝，钙和金，氟化铯和金，氟化铯和铝，碳酸铯和金，碳酸铯和铝，氟化锂和金，或者铝和金。
图4表现了用于制造半透明太阳能电池100的工艺流程操作400。该方法包括在初始化操作402中提供透明衬底。然后控制转移到操作404。
在操作404中，在透明衬底140上形成透明阳极130。透明阳极130由沉积在透明衬底140上的透明导电氧化物层形成。阳极130的导电氧化物层可以是氧化铟锡或氟化的氧化锡并且可依照本发明溅射或热喷涂到衬底140上。
另外，可以通过溶液处理在透明阳极130的透明导电氧化物层上沉积过渡金属氧化物层。该过渡金属氧化物层优选具有基本上类似于有机活性层120的最低未占据分子轨道能级的功函数。该过渡金属氧化物根据本发明可以是但不限于五氧化二钒、氧化钼或氧化钨。然后控制转移到操作406。
在操作406中，在透明阳极130上形成有机活性层120。该有机活性层120具有施主分子和受主分子的混合物。该有机活性层的形成可以进一步包括热退火、溶剂退火或加入添加剂用以提高载流子迁移率，其中在约70-180℃的温度范围内处理透明衬底140、透明阳极130和有机活性层120。然后控制转移到操作408。
在操作408，在有机活性层的顶部上形成透明阴极110。该透明阴极110可以由能够通过溶液处理沉积的至少一个n-型层构成并且优选具有基本上类似于有机活性层的最低未占据分子轨道能级的功函数。该n-型层可以是但不限于碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。然后控制转移到操作410。
在最后操作410中，通过溅射或热喷涂在透明阴极110的n-型层上沉积透明导电氧化物层。该导电氧化物层可以是但不限于氧化铟锡或氟化的氧化锡。
作为替代方案，在最后操作410中，由Ag或Au构成且厚度小于15纳米的金属层可通过热蒸发沉积在透明阴极110的n-型层的顶部上。
图5表现了用于制造半透明太阳能电池100的工艺流程操作500。该方法包括在初始化操作502中提供透明衬底。然后控制转移到操作504。
在操作504中，在透明衬底140上形成阳极130。该阳极130是通过溶液处理沉积的有机层。该有机层具有体积和嵌入该体积中的金属网150。该金属网150可以是但不限于金、铝、银、铜或涂覆有金的铬。然后控制转移到操作506。
在操作506中，在透明阳极130上形成有机活性层120。该有机活性层120具有至少一种类型的施主分子和至少一种类型的受主分子的混合物。
另外，有机活性层120可以进一步包括热退火、溶剂退火或加入添加剂以提高载流子迁移率。可在约70-180℃的温度范围内处理透明衬底140、透明阳极130和有机活性层120。然后控制转移到操作508。
在最后操作508中，在有机活性层120上形成透明阴极110。该透明阴极110是厚度小于20纳米的至少一个金属层并且可以是但不限于氟化锂和金，氟化锂和铝，钙和金，氟化铯和金，氟化铯和铝，碳酸铯和金，碳酸铯和铝，氟化锂和金，或者铝和金。
图6表现了用于制造半透明太阳能电池100的工艺流程操作600。该方法包括在初始化操作602中提供透明衬底。然后控制转移到操作604。
在操作604中，在透明衬底140上形成阳极130。阳极130是通过溶液处理沉积的有机层。该有机层具有体积和嵌入该体积中的金属网150。金属网150可以是但不限于金、铝、银、铜或涂覆有金的铬。然后控制转移到操作606。
在操作606中，在透明阳极130上形成有机活性层120。有机活性层120优选具有至少一种类型的施主分子和至少一种类型的受主分子的混合物。
另外，有机活性层120可以进一步包括热退火、溶剂退火、或加入添加剂以提高载流子迁移率。可在约70-180℃的温度范围内处理透明衬底140、透明阳极130和有机活性层120。然后控制转移到操作608。
在操作608中，在有机活性层的顶部上形成透明阴极110。透明阴极110由可通过溶液处理沉积的至少一个n-型层构成并且优选具有基本上类似于有机活性层的最低未占据分子轨道能级的功函数。该n-型层可以是但不限于碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。然后控制转移到操作410。
在最后操作610中，通过溅射或热喷涂在透明阴极110的n-型层上沉积透明导电氧化物层。该导电氧化物层可以是但不限于氧化铟锡或氟化的氧化锡。
作为替代方案，在最终操作610中，由Ag或Au构成且厚度小于15纳米的金属层可通过热蒸发沉积在透明阴极110的n-型层的顶部上。
反型器件结构
在反型器件构造200中，在光电发生期间，底接触部230是收集电子的阴极而顶接触部是收集空穴的阳极210。这两个接触部也是半透明的。
反型透明太阳能电池200示于图2中。反型太阳能电池200包含具有底表面和顶表面的透明衬底240。
第一半透明电极即阴极230在衬底240的顶表面上并且由透明的导电氧化物制成。阴极230由透明导电氧化物与n-型界面层一起形成。
第二半透明电极即阳极210由透明导电氧化物制成并且具有界面层。透明活性层220基本上由有机材料构成并且处在半透明阳极210和半透明阴极230之间。
底接触部
底接触部230即阴极的作用是收集光电转换过程期间在活性层220中产生的自由电子。为实现有效率的电子收集可使用若干种选择。下面给出实例。
如图2中所示，可将n-型材料例如CsCO3、CsF、Ca(acac)2、CNT或具有类似性能的其它材料的薄层旋涂在TCO覆盖的玻璃或塑料衬底240上以获得透明底部阴极230。所有这些阴极界面层的厚度都非常小，仅有几纳米，其结果为，它们是高度透明的。ITO的功函数为约4.7eV，这使其成为空穴传输材料。因此，如上所述，必须用薄的n-型界面层将ITO表面改性以使其成为电子收集接触部。例如，CsCO3的功函数为约2.9eV。
ITO或FTO涂覆的玻璃或塑料衬底240可涂覆有氧化钛(TiOx)、氧化锌(ZnO)、或ZnO:Al及其它电子传输材料的薄层以获得透明底部阴极230。在该情形中氧化物层的厚度为约10-20nm。
顶接触部
顶接触部210即阳极收集反型器件构造中的空穴。对于顶接触部210，可以采用若干构造。
第一种构造由涂覆有高电导率薄金属膜的高功函数p-型界面层构成。用于p-型界面层的材料是过渡金属氧化物例如V2O5、MoO3或WO3。金属氧化物的厚度为约3-10纳米以维持透明度。该氧化物膜可通过直接在聚合物膜的顶部上进行热蒸发或溶液处理获得。因为金属氧化物的电导率并非特别良好，因此可能要求将另外的高电导率金属(例如Au)层来覆盖金属氧化物层。可热蒸发该金属并且使其具有通常不超过15纳米的厚度以维持透明度。
获得顶接触部210的另一种方式是通过溅射或热喷涂来沉积透明导电氧化物层例如ITO或FTO，替代高电导率金属例如Au，这是因为透明导电氧化物具有较好的透明度和相当的电导率。
图7表现了用于制造半透明太阳能电池200的工艺流程操作700。该方法包括在初始化操作702中提供透明衬底240。然后控制转移到操作704。
在透明衬底240的顶部上形成透明阴极230。形成过程包括如下步骤：在操作704中形成透明导电氧化物层，和在操作706中通过溶液处理在透明衬底240上形成n-型界面层。根据本发明，n-型层可以是但不限于碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。然后控制转移到操作708。
在操作708中，在约70-180℃的温度范围内将透明衬底240和透明阴极230进行热退火。然后控制转移到操作710。
在操作710中，在透明阴极230上沉积至少一个有机活性层220。有机活性层220可通过溶液处理进行沉积并且具有施主分子和受主分子的混合物。有机活性层220具有基本上类似于透明阴极230的n-型层的最低未占据分子轨道能级。然后控制转移到操作712。
在有机活性层220上形成透明阳极210，形成过程包括在操作712中通过溶液处理沉积过渡金属氧化物层的步骤。该过渡金属氧化物具有基本上类似于有机活性层的最高占据分子轨道能级的功函数。阳极210的过渡金属氧化物层可以是但不限于五氧化二钒、氧化钼或氧化钨并且具有小于30纳米的厚度。然后控制转移到操作714。
在操作714中，将透明导电氧化物层沉积到过渡金属氧化物层上。该导电氧化物层可以是但不限于氧化铟锡和氟化的氧化锡或者可将其溅射或热喷涂到透明衬底240上。
作为替代方案，在最后操作714中，可通过热蒸发在过渡金属氧化物层的顶部上沉积Ag或Au的厚度小于15纳米的金属层。
图8表现了用于制造半透明太阳能电池200的工艺流程操作800。该方法包括在初始化操作802中提供透明衬底240。然后控制转移到操作804。
在透明衬底240的顶部上形成透明阴极230上。形成过程包括如下步骤：在操作804中形成透明导电氧化物层，和在操作806中通过溶液处理在透明衬底240上形成n-型界面层。该n-型层可以是至少碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。然后控制转移到操作808。
在操作808中，在约70-180℃的温度范围内将透明衬底240和透明阴极230进行热退火。然后控制转移到操作810。
在操作810中，在透明阴极230上沉积至少一个有机活性层220。有机活性层220可通过溶液处理进行沉积并且具有施主分子和受主分子的混合物。有机活性层220具有基本上类似于透明阴极230的n-型层的最低未占据分子轨道能级。然后控制转移到操作812。
在有机活性层220上形成透明阳极210，形成过程包括在操作812中通过溶液处理沉积过渡金属氧化物层的步骤。该过渡金属氧化物具有基本上类似于有机活性层的最低未占据分子轨道能级的功函数。阳极210的过渡金属氧化物层可以是但不限于五氧化二钒、氧化钼或氧化钨并且具有小于30纳米的厚度。然后控制转移到操作814。
在最后操作814中，至少一个金属膜沉积在过渡金属氧化物层上并且其可以是但不限于金或银。
在变化形式中，较厚的TMO膜可沉积在聚合物膜的顶部上，厚度为约20-50纳米。TMO的大厚度对器件性能没有明显影响，并同时维持其界面性能。一旦相对较厚的TMO膜沉积在聚合物膜上，其充当聚合物膜的保护阻挡体。其结果是，可以在TMO膜的顶部上蒸发或溅射高度透明的导电金属氧化物例如ITO或FTO以完成器件结构。
通过紫外光电子能谱法(UPS)证实，通过低温(小于200℃)退火处理可将Cs2CO3的功函数从3.45eV调节到3.06eV。如图10中所示，对于反型器件结构(ITO/Cs2CO3/RR-P3HT:PCBM/V2O5/Al)，通过Cs2CO3界面层的150℃热退火处理，PCE从2.31％提高到4.19％。通常，Cs2CO3的分解温度为约550-600℃。然而，初步X射线光电子能谱法(XPS)结果揭示热退火有助于Cs2CO3分解成低功函数的铯氧化物。Cs2CO3较低的功函数与有机聚合物的最低占据分子轨道能级匹配得较好，从而提高聚合物太阳能电池的效率。
将溶解于2-乙氧基乙醇的0.2重量％Cs2CO3旋涂在作为阴极230的预清洗且UV-臭氧处理的ITO玻璃衬底上。在手套箱内部的热板上实施各种退火温度20分钟。将RR-P3HT和PCBM分别溶解于1，2-二氯苯(DCB)中然后将它们以1∶1wt/wt比例共混以形成2.5重量％的溶液。将该RR-P3HT/PCBM溶液以600rpm旋涂40秒，并且将湿膜在有盖的玻璃皮氏培养皿中进行干燥。然后将干膜在110℃下退火10分钟。
活性膜厚度通过Dektak 3030表面光度仪测量为约210-230纳米。阳极210是被100nmAl覆盖的10nm V2O5。在手套箱中使用太阳模拟器在模拟的AM1.5G辐照(100mW/cm2)下测试所述器件。通过具有KG-5滤色器的NREL所校准Si-检测器测定照明强度，并且对光谱失配进行校正。
关于未对Cs2CO3层进行热退火的器件，功率转换效率(PCE)为2.31％。当Cs2CO3层通过以不同温度进行不同温度的退火处理时，所有器件性能得到改善。因为Cs2CO3层的退火温度从室温提高到150℃，PCE从2.31％提高到4.19％。此外，如图9和图10中所示，所有其它器件特性例如Voc、Jsc和FF得到改善。
氧等离子体处理的ITO衬底的功函数为4.54eV。当将Cs2CO3旋涂在该ITO表面上而没有热退火时，功函数从4.54eV变化至3.23eV。在70℃、120℃和170℃退火20分钟后Cs2CO3膜的功函数分别进一步降低至3.13、3.11和3.06eV。
高度有效率的反型聚合物太阳能电池已由Cs2CO3层的热退火得到证明。UPS结果显示通过热退火降低了Cs2CO3层的功函数，并且初步XPS研究揭示通过退火处理Cs2CO3本质上分解成掺杂的n-型半导体。这种反型电池可适用于设计多器件堆叠的聚合物太阳能电池或级联型电池，其被广泛接受用以进一步改善聚合物太阳能电池的效率。
多器件堆叠方案-除级联型太阳能电池结构外
利用光电材料覆盖太阳光谱的不同区域在改善太阳能电池效率方面是有效的。级联型太阳能电池结构(其中两个或更多个电池串联连接)可在聚合物太阳能电池中得到证明。可使用具有不同太阳光谱覆盖范围的半透明太阳能电池来实现具有增强光电压的级联型太阳能电池。在该方案中，如图11中所示，两个单体PV电池(各自具有它们自己的衬底)彼此堆叠。将这些电池以串联或并联方式电连接，该堆叠体系与单个电池相比可达到双倍效率。多器件堆叠还可以改善太阳能电池的产量。
图11是多器件级联型结构的示意图，显示了两个彼此堆叠的半透明PV电池1100。来自第一电池的未被吸收的光穿过底部电池的透明电极1110透射到第二电池。所述光被PV电池2吸收。PV电池2可以具有或可以不具有透明的顶部电极1110。这些电池可以串联或并联电连接以提高级联型结构的性能(相对于单个电池)。
反射体或漫射体的纳入
半透明太阳能电池还可用于其中不需要透明度的情况。在这些情况中，可在半透明太阳能电池的后方使用光反射体或漫射体以便再利用穿过的光。由于改善的光获取性，这可改善半透明太阳能电池的效率。
半透明塑料太阳能电池的若干应用
与它们的无机相应物不同，半透明聚合物太阳能电池是固有独特的，其拥有的独特性能适合于建筑和运输行业中未涉及的应用。将有机太阳能电池与无机电池相区分的三个关键特性是：建筑美学，通用性和柔性，以及低费用。
半透明太阳能电池具有通过将它们结合到几乎任何建筑和运输工具窗户的玻璃、玻璃层板或柔性衬底上而产生建筑美学应用的能力，因此允许实现发电、滤光和建筑要素/航空、机动车和船舶设计的三重功能。
一些建筑应用可以包括商业、工业、公共机构(教育和政府)和住宅市场。商业和工业市场包括但不限于办公室、宾馆/汽车旅馆，摩天大楼，工厂，发电厂和仓库。公共机构和住宅市场包括但不限于学院/大学，医院，政府建筑，住宅，公寓楼和共管式公寓。在运输行业中，聚合物太阳能电池实际上可适合于空中、轨道、公路和水上的具有窗户的任何类型的运输工具。特别地，可以将我们的半透明太阳能电池应用到从商业飞机或军用飞机到陆地及水上运输工具例如客运/通勤列车、汽车、巴士、卡车、船和舟。
虽然就目前认为最可行和优选的实施方案对设备和方法进行了描述，但是应当理解本发明不必局限于所公开的实施方案。其意欲涵盖包括在权利要求的精神和范围内的各种变化形式和类似配置，本发明的范围应符合于最宽泛的理解以便包括所有这样的变化形式和类似结构。本发明包括权利要求书的任何和所有实施方案。

Claims (32)

1.半透明太阳能电池，该电池包含：
透明衬底；
在该衬底顶部上的半透明阳极，该半透明阳极基本上是有机材料，该阳极具有体积和嵌入该体积内的金属网；
透明活性层，该透明活性层基本上是有机材料；和
半透明阴极，其中所述活性层在所述半透明阳极和所述半透明阴极之间。
2.权利要求1的半透明太阳能电池，其中所述金属网至少是金、铝、银、铜或涂覆有金的铬。
3.用于制造半透明太阳能电池的方法，该方法包括：
提供透明衬底；
在该透明衬底上形成透明阳极，其中该透明阳极是沉积在透明衬底上的透明导电氧化物层；
在该透明阳极上形成有机活性层，该有机活性层具有施主分子和受主分子的混合物；以及
通过蒸发在该有机活性层的顶部上形成透明阴极，其中该透明阴极是厚度小于20纳米的至少一个金属层。
4.权利要求3的方法，其中所述至少一个金属层至少是氟化锂和金，氟化锂和铝，钙和金，氟化铯和金，氟化铯和铝，碳酸铯和金，碳酸铯和铝，三层结构的氟化锂，或者铝和金。
5.权利要求3的方法，其中所述导电氧化物层至少是氧化铟锡或氟化的氧化锡，其中将所述导电氧化物层至少溅射或热喷涂到衬底上。
6.权利要求3的方法，该方法还包括通过溶液处理在透明阳极的透明导电氧化物层上沉积过渡金属氧化物层，其中所述过渡金属氧化物层具有基本上类似于所述有机活性层的最高占据分子轨道能级的功函数，并且其中所述过渡金属氧化物至少是五氧化二钒、氧化钼或氧化钨。
7.权利要求3的方法，其中有机活性层的形成还包括热退火、溶剂退火或加入添加剂用以改善形态和提高载流子迁移率，其中在约70-180℃的温度范围处理所述透明衬底、透明阳极和有机活性层。
8.用于制造半透明太阳能电池的方法，该方法包括：
提供透明衬底；
在该透明衬底上形成透明阳极，其中所述透明阳极是通过至少溶液处理或热蒸发沉积在该透明衬底上的透明导电氧化物层；
在该透明阳极上形成有机活性层，该有机活性层具有至少一种类型的施主分子和至少一种类型的受主分子的混合物；以及
在有机活性层的顶部上形成透明阴极，该透明阴极至少是通过至少溶液处理或热蒸发沉积的n-型层，和形成透明导电氧化物层，该n-型层具有基本上类似于所述有机活性层的最低未占据分子轨道能级的功函数。
9.权利要求8的方法，其中所述n-型层至少是碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。
10.权利要求8的方法，其中所述导电氧化物层至少是氧化铟锡或氟化的氧化锡，其中将所述导电氧化物层至少溅射或热喷涂在n-型层的顶部上。
11.权利要求8的方法，其中有机活性层的形成还包括热退火、溶剂退火或加入添加剂以改善形态和提高载流子迁移率，其中在约70-180℃的温度范围处理所述透明衬底、透明阳极和有机活性层。
12.权利要求8的方法，该方法还包括通过溶液处理在透明阳极的透明导电氧化物层上沉积过渡金属氧化物层，其中所述过渡金属氧化物层具有基本上类似于有机活性层的最高占据分子轨道能级的功函数，其中所述过渡金属氧化物至少是五氧化二钒、氧化钼或氧化钨。
13.权利要求8的方法，该方法还包括在n-型层的顶部上蒸发至少一个金属层，其中所述金属层至少是金或银并且厚度小于20纳米。
14.用于制造半透明太阳能电池的方法，该方法包括：提供透明衬底；
在具有通过溶液处理沉积的有机层的透明衬底上形成阳极，所述有机层具有体积和嵌入该体积内的金属网；
在透明阳极上形成有机活性层，该有机活性层具有至少一种类型的施主分子和至少一种类型的受主分子的混合物；以及
通过蒸发在所述有机活性层上形成透明阴极，其中所述透明阴极由厚度小于20纳米的至少一个金属层制成。
15.权利要求14的方法，其中所述金属网至少是金、铝、银、铜或涂覆有金的铬。
16.权利要求14的方法，其中所述至少一个金属层至少是氟化锂和金，氟化锂和铝，钙和金，氟化铯和金，氟化铯和铝，碳酸铯和金，碳酸铯和铝，三层结构的氟化锂，或者铝和金。
17.权利要求14的方法，其中有机活性层的形成还包括热退火、溶剂退火或加入添加剂以改善形态和提高载流子迁移率，其中在约70-18℃的温度范围内处理所述透明衬底、透明阳极和有机活性层。
18.用于制造半透明太阳能电池的方法，该方法包括：
提供透明衬底；
在具有通过溶液处理沉积的有机层的透明衬底上形成阳极，所述有机层具有体积和嵌入该体积内的金属网；
在透明阳极上形成有机活性层，该有机活性层具有至少一种类型的施主分子和至少一种类型的受主分子的混合物；以及
通过蒸发在有机活性层上形成透明阴极，其中所述透明阴极至少是通过溶液处理或热蒸发沉积的n-型层，和形成透明导电氧化物层，该n-型层具有基本上类似于有机活性层的最低未占据分子轨道能级的功函数。
19.权利要求18的方法，其中所述金属网至少是金、铝、银、铜或涂覆有金的铬。
20.权利要求18的方法，其中所述n-型层至少是碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。
21.权利要求18的方法，其中所述导电氧化物层至少是氧化铟锡或氟化的氧化锡，其中在所述n-型层的顶部上至少溅射或热喷涂所述导电氧化物层。
22.权利要求18的方法，该方法还包括通过蒸发在所述n-型层的顶部上沉积厚度小于20纳米的至少金或银的金属层。
23.权利要求18的方法，其中有机活性层的形成还包括热退火、溶剂退火或加入添加剂用以改善形态和提高载流子迁移率，其中在约70-180℃的温度范围处理所述透明衬底、透明阳极和有机活性层。
24.半透明太阳能电池，该电池包含：
具有底表面和顶表面的透明衬底；
在衬底的顶表面上的第一半透明电极，该第一半透明电极是透明导电氧化物层和n-型界面层，其中该第一半透明电极是阴极；
第二半透明电极，其由透明导电氧化物层制成并且具有界面层，其中该第二半透明电极是阳极；
透明活性层，其在半透明阳极和半透明阴极之间并且基本上由有机材料制成。
25.用于制造半透明太阳能电池的方法，该方法包括：
提供透明衬底：
在透明衬底的顶部上形成透明阴极，该形成过程包括如下步骤：
在透明衬底上沉积透明导电氧化物层；
通过溶液处理或热蒸发在透明导电氧化物层上沉积n-型界面层；并且将透明阴极和透明衬底在约70-180℃的温度范围内退火；
在透明阴极上形成至少一个有机活性层，其中该有机活性层通过溶液处理进行沉积并且具有至少一种类型的施主分子和至少一种类型的受主分子的混合物，该有机活性层具有基本上类似于所述透明阴极的n-型层的最低未占据分子轨道能级；
在有机层上形成透明阳极，形成过程包括如下步骤：
通过溶液处理沉积过渡金属氧化物层，所述过渡金属氧化物具有基本上类似于所述有机活性层的最高占据分子轨道能级的功函数；以及
将透明导电氧化物层沉积到所述过渡金属氧化物层上。
26.权利要求25的方法，其中所述过渡金属氧化物至少是五氧化二钒、氧化钼或氧化钨，其中所述过渡金属氧化物层具有小于30纳米的厚度。
27.权利要求25的方法，其中所述导电氧化物层至少是氧化铟锡或氟化的氧化锡，其中在所述n-型层的顶部上至少溅射或热喷涂所述导电氧化物层。
28.权利要求25的方法，其中所述n-型层至少是碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。
29.用于制造半透明太阳能电池的方法，该方法包括：
提供透明衬底；
在透明衬底的顶部上形成透明阴极，形成过程包括如下步骤：
在透明衬底上沉积透明导电氧化物层；
通过溶液处理或热蒸发在该透明导电氧化物层上沉积n-型层；以及
将透明阴极和透明衬底在约70-180℃的温度范围内进行退火；
在透明阴极上沉积至少一个有机活性层，其中该有机活性层通过溶液处理进行沉积，该至少一个有机活性层具有施主分子和受主分子的混合物并且具有基本上类似于所述透明阴极的n-型层的最高占据分子轨道能级；
在有机层上形成透明阳极，形成过程包括如下步骤：
通过溶液处理沉积过渡金属氧化物层，该过渡金属氧化物具有基本上类似于所述有机活性层的最高占据分子轨道能级的功函数；以及
在该过渡金属氧化物层上沉积至少为金或银的至少一个金属膜。
30.权利要求29的方法，其中所述n-型层至少是碳酸铯、乙酰丙酮化钙或氟化铯。
31.权利要求29的方法，其中所述过渡金属氧化物至少是五氧化二钒、氧化钼或氧化钨并且具有小于30纳米的厚度。
32.权利要求29的方法，其中所述导电氧化物层至少是氧化铟锡或氟化的氧化锡并且被至少溅射或热喷涂在n-型层的顶部上。
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