CN102082236A - 一种半透明有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半透明有机薄膜太阳能电池，包括衬底、第一电极层、第二电极层，设置在第一电极层和第二电极层之间的有机功能层，所述有机功能层至少包括有机光电转换层，它还包括阴极缓冲层和阳极缓冲层的一种或两种，第二电极层的外端设置有增反膜，所述增反膜为高折射率的透明导电材料，透过可见光的同时反射近红外光。通过引入增反膜，使没有被有机光电转换层吸收的光再次返回电池进行二次吸收，从而提高对太阳光的利用率。本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池在透过可见光的情况下可以增强对太阳光的吸收，增加器件的光电流，从而提高半透明有机薄膜太阳能电池的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件中有机光电器件技术领域，涉及一种半透明有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。占地球总能量99％以上的太阳能，具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而成为各国科学家开发和利用的新能源之一。1954年，贝尔实验室报道了光电转换效率达到6％的太阳能电池，标志着实用化太阳能研究的开始，开创了光电转换的首例。目前，无机太阳能电池的能量转换效率已达到40％以上。虽然无机太阳能电池早已商品化，但是由于无机半导体材料本身的加工工艺非常复杂，材料要求苛刻且不易进行大面积柔性加工，以及某些材料具有毒性，大规模使用会受到成本和资源分布的限制。与之相比，有机薄膜太阳能电池材料则在取材、成本和能耗等诸多方面具有一定的优势，不仅材料本身的生产条件相对温和，有机分子的化学结构容易修饰，而且以此来制作光电池时，也满足制作成本低廉、耗能少、容易大面积制作的要求，目前已经成为国内外研究的热点之一。
自从1986年，C.W.Tang等人报道了采用有机供电子体/受电子体的平面异质结做成了光电转换效率为1％的电池，通过使用性能好的材料和优化的器件结构，有机薄膜太阳能电池的光电转换效率得到了稳定的提高。将供电子体和受电子体聚合物材料混合形成一个互穿D/A层的网络，即体相异质结(Bulk Heterojunction)，是提高效率的有效方法，共蒸有机小分子供电子体和受电子体材料形成的混合体相异质结结构，在标准太阳照度下光电转换效率达到ηp≤3.5％。2009年，Yang Yang等人通过使用低能带隙聚合物PBDTTT，制备了光电转换效率为6.67％的有机太阳能电。目前，有机太阳能电池在光电转换效率和延长器件寿命等方面仍需要进一步研究和提高，以期达到实用的工业标准。
将有机薄膜太阳能电池制成半透明器件用于汽车玻璃、楼宇玻璃、家装玻璃等，是其重要的一个应用方向。半透明太阳能电池要求在让可见光通过的同时，隔断对人体有害的紫外线并吸收近红外光用来发电。但是，由于器件结构和透明顶电极的限制，使得半透明有机薄膜太阳能电池的能量转换效率较低。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种半透明有机薄膜太阳能电池及其制备方法，该电池通过提高对太阳光的吸收率，进而提高能量转换效率，同时，所述器件又具有相当高的热、光、化学等稳定性。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：构造一种半透明有机薄膜太阳能电池，包括衬底、第一电极层、第二电极层，设置在第一电极层和第二电极层之间的有机功能层，其特征在于：
①所述有机功能层至少包括有机光电转换层，它还包括阴极缓冲层和阳极缓冲层的一种或两种；
②第二电极层的外端设置有增反膜，所述增反膜为高折射率的透明导电材料，透过可见光的同时反射近红外光。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述增反膜材料为金属氧化物或金属硫化物或氮化物，金属氧化物包括氧化钙(CaO)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)、三氧化二铝(Al2O3)、三氧化二铬(Cr2O3)、二氧化锡(SnO2)、氧化镍(NiO)、五氧化二锑(Sb2O5)，金属硫化物包括二硫化钛(TiS2)、硫化铁(FeS)、三硫化二铬(Cr2S3)、硫化铜(CuS)、硫化锌(ZnS)、二硫化锡(SnS2)、硫化镍(NiS)、三硫化二钴(Co2S3)、三硫化二锑(Sb2S3)、硫化铅(PbS)、三硫化二镧(La2S3)、硫化铈(CeS)、二硫化锆(ZrS2)，氮化物包括氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述增反膜的厚度为20～150nm。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述衬底是玻璃或者柔性基片或者金属薄片，其中柔性基片是超薄的固态薄片、聚酯类或聚酞亚胺类化合物。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层为阳极和阴极或者是阴极和阳极，阳极和阴极要求具有较好的导电性能、透光性，阳极材料为金属氧化物薄膜或者功函数较高的金属薄膜或者有机导电聚合物，金属氧化物薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜或者氧化锌(ZnO)薄膜或者氧化锡锌薄膜，金属薄膜为金、铜、银、铂或者它们的合金薄膜，有机导电聚合物为3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)或聚苯胺(PANI)；阴极材料为金属氧化物薄膜或者功函数较低的金属薄膜或者有机导电聚合物，金属氧化物薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜或者氧化锌(ZnO)薄膜或者氧化锡锌薄膜，金属薄膜为锂或镁或钙或锶或铝或铟或它们与铜或金或银的合金薄膜，有机导电聚合物为3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阴极缓冲层材料为功函数较低的无机化合物或者具有高的最低未被占用能级(LUMO)的有机化合物，无机化合物包括碳酸铯(Cs2CO3)、氟化锂(LiF)、氧化钙(CaO)、氧化钛(TiOX)、氧化锌(ZnO)，有机化合物为金属有机配合物、吡啶类、邻菲咯啉类、噁二唑类或咪唑类化合物材料中的一种材料，其中金属有机配合物包括8-羟基喹啉铝(Alq3)、二(2-甲基-8-喹啉并)-4-(苯基苯酚)铝(BAlq)，吡啶类化合物包括三[2，4，6-三甲基-3-(吡啶-3-yl)苯基]-硼烷(3TPYMB)，邻菲咯啉类化合物包括2，9-二甲基-4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BCP)、4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BPhen)，噁二唑类电子传输材料是2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑(PBD)、1，3-二[(4-三元胺-丁基苯基)-1，3，4-重氮基酸-5-yl]苯(OXD-7)，咪唑类化合物是1，3，5-三(N-苯基-苯并咪唑-2)苯(TPBI)。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述有机光电转换层要求吸收波长700～1100nm的近红外光，该有机光电转换层为有机给体材料和有机受体材料构成的异质结，有机给体材料为噻吩类材料或酞菁染料，其中噻吩类材料包括聚(4，4′-双(2-乙基己基)二噻吩并[3，2-b：2′，3′-d]噻咯)-2，6-联苯-ALT-(2，1，3-苯并噻二唑)-4，7-联苯(PSBTBT)、[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-4H-环戊烯[2，1-b；3，4-b′]-二噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)]共聚物(PCPDTBT)、噻吩(3，4-b)并噻吩和苯并二噻吩的共聚物(PTB)，酞菁染料包括氯代亚-2，3-萘酞菁硼(SubNc)、氯代酞菁铝(ClAlPc)、萘酞菁铜(CuNc)；有机受体材料为C60及其衍生物，噻吩类材料，PPV衍生物，稠环芳香化合物，C60衍生物包括(6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、(6，6)-苯基-C61-丁酸丁酯(PCBB)、1-(3-甲氧羰基)丙基-1-噻吩基-[6，6]-亚甲基富勒烯(ThCBM)，噻吩类材料包括二氰基乙烯基-三聚噻吩(DCV3T)、聚(3-氰基-4-己基噻吩)(P3CN4HT)，PPV衍生物包括[氧杂-1，4-亚苯基-1，2-(1-氰基)-亚乙烯基-2，5-二辛氧-1，4-亚苯基-1，2-(2-氰基)-亚乙烯基-1，4-亚苯基]聚合物(CN-Ether-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-α-氰基-对苯乙烯撑](MEH-CN-PPV)，稠环芳香化合物材料包括3，4，9，10-苝四羧基-双苯并咪唑(PTCBI)、3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)。
按照本发明提供的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层材料为功函数较高的无机化合物或者具有低的最高被占用能级(HOMO)的有机化合物，无机化合物包括三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5)、三氧化钨(WO3)，有机化合物为酞菁衍生物，萘酞菁衍生物，卟啉衍生物，芳香二胺化合物，聚合物材料，酞菁衍生物包括酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)，芳香二胺化合物包括4，4’，4”-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺(m-MTDATA)、N，N’-双(3-甲基苯基)-(1，1’-联苯)-4’-二胺(TPD)、4，4’-双[N-(萘基)-N-苯基-氨基]联苯(α-NPD)，聚合物材料包括3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺(PANI)类有机导电聚合物。
本发明所提出的第二个技术问题是这样解决的：提供一种半透明有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①清洗衬底并干燥；
②将衬底移入真空镀膜室中依次进行第一电极层、有机功能层、第二电极层和增反膜的制备，所述有机功能层至少包括有机光电转换层，它还包括阴极缓冲层和阳极缓冲层的一种或两种；所述增反膜为高折射率的透明导电材料，透过可见光的同时反射近红外光。
③测试器件的电流密度-电压特性。
按照本发明所提供的半透明有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一电极层、有机功能层、第二电极层和增反膜是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积、触媒式化学气相沉积、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式而形成。
本发明所提供的半透明有机薄膜太阳能电池，引入了位于第二电极层之上的增反膜。通过改变增反膜的厚度，可以调节第二电极层的反射谱，按所指定的波长范围提高第二电极层的反射率。当太阳光经过电池到达第二电极时，有机光电转换层需要吸收的波长在700～1100nm的近红外光被反射回来再次吸收利用，而可见光部分则透过电池，大大提高了对太阳光的利用率。这种结构在保证对可见光的透过性的情况下增强了对太阳光的吸收，提高光电流，最终提高半透明有机薄膜太阳能电池的能量转换效率。
附图说明
图1是本发明所提供的半透明有机薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明所提供的实施例1的结构示意图；
图3是本发明所提供的对比实施例1的结构示意图；
图4是本发明所提供的实施例1中所述器件的电流密度-电压(J-V)特性曲线；
图5是本发明所提供的对比实施例1中所述器件的电流密度-电压(J-V)特性曲线；
图6是本发明所提供的实施例2的结构示意图；
图7是本发明所提供的实施例3、4、5、6、7、8、9、10、11、12的结构示意图；
图8是本发明所提供的实施例13、14、15、16的结构示意图。
其中，1、衬底，2、第一电极层，3、有机功能层，31、阴极缓冲层，32、有机光电转换层，33、阳极缓冲层，4、第二电极层，5、增反膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
本发明的技术方案是提供一种半透明有机薄膜太阳能电池，如图1所示，器件的结构包括1、衬底，2、第一电极层，3、有机功能层，31、阴极缓冲层，32、有机光电转换层，33、阳极缓冲层，4、第二电极层，5、增反膜。
本发明中衬底1为电极和有机薄膜层的依托，有着良好的透光性能，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整性，它可以是玻璃或者柔性基片或者金属薄片，其中柔性基片是超薄的固态薄片、聚酯类或聚酞亚胺类化合物。
本发明中第一电极层2和第二电极层4要求具有较好的导电性能、透光性，所述第一电极层和第二电极层为阳极和阴极或者是阴极和阳极，阳极材料为金属氧化物薄膜或者功函数较高的金属薄膜或者有机导电聚合物，金属氧化物薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜或者氧化锌(ZnO)薄膜或者氧化锡锌薄膜，金属薄膜为金、铜、银、铂或者它们的合金薄膜，有机导电聚合物为3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)或聚苯胺(PANI)；阴极材料为金属氧化物薄膜或者功函数较低的金属薄膜或者有机导电聚合物，金属氧化物薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜或者氧化锌(ZnO)薄膜或者氧化锡锌薄膜，金属薄膜为锂或镁或钙或锶或铝或铟或它们与铜或金或银的合金薄膜，有机导电聚合物为3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。
本发明中阴极缓冲层31要求具有电子传输特性，阴极缓冲层材料为功函数较低的无机化合物或者具有高的最低未被占用能级(LUMO)的有机化合物，无机化合物包括碳酸铯(Cs2CO3)、氟化锂(LiF)、氧化钙(CaO)、氧化钛(TiOX)、氧化锌(ZnO)，有机化合物为金属有机配合物、吡啶类、邻菲咯啉类、噁二唑类或咪唑类化合物材料中的一种材料，其中金属有机配合物包括8-羟基喹啉铝(Alq3)、二(2-甲基-8-喹啉并)-4-(苯基苯酚)铝(BAlq)，吡啶类化合物包括三[2，4，6-三甲基-3-(吡啶-3-yl)苯基]-硼烷(3TPYMB)，邻菲咯啉类化合物包括2，9-二甲基-4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BCP)、4，7-联苯-1，10-邻二氮杂菲(BPhen)，噁二唑类电子传输材料是2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑(PBD)、1，3-二[(4-三元胺-丁基苯基)-1，3，4-重氮基酸-5-yl]苯(OXD-7)，咪唑类化合物是1，3，5-三(N-苯基-苯并咪唑-2)苯(TPBI)。
本发明中有机光电转换层32是主要的吸光层，要求吸收波长700～1100nm的近红外光，该有机光电转换层为有机给体材料和有机受体材料构成的异质结，有机给体材料为噻吩类材料或酞菁染料，其中噻吩类材料包括聚(4，4′-双(2-乙基己基)二噻吩并[3，2-b：2′，3′-d]噻咯)-2，6-联苯-ALT-(2，1，3-苯并噻二唑)-4，7-联苯(PSBTBT)、[2，6-(4，4-二-(2-乙基己基)-4H-环戊烯[2，1-b；3，4-b′]-二噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)]共聚物(PCPDTBT)、噻吩(3，4-b)并噻吩和苯并二噻吩的共聚物(PTB)，酞菁染料包括氯代亚-2，3-萘酞菁硼(SubNc)、氯代酞菁铝(ClAlPc)、萘酞菁铜(CuNc)；有机受体材料为C60及其衍生物，噻吩类材料，PPV衍生物，稠环芳香化合物，C60衍生物包括(6，6)-W苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、(6，6)-苯基-C61-丁酸丁酯(PCBB)、1-(3-甲氧羰基)丙基-1-噻吩基-[6，6]-亚甲基富勒烯(ThCBM)，噻吩类材料包括二氰基乙烯基-三聚噻吩(DCV3T)、聚(3-氰基-4-己基噻吩)(P3CN4HT)，PPV衍生物包括[氧杂-1，4-亚苯基-1，2-(1-氰基)-亚乙烯基-2，5-二辛氧-1，4-亚苯基-1，2-(2-氰基)-亚乙烯基-1，4-亚苯基]聚合物(CN-Ether-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-α-氰基-对苯乙烯撑](MEH-CN-PPV)，稠环芳香化合物材料包括3，4，9，10-苝四羧基-双苯并咪唑(PTCBI)、3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)。
本发明中阳极缓冲层33要求具有空穴传输特性，阳极缓冲层材料为功函数较高的无机化合物或者具有低的最高被占用能级(HOMO)的有机化合物，无机化合物包括三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5)、三氧化钨(WO3)，有机化合物为酞菁衍生物，萘酞菁衍生物，卟啉衍生物，芳香二胺化合物，聚合物材料，酞菁衍生物包括酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)，芳香二胺化合物包括4，4’，4”-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-氨基)三苯胺(m-MTDATA)、N，N’-双(3-甲基苯基)-(1，1’-联苯)-4’-二胺(TPD)、4，4’-双[N-(萘基)-N-苯基-氨基]联苯(α-NPD)，聚合物材料包括3，4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺(PANI)类有机导电聚合物。
本发明中的增反膜5为高折射率的透明导电材料，增反膜材料为金属氧化物或金属硫化物或氮化物，金属氧化物包括氧化钙(CaO)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)、三氧化二铝(Al2O3)、三氧化二铬(Cr2O3)、二氧化锡(SnO2)、氧化镍(NiO)、五氧化二锑(Sb2O5)，金属硫化物包括二硫化钛(TiS2)、硫化铁(FeS)、三硫化二铬(Cr2S3)、硫化铜(CuS)、硫化锌(ZnS)、二硫化锡(SnS2)、硫化镍(NiS)、三硫化二钴(Co2S3)、三硫化二锑(Sb2S3)、硫化铅(PbS)、三硫化二镧(La2S3)、硫化铈(CeS)、二硫化锆(ZrS2)，氮化物包括氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)，增反膜的厚度为20～150nm。
采用本发明制备的半透明有机薄膜太阳能电池结构举例如下：
玻璃/ITO/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极/增反膜
玻璃/ITO/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极/增反膜
玻璃/导电聚合物/有机光电转换层/阳极/增反膜
玻璃/导电聚合物/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极/增反膜
玻璃/导电聚合物/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极/增反膜
柔性聚合物衬底/ITO/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极/增反膜
柔性聚合物衬底/导电聚合物/阴极缓冲层/有机光电转换层/阳极缓冲层/阳极/增反膜
玻璃/ITO/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极/增反膜
玻璃/ITO/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极/增反膜
玻璃/导电聚合物/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极/增反膜
玻璃/导电聚合物/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极/增反膜
柔性聚合物衬底/ITO/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极/增反膜
柔性聚合物衬底/导电聚合物/阳极缓冲层/有机光电转换层/阴极缓冲层/阴极/增反膜
此处列出的是本发明的具体例，但是本发明并不局限于这些具体例：
实施例1
如图2所示，器件结构中的第一电极层材料为ITO，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为ZnO。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(40nm)/ZnO(20nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阴极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的受体材料C60为40nm，给体材料SubNc为13nm，阳极缓冲层MoO3为5nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在低真空腔中以150℃烘干10分钟，厚度为40nm。
⑤在第二电极层PEDOT:PSS层制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
对比实施例1
如图3所示，器件结构中的第一电极层材料为ITO，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(40nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阴极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀有机光电转换层的受体材料C60为40nm，给体材料SubNc为13nm，阳极缓冲层MoO3为5nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在低真空腔中以150℃烘干10分钟，厚度为40nm。
⑤测试器件的电流密度-电压特性。
实施例2
如图6所示，器件结构中的第一电极层材料为ITO，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为CaO。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/PEDOT:PSS(60nm)/CaO(20nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阴极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀阴极缓冲层材料Bphen为3nm，有机光电转换层的受体材料C60为40nm，给体材料SubNc为13nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在低真空腔中以150℃烘干10分钟，厚度为60nm。
⑤在第二电极层PEDOT:PSS层制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例3
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为ITO，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为PEDOT:PSS，第二电极层4为金属Ag薄膜，增反膜5为TiO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/PEDOT:PSS(50nm)/Ag(10nm)/TiO2(50nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阴极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀阴极缓冲层材料Bphen为3nm，有机光电转换层的受体材料C60为40nm，给体材料SubNc为13nm，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在给体材料SubNc上作为阳极缓冲层，然后在低真空腔中以120℃烘干10分钟，厚度为50nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至真空蒸发室中蒸镀第二电极层Ag，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
⑤在第二电极层Ag制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例4
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为ITO，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为PSBTBT和PCBM的混合物，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为ZnO。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/Bphen(3nm)/PSBTBT:PCBM(100nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/ZnO(50nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阴极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，蒸镀阴极缓冲层材料Bphen为3nm，将质量比为1∶1.5的PSBTBT和PCBM配成混合溶液，溶剂采用氯苯，然后旋涂在阴极缓冲层上，在低真空腔中以120℃退火10分钟后，至于高真空的蒸发室中，蒸镀阳极缓冲层MoO3层5nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为80nm。
⑤在第二电极层PEDOT:PSS层制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例5
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为SiO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(100nm)/CaO(80nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃衬底进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。
②将干燥后的玻璃衬底移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在玻璃基板上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为100nm，PEDOT:PSS作为阴极层。
③将处理后的衬底在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀阴极缓冲层材料Bphen为3nm，有机光电转换层的受体材料C60为40nm，给体材料SubNc为13nm，阳极缓冲层MoO3为5nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在低真空腔中以150℃烘干10分钟，厚度为100nm。
⑤在第二电极层PEDOT:PSS层制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例6
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为PSBTBT和PCBM的混合物，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为TiO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/PSBTBT:PCBM(100nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/TiO2(80nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃衬底进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。
②将干燥后的玻璃衬底移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在玻璃基板上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为100nm，PEDOT:PSS作为阴极层。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，蒸镀阴极缓冲层材料Bphen为3nm，将质量比为1∶1.5的PSBTBT和PCBM配成混合溶液，溶剂采用氯苯，然后旋涂在阴极缓冲层上，在低真空腔中以120℃退火10分钟后，至于高真空的蒸发室中，蒸镀阳极缓冲层MoO3层5nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为80nm。
⑤在第二电极层PEDOT:PSS层制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例7
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为ZrO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/ZrO2(120nm)
器件的制备流程与实施例5相似。
实施例8
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为PSBTBT和PCBM的混合物，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为Ta2O5。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/PSBTBT:PCBM(100nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/Ta2O5(120nm)
器件的制备流程与实施例6相似。
实施例9
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为ZrO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/ZrO2(150nm)
器件的制备流程与实施例5相似。
实施例10
如图7所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为PSBTBT和PCBM的混合物，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为Ta2O5。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/PSBTBT:PCBM(100nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/Ta2O5(150nm)
器件的制备流程与实施例6相似。
实施例11
如图7所示，器件结构中的衬底材料为PET，第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为Si3N4。整个器件结构描述为：
PET/PEDOT:PSS(100nm)/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/Si3N4(120nm)
器件的制备流程与实施例5相似。
实施例12
如图7所示，器件结构中的衬底材料为PET，第一电极层材料为PEDOT:PSS，阴极缓冲层31为Bphen，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阳极缓冲层33为MoO3，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为ZnS。整个器件结构描述为：
PET/PEDOT:PS S(100nm)/Bphen(3nm)/C60(40nm)/SubNc(13nm)/MoO3(5nm)/PEDOT:PSS(80nm)/ZnS(80nm)
器件的制备流程与实施例5相似。
实施例13
如图8所示，器件结构中的第一电极层材料为ITO，阳极缓冲层33为MoO3，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阴极缓冲层31为Bphen，第二电极层4为金属Ag薄膜，增反膜5为TiO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/ITO/MoO3(5nm)/SubNc(13nm)/C60(40nm)/Bphen(3nm)/Ag(13nm)/TiO2(50nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层，ITO膜的方块电阻为10Ω/sq，膜厚为180nm。
②将干燥后的基片移入真空室，在气压为20Pa的氧气压环境下对ITO玻璃进行低能氧等离子预处理10分钟，溅射功率为20W。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，开始进行有机薄膜的蒸镀。按照如上所述器件结构依次蒸镀阳极缓冲层材料MoO3为5nm，有机光电转换层的给体材料SubNc为13nm，受体材料C60为40nm，阴极缓冲层材料Bphen为3nm，各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至真空蒸发室中蒸镀第二电极层Ag，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
⑤在第二电极层Ag制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例14
如图8所示，器件结构中的第一电极层材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层33为MoO3，有机光电转换层为PSBTBT和PCBM的混合物，阴极缓冲层31为Bphen，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为TiO2。整个器件结构描述为：
玻璃衬底/PEDOT:PSS(100nm)/MoO3(5nm)/PSBTBT:PCBM(100nm)/Bphen(3nm)/PEDOT:PSS(80nm)/TiO2(80nm)
制备方法如下：
①利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对玻璃衬底进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。
②将干燥后的玻璃衬底移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在玻璃基板上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为100nm，PEDOT:PSS作为阳极层。
③将处理后的基片在高真空度的蒸发室中，蒸镀阳极缓冲层MoO3层5nm，将质量比为1∶1.5的PSBTBT和PCBM配成混合溶液，溶剂采用氯苯，然后旋涂在阴极缓冲层上，在低真空腔中以120℃退火10分钟后，至于高真空的蒸发室中，蒸镀阴极缓冲层材料Bphen为3nm。各有机层的蒸镀速率0.1nm/s，蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控。
④将上述制备的衬底转移至旋涂机中，将PEDOT:PSS溶液以2000rpm的转速旋涂在阳极缓冲层上，然后在150℃下烘干10分钟，厚度为80nm。
⑤在第二电极层PEDOT:PSS层制备结束后旋涂增反膜。
⑥测试器件的电流密度-电压特性。
实施例15
如图8所示，器件结构中的衬底材料为PET，第一电极层材料为ITO，阳极缓冲层33为PEDOT:PSS，有机光电转换层为SubNc/C60异质结，阴极缓冲层31为Bphen，第二电极层4为金属Ag薄膜，增反膜5为TiO2。整个器件结构描述为：
PET/ITO/MoO3(5nm)/SubNc(13nm)/C60(40nm)/Bphen(3nm)/Ag(13nm)/TiO2(50nm)
器件的制备流程与实施例13相似。
实施例16
如图8所示，器件结构中的衬底材料为PET，第一电极层材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层33为MoO3，有机光电转换层为PSBTBT和PCBM的混合物，阴极缓冲层31为Bphen，第二电极层4为PEDOT:PSS，增反膜5为TiO2。整个器件结构描述为：
PET/PEDOT:PSS(100nm)/MoO3(5nm)/PSBTBT:PCBM(100nm)/Bphen(3nm)/PEDOT:PSS(80nm)/TiO2(80nm)
器件的制备流程与实施例14相似。
Claims (7)
1.一种半透明有机薄膜太阳能电池，包括衬底、第一电极层、第二电极层，设置在第一电极层和第二电极层之间的有机功能层，其特征在于：
①所述有机功能层至少包括有机光电转换层，它还包括阴极缓冲层和阳极缓冲层的一种或两种；
②第二电极层的外端设置有增反膜，所述增反膜为高折射率的透明导电材料，透过可见光的同时反射近红外光。
2.根据权利要求1所述的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述增反膜材料为金属氧化物或金属硫化物或氮化物，金属氧化物包括氧化钙、五氧化二钽、二氧化钛、二氧化锆、氧化铜、氧化锌、三氧化二铝、三氧化二铬、二氧化锡、氧化镍或五氧化二锑，金属硫化物包括二硫化钛、硫化铁、三硫化二铬、硫化铜、硫化锌、二硫化锡、硫化镍、三硫化二钴、三硫化二锑、硫化铅、三硫化二镧、硫化铈或二硫化锆，氮化物包括氮化硅或氮化铝。
3.根据权利要求1所述的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述增反膜的厚度为20～150nm。
4.根据权利要求1所述的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，第一电极层和第二电极层为阳极和阴极或者是阴极和阳极。
5.根据权利要求1所述的半透明有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述有机光电转换层能吸收波长700～1100nm的近红外光，为有机给体材料和有机受体材料构成的异质结，有机给体材料为噻吩类材料或酞菁染料，有机受体材料为C60及其衍生物，噻吩类材料，PPV衍生物，或稠环芳香化合物。
6.一种半透明有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①清洗衬底并干燥；
②将衬底移入真空镀膜室中依次进行第一电极层、有机功能层、第二电极层和增反膜的制备，所述有机功能层至少包括有机光电转换层，它还包括阴极缓冲层和阳极缓冲层的一种或两种；所述增反膜为高折射率的透明导电材料，透过可见光的同时反射近红外光。；
③测试器件的电流密度-电压特性。
7.根据权利要求6所述的半透明有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一电极层、有机功能层、第二电极层和增反膜是通过真空蒸镀、离子团束沉积、离子镀、直流溅射镀膜、RF溅射镀膜、离子束溅射镀膜、离子束辅助沉积、等离子增强化学气相沉积、高密度电感耦合式等离子体源化学气相沉积、触媒式化学气相沉积、磁控溅射、电镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式而形成。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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