CN102142523A - 效率提高的太阳能电池 - Google Patents

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CN102142523A CN2010106006253A CN201010600625A CN102142523A CN 102142523 A CN102142523 A CN 102142523A CN 2010106006253 A CN2010106006253 A CN 2010106006253A CN 201010600625 A CN201010600625 A CN 201010600625A CN 102142523 A CN102142523 A CN 102142523A
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Abstract

本发明涉及效率提高的太阳能电池。具体而言，公开了太阳能电池以及制造太阳能电池的方法。示例的太阳能电池可以包括基板，在一些情形中所述基板可以作为电极，相对于所述基板连接到所述基板上的纳米支柱阵列，设置在所述纳米支柱阵列上的自组装单层，设置在所述自组装单层上的活性层，以及电连接到活性层的电极。在一些情形中，所述自组装单层可以包括烷烃二硫醇，并且所述活性层可以包括光活性聚合物，但这不是必需的。

Description

效率提高的太阳能电池
相关申请的交叉引用
本申请涉及2009年5月19日提交的且题目为“SOLAR CELL WITHEHANCED EFFICIENCY”的美国专利申请系列号12/468,755，并且还涉及2009年4月30日提交的且题目为“AN ELECTRON COLLECTOR AND ITSAPPLICATION IN PHOTOVOLTAICS”的美国专利申请系列号12/433,560，其全部公开内容在此通过引用结合进来。
技术领域
本公开内容总体上涉及太阳能电池。特别地，本公开内容涉及效率提高的太阳能电池及其制造方法。
背景技术
多种太阳能电池已被研发以将光转换成电。在已知的太阳能电池中，每种都具有某些优点和缺点。仍然需要提供可供选择的效率提高的太阳能电池以及制造太阳能电池的方法。
发明内容
本公开内容总体上涉及效率提高的太阳能电池以及制造太阳能电池的方法。示例性的太阳能电池包括基板、和连接到基板的纳米支柱阵列。在纳米支柱阵列上方设置有自组装单层，在自组装单层上方设置有活性层。
在一些情形中，纳米支柱阵列可以是纳米管或者纳米线阵列，其可以包括TiO2/ZnO或者任何其他适合的材料，或者由TiO2/ZnO或任何其他适合的材料制成。自组装单层可以是或者可以包括设置在纳米支柱层上的烷烃二硫醇层。活性层可以是或者可以包括P3HT/PCBM，并且可以设置在自组装单层上。这些仅是示例的材料。制造太阳能电池的示例方法可以包括：提供基板，在基板上设置纳米支柱阵列，在纳米支柱阵列上设置自组装单层例如烷烃二硫醇单层，然后在自组装单层上设置活性层。还可以为太阳能电池提供阳极和阴极电极。
上述概述并不打算描述公开内容中的每个实施方案或者每个技术特征。随后的附图和具体实施方式更详细地举例说明某些示例性的实施方案。
附图说明
连同附图并考虑对本发明各种实施方案的详细说明，可以更完全的理解本发明，其中：
图1是示例性的太阳能电池的示意性的横截面侧视图。
尽管本发明能够进行各种变形和替换形式，但是其具体细节已经通过举例方式显示在附图中并将进行详细描述。但是，应该理解的是，本发明并不受限于所述的特定实施方案。相反，目的是覆盖落入本发明精神和范围的全部变形、等价物以及可选形式。
具体实施方式
对于随后定义的术语，应使用这些定义，除非在权利要求书中或本说明书的其他地方给出了不同的定义。
将所行数值在这里假定为用术语“大约”修饰，而不管是否为明确指示。术语“大约”通常指本领域技术人员会认为和所列数值等价(即，具有相同的功能或结果)的数值范围。在许多情况中，术语“大约”可以包括四舍五入到最接近的有效数值的数。
通过端点记载的数值范围包括该范围内的所有数值(即，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
如本说明书和附上的权利要求书中所使用的，单数形式“a(某)”、“an(某个)”和“the(该，所述)”包括复数对象，除非文中明确有另外说明。如本说明书和附上的权利要求书中所使用的，通常按其含义应用术语“或”，包括“和/或”，除非文中明确有另外说明。
如本说明书中所使用的，术语“阵列”可以包括成规则的、不规则的和/或随机的或伪随机的图案形式的一组元件。例如，纳米管或纳米线阵列可以包括排列成规则的、不规则的和/或随机的或伪随机的图案形式的纳米管或纳米线元件组。
应参考附图来阅读随后的描述。附图，其不必按比例绘制，描述了示例性的实施方案，而且不打算限制本发明的范围。
多种太阳能电池(还可以将其称作光生伏打和/或光伏电池)被研发以将太阳光转换成电。一些示例的太阳能电池包括晶体硅层。第二和第三代太阳能电池经常利用沉积或以其他方式设置在基板上的光伏材料薄膜(即“薄的”膜)。可以根据沉积的光伏材料将这些太阳能电池进行分类。例如，无机薄膜光生伏打可以包括无定形硅薄膜、微晶硅薄膜、CdS薄膜、CdTe薄膜、Cu2S薄膜、铜铟联硒化物(CIS)薄膜、铜铟镓联硒化物(CIGS)薄膜等等。有机薄膜光生伏打可以包括聚合物(一种或多种)薄膜、本体异质结薄膜、有序异质结薄膜、富勒烯薄膜、聚合物/富勒烯混合物薄膜、光合成材料薄膜等等。这些仅是示例。
在设计和生产光生伏打中，效率会起到重要的作用。与效率相关的一个因素是活性层的厚度。通常，较厚的活性层能够吸收更多的光。这可以合意地改进电池的效率。但是，由于较大的内部电阻和/或重组增加，较厚的活性层经常失去更多的电荷，这降低了效率。较薄的活性层可能具有较小的内部电阻和/或重组减少，但是，典型地不会像较厚的活性层一样有效的吸收光。
例如，通过增加活性层的光吸收能力同时减小内部电阻和/或重组，将这里公开的太阳能电池设计得更有效。这里公开的制造光生伏打和/或光伏电池的方法以较低的成本产生更有效的光生伏打为目标。
这里公开的至少一些太阳能电池利用包括聚合物(一种或多种)的活性层。例如，这里公开的至少一些太阳能电池包括活性层，该活性层包括使用了导电性聚合物的本体异质结(BHJ)。由于多种原因，包括基于导电性聚合物的BHJ的太阳能电池可能是合意的。例如，制造基于导电性聚合物的BHJ的成本可以比制造其他类型太阳能电池的活性层的成本低。这可能是由于和用于制造这样的BHJ(例如聚合物)太阳能电池的材料相关的低成本以及可能使用了辊对辊和/或其他有效的制造技术。
图1是示例性的太阳能电池10的示意性的横截面侧视图。在示例性的实施例中，太阳能电池10包括基板12。基板12可以包括或者以其它方式采用第一电极的形式(例如，阴极或正极)。材料层14可以电连接或以其它方式设置在基板12上。在该示例性的实施方案中，材料层14可以由适合从太阳能电池10的活性层18接收激子的材料形成。材料层14可以包括或者形成为结构化图案或阵列，例如纳米支柱阵列14(例如，纳米线、纳米管等等)。虽然图1的纳米支柱阵列示为纳米支柱元件的规则图案，但是正如期望的，考虑纳米支柱阵列可以设置成规则的、不规则的和/或随机的或伪随机的图案。
如图1所示，可以将层16设置在纳米支柱阵列14上或上方。将层16示为大体上追随纳米支柱阵列14的图案，但这不是必需的。示出了如果需要将活性层18连接或者以其他方式设置在层14/16中的结构化图案或阵列上。这样，活性层18“填充”在层14/16中的结构化图案或阵列中，从而至少部分使器件平坦化。太阳能电池10还可以包括电连接到活性层18的第二电极20(例如，阳极或负极)。在一些实施方案中，电极的极性可以颠倒。例如，基板和/或第一电极12可以是阳极并且第二电极20可以是阴极。因此，第一电极12可以接收来自活性层18的电子，第二电极20可以接收来自活性层18的空穴。
当提供时，基板12可以由任何数目的不同材料制成，包括聚合物、玻璃和/或透明材料。在一个例子中，基板12可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、低铁玻璃、或任何其他合适的材料、或者合适材料的组合。在另一个例子中(例如，其中基板12包括第一电极)，基板12可以包括掺杂氟的氧化锡、铟锡氧化物、掺杂铝的氧化锌、任何其他合适的导电性无机元素或化合物、导电性聚合物以及其它导电性材料、或者希望的任何其他合适的材料。在一些实施方案中，如果需要，太阳能电池10可以缺少基板12，并相反可以依靠其他结构来形成基层。
在一些例子中，层14可以包括电子导体。在一些情况下，电子导体可以是n型电子导体，但这不是必需的。电子导体可以是金属性的和/或半导性的，例如TiO2和/或ZnO。在一些情况下，电子导体可以是导电聚合物，例如经掺杂以导电和/或改进其导电性的聚合物。在一些例子中，可以由烧结过的二氧化钛形成电子导体。如下面进一步描述的，如果需要，层14可以采用纳米支柱阵列的形式。
活性层18可以包括各种不同的材料。在一些实施方案中，活性层18可以包括一种或多种材料或者一层或多层。在一个例子中，活性层18可以包括电子供体材料或层与电子受体材料或层的互穿的网络。在另一个示例性的实施方案中，活性层18可以包括一种或多种聚合物或者一个或多个聚合物层。在一个例子中，活性层18可以包括电子供体聚合物与电子受体聚合物的互穿的网络。
在至少一些实施方案中，活性层18可以包括聚-3-己基噻吩(P3HT)和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的互穿的网络。预料，如果需要，可以使用其他材料。P3HT是光活性聚合物。因此，P3HT材料可以吸收光并产生电子-空穴对(激子)。虽然不受限于理论，但是相信由于光被活性层18吸收，产生了扩散到活性层18内的接近P3HT/PCBM界面的激子。然后可以将电子注入到PCBM中，这可以具有与P3HT相关的能量带隙，从而易于接收来自P3HT材料的电子。然后可以将电子沿PCBM链传输到第二电极20。空穴可以在P3HT内传输到诸如层14中的纳米支柱阵列的附近支柱并最终传输到第一电极12。如上所示，层14可以具有与活性层18相关的能量带隙，其适于接收来自活性层18的激子(例如，空穴)。
打算将其他材料用于活性层18。例如，活性层18可以包括低带隙聚合物、小分子材料、有机小分子等等。在一些实施方案中，活性层18可以包括以下材料中的一种或多种：
酞菁铜/富勒烯C60(CuPc/C60)，
聚[9，9-二癸烷芴-alt-(双-亚噻吩基)苯并噻二唑(poly[9，9-didecanefluorene-alt-(bis-thienylene)benzothiadiazole])，
APFO-Green 5，
聚[N-9-十七烷基-2，7-咔唑-alt-5，5-(4’，7’二-2-噻吩基-2’，1’，3’-苯并噻二唑)](poly[N-9-heptadecanyl-2，7-carbazole-alt-5，5-(4’，7’di-2-thienyl-2’，1’，3’-benzothiadiazole)])，
聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2，1-b；3，4-b2]-二噻吩)-alt-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)](poly[2，6-(4，4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2，1-b；3，4-b2]-dithiophene)-alt-4，7-(2，1，3-benzothiadiazole)])，
聚{5，7-二-2-噻吩基-2，3-双(3，5-二(2-乙基己氧基)苯基)噻吩并[3，4-b]吡嗪}(poly{5，7-di-2-thienyl-2，3-bis(3，5-di(2-ethylhexyloxy)phenyl)thieno[3，4-b]pyrazine})，
铂(Ⅱ)聚炔烃聚合物，
PCBM，
P3HT以及
具有以下结构的PIF-DTP：
Figure BSA00000409270400051
活性层的厚度会对太阳能电池的效率具有显著影响。层14中的图案(当提供了时)可能减少活性层18的有效厚度，这可能增加太阳能电池的效率。如上所示，虽然并不限制于此，但是层14中的图案可以是包括向上延伸的多个纳米支柱或突起的纳米支柱阵列，如图1所示。在示例性的实施方案中，纳米支柱可以具有大约40-60nm或大约50nm的宽度，以及大约10-80nm或大约25nm的间隔。在一些实施方案中，纳米支柱元件可以具有如所示的基本方形的形状，从而在垂直方向上宽度是均一的。在其他实施方案中，纳米支柱元件可以是圆柱形，因此可以在所有方向上具有均一的宽度。但是，期望纳米支柱元件可以具有任何合适的形状，包括蜂巢形、星形或者任何其他形状，如果需要的化。纳米支柱元件可以经排列以使相邻的纳米支柱间隔开，从而在其间形成井或通道。在一些情况下，纳米支柱的高度相对于它们的宽度可以导致相对大的纵横比，但这不是必需的。例如，纳米支柱元件的高度可以为大约200-400nm，或者大约250nm，这可以产生大约5∶1的纵横比或更大的纵横比。期望将活性层18设置在纳米支柱之间的井或通道中，如图所示。也就是说，活性层18可以“填充在”纳米支柱元件的“森林”中。在一些情况下，可以将活性层18旋转涂敷在纳米支柱上以有助于填充在井和通道中。
通常，相邻的纳米支柱之间的距离从而经构造以改进太阳能电池10的效率。例如，可以将相邻的纳米支柱之间的距离设定为大约10-80nm或更小，或者设定为大约25nm或更小。例如，当具有间隔25nm的方形纳米支柱的图案时，激子必须在活性层内行至相邻纳米支柱的最远距离是大约35nm。该行进距离能够定义最坏情况下活性层18的“有效”厚度。注意，在该示例性的实施方案中，许多激子(例如，空穴)可以横向穿过活性层而行进至相邻的纳米支柱，而不是垂直向下至层14。与此相比较，利用BHJ的典型太阳能电池可以具有厚度大约为100-200nm的平面状活性层。当如此设置时，这样的活性层的最坏情况下活性层的“有效”厚度可以为100-200nm。如同可以发现的，可以大大减少太阳能电池10中的活性层18的有效厚度，这可以通过减少活性层18中的内部电阻和/或重组而有助于增加太阳能电池10的效率。
还要注意的是，层14中的图案可以在太阳能电池10的活性层18中产生光散射。由于该光散射，更多的光(光子)可以被活性层18吸收。为了有助于增加活性层18中的光散射和活性层相应的光吸收，考虑可以将层14中的图案的高度相对于图案化的元件的宽度产生相对大的纵横比(例如，2∶1、5∶1、10∶1或更大)。如上所述，纳米支柱的纵横比可以为大约5∶1，但这仅是示例。
虽然在图1所示纳米支柱用于层14，但这不是必需的。在一些例子中，层14可以是平面状的。但是，当层14是非平面状的时候，除了图1所示的纳米支柱外，期望可以使用其他设置或图案。通常，层14中的图案的结构设置(当提供了时)可以经构造以产生活性层18相对于简单的平面状表面具有降低了的有效厚度，并且可以包括一个或多个突起和/或压痕，可以被织构化，具有表面特征和/或其他不规则，或者具有其他非平面状的特征，如果需要的话。
在一些情况下，在层14上设置活性层18可能导致活性层18的吸收谱频率偏移。例如，在TiO2/ZnO纳米支柱阵列层14上设置P3HT/PCBM活性层18可能导致活性层18的蓝移的吸收谱。由此，可能稍微降低太阳能电池10的效率。此外，如果活性层18无序，则可能减少与太阳能光谱的交迭、激子扩散以及载流子传输，从而降低太阳能电池10的效率。
为了有助于提高太阳能电池10的效率，可以在层14和活性层18之间设置层16。在至少一些实施方案中，层16可以改性或以其它方式在层14上形成自组装单层。这样，在一些情况下，层16可以降低活性层18的吸收谱中的频率偏移(例如，蓝移)，并且可以有助于提高太阳能电池10的整体效率。
层16可以包括一种或多种合适的材料。在至少一些实施方案中，层16可以包括烷烃二硫醇。例如，层16可以包括十八烷硫醇，如上所述，这可以将吸收谱中的蓝移减少多至大约90％。可以利用其他的烷烃二硫醇和/或烷烃二硫醇的混合物。一些烷烃二硫醇可能是合意的，这是因为例如它们不与活性层18反应并且它们易于在层14上形成单层(例如，ZnO表面通过Zn-S键合)。此外，增加不同的烷烃二硫醇至活性层18以“改性”活性层18，可以有助于减少或使其他不想要的吸收偏移最小，这会提高太阳能电池10的效率。
用于制造太阳能电池10的示例方法可以包括在基板12上或者上方提供层14。如上所述，层14可以包括纳米支柱阵列(例如，纳米线、纳米管等等)。当这样提供时，所述纳米支柱阵列可以生长在或以其他方式提供在基板12上，例如通过电化学方法、物理方法、化学方法、压印等等。
可以将层16形成在纳米支柱阵列14上或上方。在一些情况下，可以通过将纳米支柱阵列14浸泡在在乙醇中的烷烃二硫醇溶液中来提供层16。例如，可以将纳米支柱阵列14浸泡在烷烃二硫醇的1mM溶液中大约72小时左右。浸泡之后，可以将涂敷有烷烃二硫醇的纳米支柱阵列从溶液中取出，冲洗(例如，用乙醇)并干燥(例如，用流动的氮)。
可以使用任何合适的方法将活性层18设置在层16上。在一个例子中，可以将用于活性层18的材料(例如，P3HT/PCBM)混合在合适的溶剂(例如，氯仿)中活性层并旋转涂敷到图案化的层14/16上。旋转涂敷方法可以有助于将活性层18分布到层14/16上的全部图案(当提供了时)上，例如填充纳米支柱之间的空间。例如，得到的活性层18可以约为80nm厚。可以在大约150℃、在氮气氛中对活性层18进行退火，并允许在大约45分钟内冷却到室温。可以使用任何合适的方法，例如电子束蒸发或溅射，将第二电极20设置在活性层18之上，第二电极20可以是铝或其他任何合适的材料。第二电极20可以具有约100nm的厚度，或者其他任何合适的厚度。这种方法可以容易地放大，对于包括使用大量或多片太阳能电池10在内的各种应用而言，这可以使制造像太阳能电池10一的太阳能电池更成本有效。
应该理解的是，本公开内容在许多方面仅是示例性的。可以在细节上进行变化而没有超出本发明的范围，尤其是形状、尺寸以及步骤安排上的变化。当然，本发明的范围限定在表达所附权利要求的语言中。

Claims (10)

1.太阳能电池(10)，包括：
基板(12)；
连接到所述基板(12)的纳米支柱阵列(14)；
设置在所述纳米支柱阵列(14)上的自组装单层(16)；以及
设置在所述自组装单层(16)上的活性层(18)。
2.权利要求1的太阳能电池(10)，其中所述基板(12)包括玻璃。
3.权利要求1-2中任一个的太阳能电池(10)，其中所述基板(12)包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
4.权利要求1-3中任一个的太阳能电池(10)，其中所述纳米支柱阵列(14)包括TiO2。
5.权利要求1-4中任一个的太阳能电池(10)，其中所述纳米支柱阵列(14)包括ZnO。
6.权利要求1-5中任一个的太阳能电池(10)，其中所述自组装单层(16)包括烷烃二硫醇层(14)。
7.权利要求6的太阳能电池(10)，其中所述自组装单层(16)包括十八烷硫醇。
8.权利要求1-7中任一个的太阳能电池(10)，其中所述活性层(18)选自包含有机小分子、聚合物、电子供体和电子受体的互穿网络、以及聚-3-己基噻吩和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯的互穿网络的组。
9.太阳能电池(10)，包括：
第一层(14)；
设置在所述第一层(14)上的烷烃二硫醇层(14)；以及
设置在烷烃二硫醇层(14)上的活性层(18)。
10.制造太阳能电池(10)的方法，包括：
提供基板(12)；
在所述基板(12)上方提供纳米支柱阵列(14)；
在所述纳米支柱阵列(14)上提供烷烃二硫醇单层(16)；以及在所述烷烃二硫醇单层(16)上提供活性层(18)。
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