CN102201288A - 太阳能电池 - Google Patents

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黄杰
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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池，从下至上依次包括第一电极、第一光敏层、第二光敏层、第二电极和下转换层，所述第一光敏层与第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结。本发明的太阳能电池对太阳光光谱的利用率高，克服了载流子的热效应问题，极大地提高了太阳能电池的能量转换效率。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及将光能转换为电能的装置，更具体地说，涉及太阳能电池。
背景技术
随着化石燃料的不断消耗以及环境污染的日益严重，人们对可再生能源的开发需求日益迫切。太阳能作为典型的可再生能源，凭借无污染、便捷的来源方式等诸多优点，被认为是最具有应用前景和应用价值的绿色能源。据统计，太阳对地球一天辐照所传递的能量就足以让地球上的60多亿居民按照目前的能量消费增长速度使用27年。太阳能电池受到阳光照射时，可在无机械转动或污染性副产物的情况下直接将光能转换为电能。近年来，对太阳能电池的研究开发进展尤为迅速。但是，目前全球太阳能电池的安装容量仍十分有限，这是因为现有太阳能电池主要是无机硅电池或半导体光伏电池，其价格过于昂贵，超出人们普遍能够接受的范围。
有机太阳能电池是近二十年来才发展起来的新型低成本太阳能电池，其具有高效的给体-受体拆分界面、种类繁多的有机材料以及其低廉的成本等特点，有望使太阳能真正成为改变人类生活习惯的能源。有机太阳能电池的研究可以追溯到上世纪中叶，1958年，Kearns和Calvin将镁酞菁染料(MgPc)夹在两个不同功函数的电极之间，制成“三明治”结构的太阳能电池，得到了200mV的开路电压。1985年C.W.Tang第一次将电子给体-电子受体异质结构引入有机太阳能电池中，使其能量转换效率提高到了1％，使人们认识到了有机太阳能电池的巨大潜力。近二十年来，固态有机太阳能电池已经取得了显著的进展，但是其效率仍然无法满足大规模工业化的要求，所以，如何提高有机太阳能电池的能量转换效率成为影响其广泛应用的问题。
对于有机小分子太阳能电池来讲，影响其能量转换效率的因素有很多，其中一个比较突出的原因即有机小分子材料对太阳光谱利用率低，其对太阳光的吸收主要集中在可见光区域(波长范围380nm-780nm)，对紫外光部分(波长范围＜380nm)则吸收较少；而且，有机小分子材料对高能光子的吸收会产生载流子的热效应，对有机小分子太阳能电池器件的性能有很大的不利影响，也是限制其能量转换效率的一个因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光谱利用率高、无载流子热效应的太阳能电池。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳能电池，从下至上依次包括第一电极、第一光敏层、第二光敏层、第二电极和下转换层，所述第一光敏层与第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结。所述第一光敏层和所述第二光敏层吸收太阳光，并作为载流子传输层，其形成的电子给体-电子受体结构是光生激子拆分的主要区域。若第一光敏层与第二光敏层中有一层采用电子给体材料，则另外一层采用电子受体材料。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，所述下转换层为掺杂有Y3+、Er3+、Tb3+、Eu3+、Pr3+、Tm3+、Gd3+、Nd3+、Tb3+/Yb3+、Pr3+/Yb3+、Gd3+/Eu3+或Tm3+/Yb3+的卤化物、氧化物、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钒酸盐或者它们的混合物，“/”表示同时掺杂两种离子。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，还包括透明绝缘层，所述透明绝缘层位于所述第二电极与下转换层之间。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，所述透明绝缘层为透明玻璃层或透明绝缘塑胶层，进一步优选地，所述透明绝缘层为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)或聚酯(PET)。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，还包括缓冲层，所述缓冲层至少位于第一电极与第一光敏层之间、第二光敏层与第二电极之间二者中一处。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，所述缓冲层由聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲咯啉(BCP)、Alq3或LiF制成。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，所述第一电极为对光的反射率在80％以上的电极。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，所述第一电极为Au、Ag、Al、Ca-Al、Mg-Ag、ITO或ZnO薄膜电极。
在本发明所述的太阳能电池中，优选地，所述第二电极为ITO、AZO、GZO、IZO、Au、Al、Ag或碳纳米管薄膜电极。
本发明的太阳能电池中有下转换层，太阳光从下转换层一侧入射，经过下转换过程，通过中间亚稳态将高能量紫外光波段光子转换为可见光波段光子，然后由第一光敏层与第二光敏层形成的电子给体-电子受体异质结结构吸收并转换为自由载流子，实现载流子倍增，经由载流子传输层导出后形成光电流，提高了太阳能电池对太阳光的利用率，从而提升了太阳能电池的光电转换性能。而且，本发明的下转换层将高能光子转换为可见光波段光子后，避免了太阳能电池因吸收高能光子而产生的载流子的热效应。下转换结构通过量子效率大于100％的能量下转换量子剪裁原理，使用下转换材料的“光谱调控”功能，在下转换材料中的稀土离子吸收不能被太阳能电池充分吸收利用的高能量紫外光波段光子后，通过下转换材料的中间亚稳态转换成多个低能量的可见光波段光子，从而实现载流子倍增，增强了太阳能电池对紫外高能光子的吸收利用，提高了能量转换效率。
本发明的太阳能电池，在下转换层与第二电极之间设有透明绝缘层，将下转换层与太阳能电池单元在电学上相互独立，避免了下转换材料对太阳能电池光电转换的影响，并且能够分别对下转换结构和太阳能电池单元进行相互独立的性能优化，从而达到太阳能电池系统的性能最优。
本发明的太阳能电池还设有缓冲层，其主要起到修饰电极与光敏层之间界面的作用，一方面使界面更加平整，一方面也有利于界面的电荷传输，并对电极的功函数进行修饰，改善载流子的注入和输出特性。另外，缓冲层还有阻挡激子的作用。
本发明的太阳能电池的第一电极采用高反射率的材料作为电极，减少了太阳光的损耗，提高了太阳能电池对太阳光的利用率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明较优实施例的太阳能电池的结构示意图。
图中标号说明：1……第一电极    2……缓冲层
3……第一光敏层    4……第二光敏层
5……缓冲层        6……第二电极
7……透明绝缘层    8……下转换层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
图1是本发明的太阳能电池的结构示意图。如图1所示，本发明的太阳能电池，在太阳能电池的最上面一层设有下转换层8。本发明的太阳能电池，通过下转换层8对高能量的紫外光波段光子的吸收，将其转换成可见光波段的光子被太阳能电池吸收和利用，实现了载流子倍增，提高了对太阳光谱的利用率，同时也使太阳能电池避免了因吸收高能量的光子带来的载流子的热效应问题。
如图1所示，本发明的太阳能电池至少包括第一电极1、第二电极6、第一光敏层3、第二光敏层4和下转换层8。第一电极1优选使用对光的反射率高的电极，如反射率达到80％以上。作为第一电极1使用的材料，可选用但不限于例如金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、钙-铝(Ca-Al)或镁-银(Mg-Ag)等金属薄膜电极，或者选用氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)等金属氧化物薄膜电极。第一电极1作为太阳能电池的阳极或阴极使用。
第二电极6位于下转换层8下方，优选使用透光率好的透明电极，具体而言，可选用但不限于ITO、氧化锌铝(AZO)、氧化锌镓(GZO)、氧化铟锌(IZO)等氧化物透明电极，或者选用Au、Al或Ag金属薄膜电极，或者选用碳纳米管导电薄膜电极。第二电极6作为太阳能电池的阳或阴极使用，当第一电极1为阳极时，第二电极6为阴极；反之，第一电极1为阴极，第二电极6为阳极。
第一光敏层3和第二光敏层4组成电子给体-电子受体异质结结构，是太阳能电池吸收太阳光产生光电流、光电压的主要区域。第一光敏层3和第二光敏层4所用半导体材料的导电类型不同，若第一光敏层3为电子给体材料，则第二光敏层4为电子受体材料；反之，若第一光敏层3为电子受体材料，则第二光敏层4为电子给体材料。电子给体材料具体而言，可选用酞菁染料、并五苯、卟啉化合物或菁染料等；作为电子受体材料，可选用但不限于如PTCDA、C60、C70、二奈嵌苯及其衍生物，或者CdSe、CdS、CdTe、TiO2、ZnO、PbS或SnO2等无机纳米材料，以及碳纳米管或石墨烯材料等。
下转换层8位于太阳能电池的最上面，下转换层8是具有下转换功能的材料，优选使用掺杂有稀土离子的具有下转换功能的材料，例如掺杂有Y3+、Er3+、Tb3+、Eu3+、Pr3+、Tm3+、Gd3+、Nd3+、Tb3+/Yb3+、Pr3+/Yb3+、Gd3+/Eu3+或Tm3+/Yb3+的卤化物、氧化物、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钒酸盐或者它们的组合物，其中，卤化物优选为氟化物，氧化物可以是稀土氧化物、氧化锌、氧化锆或复合氧化物。具体地，下转换层8例如可以是但不限于掺杂有上述稀土离子的YF3、LiGdF4、KYF4、LiYF4、K2GdF5、BaF2、LaVO4、GdBO3、GdAl3(BO3)4。
图2是本发明较优实施例的太阳能电池的结构示意图。如图2所示，本发明较优实施例的太阳能电池包括第一电极1、第二电极6、第一光敏层3、第二光敏层4和下转换层8，还包括缓冲层2、5和透明绝缘层7。缓冲层2位于第一电极1和第一光敏层3之间，缓冲层5位于第二光敏层4和第二电极6之间，其主要起到修饰电极与光敏层之间界面的作用，使界面更加平整。缓冲层也有利于电极和光敏层之间界面的电荷传输，并对电极的功函数进行修饰，改善载流子的注入和输出特性，而且，缓冲层还具有阻挡激子的作用。作为缓冲层，可以选用但不限于PEDOT:PSS等聚合物导电薄膜，或者BCP、Alq3、LiF等小分子材料。
透明绝缘层7位于第二电极6与下转换层8之间，将下转换层8与由第一电极1、第二电极6、第一光敏层3、第二光敏层4等组成的太阳能电池单元隔开，使下转换层8与太阳能电池的工作相互独立，互不干扰，避免了下转换层对太阳能电池光电转换的影响。透明绝缘层7具体而言，为透明玻璃层或透明绝缘塑胶层，可选用但限于例如石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)或聚酯(PET)。
下面结合图2，以本发明较优实施例的太阳能电池为例，说明本发明的太阳能电池的制备方法：
①以透明玻璃或透明绝缘塑胶层作为透明绝缘层7，将其作为薄膜生长的衬底，在其一侧溅射一层金属氧化物薄膜或蒸镀一层金属薄膜，蚀刻形成第二电极6；
②在第二电极6上利用旋涂制备PEDOT:PSS，或者蒸镀生长BCP、Alq3、LiF等小分子材料，作为缓冲层5；
③在缓冲层5上真空蒸镀生长电子给体或电子受体材料作为第二光敏层4；
④在第二光敏层4上真空蒸镀生长电子受体或电子给体材料作为第一光敏层3，使第一光敏层3与第二光敏层4形成电子给体-电子受体异质结；
⑤在第一光敏层3上利用旋涂制备PEDOT:PSS，或者蒸镀生长BCP、Alq3、LiF等小分子材料，作为缓冲层2；
⑥在缓冲层2上蒸镀金属薄膜电极或溅射金属氧化物薄膜电极，作为第一电极1；
⑦在透明绝缘层7的另一侧利用溶胶-凝胶法制备具有下转换功能的薄膜，作为下转换层8。
虽然上述方法是以本发明的较优实施例的太阳能电池为例进行描述的，但是，当太阳能电池中不包括缓冲层2、5或透明绝缘层7时，可省去相应的制备步骤。
实施例1
本实施例的太阳能电池的结构如图2所示，第一电极1采用Al薄膜电极，缓冲层2采用Alq3薄膜，第一光敏层3采用C60薄膜，第二光敏层4采用CuPc酞菁铜薄膜，缓冲层5采用PEDOT:PSS聚合物导电薄膜，第二电极6采用ITO薄膜电极，透明绝缘层7采用石英玻璃，下转换层8采用Eu3+掺杂的LiGdF4薄膜。
具体制备过程如下：
①在厚度为1.1mm的石英玻璃一侧溅射制备一层ITO导电薄膜，蚀刻形成太阳能电池的阳极，ITO导电薄膜的厚度约110nm，方块电阻为15欧姆/方；
②在ITO导电薄膜上采用旋涂制备PEDOT:PSS薄膜，旋涂转速为5000rpm，厚度约40nm，并将样品置入烘箱内，在150摄氏度烘烤15分钟；
③将样品从烘箱中取出，并送入真空蒸镀系统的生长腔中，其真空度为10-8Torr左右，采用真空蒸镀的方式生长CuPc酞菁铜薄膜作为电子给体层，其厚度为26nm，生长速率为0.04nm/s；
④在CuPc酞菁铜薄膜上真空蒸镀C60薄膜作为电子受体层，厚度为45nm，生长速率为0.05nm/s；
⑤在C60薄膜上真空蒸镀Alq3薄膜，厚度为6.5nm，生长速率为0.02nm/s；
⑥在Alq3薄膜上通过条纹电极掩模板真空蒸镀厚度为120nm的Al薄膜电极，生长速率为0.15nm/s；
⑦在石英玻璃未镀膜的一侧，采用溶胶-凝胶方法制备一层Eu3+掺杂的LiGdF4薄膜，最后整个器件在110℃退火15分钟。
本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种太阳能电池，其特征在于，从下至上依次包括第一电极、第一光敏层、第二光敏层、第二电极和下转换层，所述第一光敏层与第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述下转换层为掺杂有Y3+、Er3+、Tb3+、Eu3+、Pr3+、Tm3+、Gd3+、Nd3+、Tb3+/Yb3+、Pr3+/Yb3+、Gd3+/Eu3+或Tm3+/Yb3+的卤化物、氧化物、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钒酸盐或者它们的混合物。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括透明绝缘层，所述透明绝缘层位于所述第二电极与下转换层之间。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述透明绝缘层为透明玻璃层或透明绝缘塑胶层。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述透明绝缘层为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚酯。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括缓冲层，所述缓冲层至少位于第一电极与第一光敏层之间、第二光敏层与第二电极之间二者中一处。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述缓冲层由PEDOT：PSS、BCP、Alq3或LiF制成。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一电极为对光的反射率在80％以上的电极。
9.根据权利要求1或8所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一电极为Au、Ag、Al、Ca-Al、Mg-Ag、ITO或ZnO薄膜电极。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第二电极为ITO、AZO、GZO、IZO、Au、Al、Ag或碳纳米管薄膜电极。
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