CN102386332A

CN102386332A - 太阳能电池及其制备方法

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Publication number: CN102386332A
Application number: CN2010102669445A
Authority: CN
Inventors: 周明杰; 黄杰; 孙晓宇
Original assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: CN102386332B

Abstract

一种太阳能电池，包括：透明绝缘层；透明电极层，设于该透明绝缘层上；纳米颗粒层，设于该透明电极层上；第一光敏层，设于该纳米颗粒层上；第二光敏层，设于该第一光敏层上，该第一光敏层和该第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构；缓冲层，设于该第二光敏层上；及反射电极层，设于该缓冲层上。上述太阳能电池具有光电转化效率较高的优点。本发明还提供一种上述太阳能电池的制备方法。

Description

太阳能电池及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种有机小分子太阳能电池及其制备方法。

【背景技术】

太阳能电池是一种将光能转换为电能的光伏器件。自从1954年贝尔实验室报道了效率为4％的无机太阳能电池开始，半个世纪以来，太阳能电池获得了飞速的发展，在全球范围内都掀起来一场“绿色能源革命”。目前，基于单晶硅材料的太阳能电池已经可以达到25％的能量转换效率，已经接近了PN结光伏电池的最大效率极限。20世纪90年代以后，无机太阳能电池家族中又发展起来了砷化镓、碲化镉等等光伏器件。但是，直到今天，居高不下的成本是限制无机半导体太阳能电池大规模推广应用的首要问题。

最为廉价且有吸引力的太阳能电池材料非有机材料莫属。这一方面是由于有机材料本身价格比较低廉、其柔性性以及成膜性都比较高；另一方面，有机太阳能电池的加工过程相对无机电池较为简单，器件制作的成本也相对较低。同时有机太阳能电池还可以使用柔性衬底，具有便于携带、可卷曲的优势。因而，近二十年来，有机太阳能电池越来越受到学术界以及企业的关注。

有机太阳能电池的研究始于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，从而得到了200mV的开路电压，但是其短路电流输出则非常低，所以其能量转换效率也相对较低。这种单层有机太阳能电池结构，在1986年被C.W.Tang采用双层异质结结构所替代，得到了1％的能量转换效率。能量转换效率得到大幅提升的原因即是认为双层异质结结构提供一个高效的激子拆分的界面，也即是说双层异质结构使得中性的电子-空穴对拆分成自由载流子变得更加的容易。

在异质结有机小分子太阳能电池中，其光敏材料吸收太阳光之后产生激子，而激子是呈电中性的，因此光生激子必须迁移至给体受体异质结界面处才能高效地拆分成电子、空穴自由载流子，从而向外输出光电流。因此，异质结界面的激子拆分对于有机太阳能电池的转换效率有重要的影响。然而，激子在有机材料中的扩散长度是有限的，一般都在几十纳米之内，这样在有机太阳能电池器件中距离给体受体异质结界面较远处产生的激子就无法扩散到拆分界面而白白损失了。所以一般情况下，有机小分子太阳能电池的薄膜厚度都在几十纳米之内。但是，这样做的代价是牺牲了电池对太阳光的充分吸收。因为，较薄的有机小分子太阳能电池对于太阳光的吸收是不完全的。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能量转换效率较高的太阳能电池及其制备方法。

一种太阳能电池，包括：透明绝缘层；透明电极层，设于透明绝缘层上；纳米颗粒层，设于透明电极层上；第一光敏层，设于纳米颗粒层上；第二光敏层，设于第一光敏层上，第一光敏层和第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构；缓冲层，设于第二光敏层上；及反射电极层，设于缓冲层上。

由于在沉积了纳米颗粒修饰的透明电极层表面粗糙不平，所以在纳米颗粒上沉积的第一光敏层的表面也变得粗糙不平，这就使得第一光敏层与第二光敏层的接触面积增大。给体-受体异质结界面是光生激子拆分的主要区域，在增加了异质结界面的接触面积之后，光生激子拆分的区域得到了扩展，使得更多的激子可以得到有效的拆分，并形成光电流输出。这样，即在不降低厚度、不牺牲光吸收效率的前提下提高了激子的拆分效率，从而最终提高异质结有机小分子太阳能电池的能量转换效率。

在优选的实施例中，第一光敏层由电子给体材料构成，该第二光敏层由电子受体材料构成。

在优选的实施例中，该电子给体材料为酞菁染料、菁染料、并五苯及卟啉化合物中的至少一种；该电子受体材料为PTCDA、C₆₀、C₇₀、碳纳米管、石墨烯、二奈嵌苯及其衍生物中的至少一种，或为以下无机纳米材料中的至少一种：CdSe，CdS，CdTe，TiO₂，ZnO，PbS及SnO₂。

在优选的实施例中，该纳米颗粒层包含金属纳米颗粒，该金属纳米颗粒为Au、Be、Co、Pd、Pt纳米颗粒中的至少一种。

在优选的实施例中，该纳米颗粒层包含小分子纳米颗粒，该小分子纳米颗粒为CuPc，NPB及C₆₀中的至少一种。

在优选的实施例中，该缓冲层的材料为BCP、Alq₃及LiF中的至少一种。

在优选的实施例中，该反射电极层为具有金属薄膜的电极，该金属薄膜为Al、Ca-Al合金、Ba-Al合金及Mg-Ag合金薄膜中的至少一种。

在优选的实施例中，该透明电极层的材质为氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌镓、氧化铟锌、金薄膜、铝薄膜、银薄膜及碳纳米管薄膜中的至少一种。

在优选的实施例中，该透明绝缘层的材质为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯及聚酯中的至少一种。

一种太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：于一透明绝缘层上采用溅射的方式形成透明电极层；于透明电极层上采用真空蒸镀的方式形成纳米颗粒层；于纳米颗粒层上采用真空蒸镀的方式形成第一光敏层；于第一光敏层上采用真空蒸镀的方式形成第二光敏层，第一光敏层和第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构；于第二光敏层上采用真空蒸镀的方式形成缓冲层；及于缓冲层上采用真空蒸镀的方式形成反射电极层。

上述制备方法工艺简单、产品质量高、成本低，可广泛应用在太阳能电池的制造中。

【附图说明】

图1为一实施例的太阳能电池的剖面示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1，本实施例所提供的太阳能电池100为层叠结构，其包括透明绝缘层10、透明电极层20、纳米颗粒层30、第一光敏层40、第二光敏层50、缓冲层60及反射电极层70。

透明绝缘层10为有机太阳能电池100的基板，其大致为平板状。透明绝缘层10的材质可为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃及钠钙玻璃中的至少一种，或为聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)及聚酯(PET)中的至少一种。

透明电极层20大致呈平板状，其设于透明绝缘层10上。透明电极层20可为氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝(ZAO)、氧化锌镓(ZGO)及氧化铟锌(IZO)等氧化物透明电极，或为金薄膜、铝薄膜、银薄膜等金属薄膜电极或者碳纳米管导电薄膜电极等。透明电极层20可以作为电池的阳极。

纳米颗粒层30设于透明电极层20上，主要起到修饰透明电极层20表面形貌，增加给体-受体异质结界面接触面积，从而起到提高激子拆分效率的作用。纳米颗粒层30所包含的纳米颗粒可为金属纳米颗粒，例如Au、Be、Co、Pd、Pt等金属纳米颗粒，或为小分子纳米颗粒，例如酞菁铜(CuPc)，N，N′-二苯基-N，N′-(1-萘基)-1，1′-联苯-4，4′-二胺(NPB)，C₆₀等材料。

第一光敏层40设于纳米颗粒层30上，其由电子给体材料构成。该电子给体材料可为酞菁染料、菁染料、并五苯及卟啉化合物等。

第二光敏层50设于第一光敏层40上，其由电子受体材料构成。该电子受体材料可为苝四羧酸二酰亚胺(PTCDA)、C₆₀、C₇₀、碳纳米管、石墨烯、二奈嵌苯及其衍生物。由第一光敏层40和第二光敏层50所形成的电子给体-电子受体异质结结构是整个太阳能电池100吸收太阳光产生光电流、光电压的主要区域。

缓冲层60设于第二光敏层50上，其主要起到修饰反射电极层70与第二光敏层50之间界面的作用，一方面可以使其界面更加平整，另一方面也有利于界面的电荷传输，同时也可以对反射电极层70的功函数进行修饰，改善载流子的注入和输出特性。缓冲层60的材质可为BCP、8-羟基喹啉铝(Alq₃)、LiF等小分子。

反射电极层70设于缓冲层60上，其可为为金属薄膜电极，例如Al、Ca-Al合金、Ba-Al合金及Mg-Ag合金薄膜电极。反射电极层70可作为电池的阴极。

太阳能电池100工作时，太阳光从透明绝缘层10一侧入射。由于在沉积了纳米颗粒修饰的阳极表面粗糙不平(如图1所示)，所以在纳米颗粒上沉积的第一光敏层40的表面也变得粗糙不平，这就使得第一光敏层40与第二光敏层50的界面的粗糙度增加，从而使得其接触面积增大。图1中的第一光敏层40一般作为异质结有机小分子太阳能电池的电子给体，第二光敏层50一般作为电子受体。这样，通过在阳极表面沉积纳米颗粒之后，可以增加给体-受体异质结界面的接触面积。给体受体异质结界面是光生激子拆分的主要区域，在增加了异质结界面的接触面积之后，也意味着扩展了光生激子拆分的区域，使得更多的激子可以得到有效的拆分，并形成光电流输出。这样，即在不降低器件厚度、不牺牲光吸收效率的前提下提高了激子的拆分效率，从而最终提高异质结有机小分子太阳能电池的能量转换效率。

上述有机太阳能电池100的制备方法包括以下步骤：

(1)于一透明绝缘层上采用溅射的方式形成透明电极层。

以石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃或者其他透明绝缘材料作为透明绝缘层10，作为薄膜生长的衬底，在超声清洗之后，在其一侧采用溅射的方法，镀上一层金属氧化物导电薄膜。根据单层有机小分子太阳能电池器件制备的需求，将上述金属氧化物导电薄膜光刻腐蚀成所需要的条纹电极图样，作为透明电极层20，其根据器件需要可以作为阳极。

(2)于透明电极层上采用真空蒸镀的方式形成纳米颗粒层。

得到的透明导电玻璃经过去离子水、无水乙醇、丙酮的超声波清洗之后，通过手套箱、预处理室传送到真空蒸镀室中；采用真空蒸镀的方式在透明电极层20上面生长纳米颗粒，通过控制其生长速率以及蒸镀时间，得到高质量的纳米颗粒层30。

(3)于纳米颗粒层上采用真空蒸镀的方式形成第一光敏层。

采用真空蒸镀的方式在米颗粒层30上面生长电子给体材料，得到第一光敏层40，作为异质结有机小分子太阳能电池的给体。

(4)于第一光敏层上采用真空蒸镀的方式形成第二光敏层，第一光敏层和第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构。

采用真空蒸镀的方式在第一光敏层40上面生长电子受体材料，得到第二光敏层50，作为异质结有机小分子太阳能电池的受体层。

(5)于第二光敏层上采用真空蒸镀的方式形成缓冲层。

采用真空蒸镀的方式在第二光敏层50上面生长八羟基喹啉铝(Alq₃)等材料，作为缓冲层60。

(6)于缓冲层上采用真空蒸镀的方式形成反射电极层。

在缓冲层60上，采用真空蒸镀的方式，辅以相应的电极掩膜板，生长制备金属薄膜条纹电极，即形成的反射电极层70，根据器件需要，作为异质结有机小分子太阳能电池的阴极。

以下用具体实施例来进一步说明太阳能电池。

实施例一

实施例一的有机小分子太阳能电池的结构如图1所示，反射电极层70采用Al铝薄膜电极，缓冲层60采用Alq₃薄膜，第二光敏层50采用C₆₀薄膜，第一光敏层40采用CuPc薄膜，纳米颗粒层30采用Au金纳米颗粒，透明电极20采用ITO条纹电极，其方块电阻为15欧姆/□，透明绝缘层10采用石英玻璃。

其具体制备方法如下：

(1)选用1.1～1.5mm厚度的抛光石英玻璃作为透明绝缘层10，采用超声波的方法对石英玻璃进行清洗2～3个小时；

(2)采用溅射的方法在石英玻璃一侧生长一层ITO导电薄膜，作为透明电极层20。ITO薄膜厚度为100nm～120nm，对可见光透过率在85％以上；

(3)将ITO导电薄膜光刻蚀成所需要的条纹电极图样作为太阳能电池的阳极；

(4)整个ITO玻璃基板通过无水乙醇、丙酮的擦洗，并在去离子水中超声波清洗1～1.5小时，之后将ITO玻璃基板在130～150摄氏度的高温炉中烘烤10～15分钟；

(5)将样品从高温炉中取出，送入真空蒸镀系统的生长腔中，其真空度为10^-8～10^-7Torr，采用真空蒸镀的方式生长Au金纳米颗粒作为纳米颗粒层30，其厚度为1～3nm，生长速率为0.01～0.02nm/s；

(6)在Au金纳米颗粒之上采用真空蒸镀的方式生长CuPc薄膜电子给体层作为第一光敏层40，其厚度为20～30nm，生长速率为0.01～0.05nm/s；

(7)在CuPc薄膜之上真空蒸镀C₆₀电子受体层，作为第二光敏层50，其厚度为40～60nm，生长速率为0.02～0.05nm/s；

(8)在C₆₀电子受体层之上真空蒸镀Alq₃薄膜作为缓冲层60，其厚度为6～10nm，生长速率为0.01～0.02nm/s；

(9)在Alq₃薄膜之上辅以条纹掩膜板真空蒸镀100～120nm厚度Al铝条纹电极作为反射电极层70及太阳能电池的阴极，生长速率为0.11～0.15nm/s。至此即完成了实施例一的异质结有机小分子太阳能电池的制备。

实施例二

实施例二的有机小分子太阳能电池的结构如图1所示，反射电极层70采用Ag银薄膜电极，缓冲层60采用LiF薄膜，第二光敏层50采用C₆₀薄膜，第一光敏层40采用并五苯薄膜，纳米颗粒层30采用NPB纳米颗粒，透明电极层20采用ITO条纹电极，其方块电阻为15欧姆/□，透明绝缘层10采用石英玻璃。

其具体制备方法如下：

(1)选用1.1～1.5mm厚度的抛光石英玻璃作为透明绝缘层10，采用超声波的方法对石英玻璃进行清洗2～2.5个小时；

(2)采用溅射的方法在石英玻璃一侧生长一层ITO导电薄膜，作为透明电极层20。ITO薄膜厚度为80nm～100nm；

(4)整个ITO玻璃基板通过无水乙醇、丙酮的擦洗，并在去离子水中超声清洗1.5～2小时，之后将ITO玻璃基板在120～150摄氏度的高温炉中烘烤12～15分钟；

(5)将样品从高温炉中取出，送入真空蒸镀系统的生长腔中，其真空度为10^-8～10^-7Torr，采用真空蒸镀的方式生长NPB纳米颗粒作为纳米颗粒层30，其厚度为3～6nm，生长速率为0.02～0.03nm/s；

(6)在NPB纳米颗粒之上采用真空蒸镀的方式生长并五苯薄膜作为第一光敏层40，其厚度为15～30nm，生长速率为0.01～0.04nm/s；

(7)在并五苯薄膜之上，真空蒸镀C60电子受体层，作为第二光敏层50，其厚度为35～50nm，生长速率为0.03～0.04nm/s；

(8)在C₆₀电子受体层之上真空蒸镀LiF薄膜作为缓冲层60，其厚度为5～8nm，生长速率为0.02～0.03nm/s；

(9)在LiF薄膜之上辅以条纹掩膜板真空蒸镀80～100nm厚度Ag银条纹电极作为反射电极层70及太阳能电池的阴极，生长速率为0.1～0.2nm/s。至此即完成了实施例二的异质结有机小分子太阳能电池的制备。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

透明绝缘层；

透明电极层，设于该透明绝缘层上；

纳米颗粒层，设于该透明电极层上；

第一光敏层，设于该纳米颗粒层上；

第二光敏层，设于该第一光敏层上，该第一光敏层和该第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构；

缓冲层，设于该第二光敏层上；及

反射电极层，设于该缓冲层上。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该第一光敏层由电子给体材料构成，该第二光敏层由电子受体材料构成。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：该电子给体材料为酞菁染料、菁染料、并五苯及卟啉化合物中的至少一种；该电子受体材料为PTCDA、C₆₀、C₇₀、碳纳米管、石墨烯、二奈嵌苯及其衍生物中的至少一种，或为以下无机纳米材料中的至少一种：CdSe，CdS，CdTe，TiO₂，ZnO，PbS及SnO₂。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该纳米颗粒层包含金属纳米颗粒，该金属纳米颗粒为Au、Be、Co、Pd、Pt纳米颗粒中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该纳米颗粒层包含小分子纳米颗粒，该小分子纳米颗粒为CuPc，NPB及C₆₀中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该缓冲层的材质为BCP、Alq₃及LiF中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该反射电极层为具有金属薄膜的电极，该金属薄膜为Al、Ca-Al合金、Ba-Al合金及Mg-Ag合金薄膜中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该透明电极层的材质为氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌镓、氧化铟锌、金薄膜、铝薄膜、银薄膜及碳纳米管薄膜中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该透明绝缘层的材质为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯及聚酯中的至少一种。

10.一种太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

于一透明绝缘层上采用溅射的方式形成透明电极层；

于该透明电极层上采用真空蒸镀的方式形成纳米颗粒层；

于该纳米颗粒层上采用真空蒸镀的方式形成第一光敏层；

于该第一光敏层上采用真空蒸镀的方式形成第二光敏层，该第一光敏层和该第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构；

于该第二光敏层上采用真空蒸镀的方式形成缓冲层；及

于该缓冲层上采用真空蒸镀的方式形成反射电极层。