CN102394271A - 一种有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种有机太阳能电池，包括：基板、阴极、电子收集层、活性层、空穴收集层和阳极。其中电子收集层由极性有机小分子薄膜组成，该极性有机小分子层在可见光照射下既可以改变材料的表面电势，从而调制阴极与电子收集层之间形成欧姆接触，提高开路电压；又可以减小界面电势，降低电池的串联电阻，提高了电子的传输，进而提高了有机太阳能电池的效率。同时，本发明还提出了一种上述太阳能电池的制备方法。

Description

一种有机太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是一种有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术

能源是制约社会发展的全球性问题，而太阳能则是未来最有希望的能源之一。因此，基于光伏效应将太阳能转换为电能的光伏太阳能电池越来越受到重视。目前太阳能电池分为无机太阳能电池(硅太阳能电池)和有机太阳能电池。其中，有机太阳能电池是指由有机材料构成核心部分的太阳能电池。基于有机材料的太阳能电池由于其原料易得，制备工艺简单、环境稳定性高、而且有良好的光伏效应，因此日益被人们重视。

现有的有机太阳能电池包括：阳极、空穴收集层、活性层(也称激子产生层或载流子产生层)、电子收集层和阴极，如，ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al。一般采用在玻璃或塑料基板上制作透明导电氧化物镀膜层(TCO，Transparent Conducting Oxide)，如TCO镀膜层可以为氧化铟锡ITO薄膜，将TCO镀膜层作为有机太阳能电池的阳极基片，而采用PEODT:PSS材料(即聚3，4乙烯二氧噻吩：聚4-甲苯磺酸)作为空穴收集层。但目前有机太阳能电池的转换效率和工作寿命是限制该技术商业化的主要技术问题。因此，迫切需要寻找积极有效、成本较低的方法来制备高效率、长寿命有机太阳能电池。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种有机太阳能电池及其制备方法，基于本发明结构的太阳能电池可以在较低的工艺温度下实现，具有与塑料基板兼容的特性，具有较高的转化效率、且使用寿命增长。

为实现以上目的，本发明提供了如下技术方案：

该太阳能电池包括：

基板，所述基板为透明玻璃或透明塑料；

阴极，所述阴极为透明导电氧化物镀膜层或金属层；

电子收集层，所述电子收集层为极性有机小分子层；

活性层、所述活性层包括聚合物给体-受体混合层；

空穴收集层，所述空穴收集层为过渡金属氧化物层或者导电聚合物层；以及

阳极，所述阳极为透明导电氧化物镀膜层或金属层。

优选的，所述极性有机小分子层为三(8-羟基喹啉)铝、酞菁氧钛、酞菁铅、或酞菁氯铝中的一种或几种混合物。

优选的，所述极性有机小分子层的单个分子极性分布和表面电势在白光照射下发生改变。

优选的，所述电子收集层的厚度为1～200nm。

优选的，所述过渡金属氧化物层为三氧化钼、三氧化钨或五氧化二钒中的一种或几种混合物。

优选的，所述导电聚合物层为聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐。

优选的，所述透明导电氧化物层为氧化铟锡、铝锌氧化物或氟氧化锡中的一种或几种混合物。

优选的，所述金属层为铝、镁、银、金或铜中的一种。

优选的，所述阴极、电子收集层、活性层、空穴收集层和阳极依次设置于所述基板上，或者所述阳极、空穴收集层、活性层、电子收集层和阴极依次设置于所述基板上。

优选的，所述太阳能电池还包括：缓冲层，设置于所述阴极和所述电子收集层之间，或者设置于所述阳极和所述空穴收集层之间，该缓冲层由金属氧化物或氟化物材料构成。

该制备方法包括步骤：

在基板上涂布透明导电氧化物层或金属层作为阴极；

在所述阴极上沉积极性有机小分子层作为电子收集层；

将形成有电子收集层的基板放入手套箱中，在所述电子收集层上旋涂聚合物给体-受体的混合溶液，得到活性层；

在所述活性层上制作空穴收集层；

在空穴收集层上沉积透明导电氧化物层或金属层，生成该有机太阳能电池的阳极。

或者该制备方法包括步骤：

在基板上涂布透明导电氧化物层或金属层作为阳极；

在所述阳极上沉积空穴收集层；

将形成有空穴收集层的基板放入手套箱中，在所述空穴收集层上旋涂聚合物给体-受体的混合溶液，得到活性层；

在所述活性层上制作极性有机小分子层作为电子收集层；

在电子收集层上沉积透明导电氧化物层或金属层，生成该有机太阳能电池的阴极。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种有机太阳能电池及其制备方法，本发明的有机太阳能电池的器件结构可采用正置结构，也可采用倒置结构。

同时，本发明中的有机太阳能电池中设有基于极性有机小分子薄膜组成的电子收集层。一方面，可见光可以改变该类极性分子材料的表面电势，从而调制阴极与电子收集层之间形成欧姆接触，提高开路电压；另一方面，可见光可以减小界面电势，降低电池的串联电阻，提高了电子的传输，进而提高了有机太阳能电池的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施方式下的有机太阳能电池各层分布结构的示意图；

图2是本发明第二实施方式下的有机太阳能电池各层分布结构的示意图；

图3是本发明第一实施方式下的有机太阳能电池制作方法的流程示意图；

图4是本发明第二实施方式下的有机太阳能电池制作方法的流程示意图；

图5是6个有机太阳能电池在100W/cm2的太阳光的照射下所得到的I-V曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中有机太阳能电池效率较低，使用寿命较短的问题，本发明提供了一种有机太阳能电池，该太阳能电池的组成结构包括：基板、阴极、电子收集层、活性层、空穴收集层和阳极；其中，基板为透明玻璃或透明塑料；阴极为透明导电氧化物镀膜层(TCO)或金属膜层；电子收集层为极性有机小分子层，该极性有机小分子可以三(8-羟基喹啉)铝(Alq₃)、酞菁氧钛(AlClPc)、酞菁铅(PbPc)或酞菁氯铝(TiOPc)中的一种或几种混合；活性层由聚合物给体-受体混合溶液旋涂制成，聚合物混合溶液包括聚-3烷基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)混合物；该空穴收集层可以是过渡金属氧化物或者导电聚合物层，所述过度金属氧化物可以为三氧化钼、三氧化钨或五氧化二钒中的一种或几种混合物，所述导电聚合物为聚(3，4-乙撑二氧噻吩)(PEODT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)材料构成；该阳极为透明导电氧化物镀膜层TCO或金属层。构成阴极或阳极的金属层可以为铝、镁、银、铜中的任一种，或者是任几种的组合，如阳极的金属电极可以为铝镁合金等。形成阴极或阳极的透明导电氧化物TCO薄膜根据需要进行选择，具体的该TCO薄膜可以为氧化铟锡ITO、铝锌氧化物AZO或氟氧化锡TFO等。沉积形成的电子收集层的厚度可以根据需要设定，具体的可以将该电子收集层的厚度设置在1～200nm之间。

需要说明的是，在满足有机太阳能电池光电效应的前提下，本发明中有机太阳能电池的组成结构中各层分布顺序可以发生变化，参见图1和图2，为本发明的有机太阳能电池的两种实施方式下各层分布结构的示意图。其中，本发明的有机太阳能电池结构可以为倒置结构，即将阴极2、电子收集层3、活性层4、空穴收集层5和阳极6依次设置于玻璃或塑料基板1上。另外，本发明的有机太阳能电池结构可以为正置结构，即将阳极6、空穴收集层5、活性层4、电子收集层3和阴极2依次设置于玻璃或塑料基板1上。

同时，本发明中的有机太阳能电池中设有基于极性有机小分子薄膜组成的电子收集层。本发明中的有机太阳能电池在制备完成之后可以在普通太阳光或者白光照射下放置0～120分钟，电池的性能稳步提升并逐渐达到饱和。一方面，可见光可以改变该类极性分子材料的表面电势，从而调制TCO层与活性层之间形成欧姆接触，提高开路电压；另一方面，可见光可以减小了极性分子的界面电势，从而提高了电子的传输，降低电池的串联电阻，进而提高了有机太阳能电池的效率。

为了能清楚的描述本发明的有机太阳能电池的结构，下面将对本发明的有机太阳能电池的制备过程进行描述。

参见图3，为本发明的第一实施方式下一种有机太阳能电池的制作方法的流程示意图，本实施例的制作方法包括：

步骤S11：在透明玻璃或透明塑料基板上涂布透明导电氧化物TCO或金属薄膜，将形成的TCO镀膜层或金属膜层作为阴极。

当完成在玻璃基板上涂布阴极的步骤后，可以将涂布有阴极的玻璃和/或基板放入超声水浴中，并分别利用丙酮、无水乙醇和去离子水作为溶剂对所述阴极各超声清洗指定时间，如可以设定时间为20min，之后进行烘干。

步骤S12：在阴极上沉积极性有机小分子层作为电子收集层，该极性有机小分子材料为Alq3、AlClPc、PbPc或TiOPc中的一种或几种混合，得到厚度在200nm以下的极性有机小分子层。

在制备有阴极的玻璃或塑料基板上，沉积极性有机小分子，包括Alq3、AlClPc、PbPc或TiOPc，该材料为电子收集层。沉积极性有机小分子过程是在真空室内进行的。在沉积电子收集层的过程中，有机小分子的沉积速度可以根据实际需要设定，具体的该有机小分子的沉积速度可以为0.2-10nm/sec。

沉积极性有机小分子得到的电子收集层的厚度也可以根据实际需要设定，可以将该电子收集层的厚度设置在1～200nm之间。

步骤S13：在形成有电子收集层的基板放入手套箱中，在所述电子收集层上旋涂聚合物给体-受体混合溶液，得到活性层。

将已经沉积有电子收集层的玻璃和/或塑料基板放入充满氮气的手套箱中，在电子收集层之上旋涂聚合物给体-受体混合溶液活性层，该聚合物给体-受体混合溶液包括但不限于聚-3烷基噻吩和富勒烯衍生物混合物(P3HT:PCBM)。具体的进行旋涂时的旋转速度以及旋涂时间可以根据需要设定，如旋涂时旋转速度可以为2000r/min，旋涂时间为60s。并在旋涂完成后在手套箱中对基板加热至指定温度(如，可以为120℃)，并保持该指定温度一定时间，直至由聚合物给体-受体混合溶液形成的活性层比较稳定。

步骤是S14：在所述活性层上制作空穴收集层。

在形成的活性层上可以制作空穴收集层，制作空穴收集层可以采用与现有相同的材料，即采用PEODT:PSS来制备空穴收集层。

当然，本发明还可以采用在活性层上沉积过渡金属氧化物作为空穴收集层，所述过渡金属氧化物可以为三氧化钼(MoO₃)、三氧化钨(WO₃)、五氧化二钒(V₂O₅)等来生成空穴收集层。在活性层上沉积过渡金属氧化物的过程也是在真空环境下进行的，如可以在真空室内完成。

步骤S15：在空穴收集层沉积预定厚度的透明导电氧化物层或金属层，生成有机太阳能电池的阳极。

在空穴收集层沉积的导电氧化物可以为：氧化铟锡(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或氟氧化锡(TFO)等。在空穴收集层沉积的金属层的材料可以为：铝、镁、银、金和/或铜。沉积金属材料时的速度可以为0.5nm/sec，当然也可以根据需要进行设定。

通过本发明的有机太阳能制作方法制作出的具有以上所述结构的有机太阳能电池中，与阴极相邻为电子收集层，电子收集层中的极性有机小分子是中性物质，可以避免对阴极的TCO的腐蚀，而且该电子收集层可以在室温下形成，不需要加热或退火处理，可以适用于塑料等柔性基板。

参见图4，为本发明的第二实施方式下的一种有机太阳能电池的制作方法的流程示意图，本实施例的制作方法包括：

步骤S21：在透明玻璃或透明塑料基板上涂布透明导电氧化物TCO或透明金属薄膜，将形成的TCO层或透明金属层作为阳极。

当完成在玻璃基板上涂布阳极的步骤后，可以将涂布有阳极的玻璃或塑料基板放入超声水浴中，并分别利用丙酮、无水乙醇和去离子水作为溶剂对所述阳极各超声清洗指定时间，如可以设定时间为20min，之后进行烘干。

步骤S22：在阳极上沉积空穴收集层。

在形成的阳极上可以制作空穴收集层，制作空穴收集层可以采用与现有相同的材料，即采用PEODT:PSS来制备空穴收集层。

当然，本发明还可以采用在活性层上沉积过渡金属氧化物作为空穴收集层，所述过渡金属氧化物可以为三氧化钼(MoO₃)、三氧化钨(WO₃)、五氧化二钒(V₂O₅)等来生成空穴收集层。在阳极上沉积过渡金属氧化物的过程也是在真空环境下进行的，如可以在真空室内完成。

步骤S23：在形成有空穴收集层的基板放入手套箱中，在所述空穴收集层上旋涂聚合物给体-受体混合溶液，得到活性层。

将已经沉积有空穴收集层的玻璃或塑料基板放入充满氮气的手套箱中，在空穴收集层之上旋涂聚合物给体-受体混合溶液活性层，该聚合物给体-受体混合溶液可以为聚-3烷基噻吩和富勒烯衍生物混合物(P3HT:PCBM)。具体的进行旋涂时的旋转速度以及旋涂时间可以根据需要设定，如旋涂时旋转速度可以为2000r/min，旋涂时间为60s。并在旋涂完成后在手套箱中对基板加热至指定温度(如，可以为120℃)，并保持该指定温度一定时间，直至由聚合物给体-受体混合溶液形成的活性层比较稳定。

步骤S24：在所述活性层上制作电子收集层。

在形成的活性层上可以制作基于极性有机小分子材料的电子收集层，所述极性有机小分子包括Alq3、AlClPc、PbPc或TiOPc等，得到厚度在200nm以下的极性有机小分子层。

在活性层上沉积极性有机小分子过程也是在真空环境下进行的，如可以在真空室内完成。在沉积电子收集层的过程中，有机小分子的沉积速度可以根据实际需要设定，具体的该有机小分子的沉积速度可以为0.2-10nm/sec。

沉积极性有机小分子得到的电子收集层的厚度也可以根据实际需要设定，可以将该电子收集层的厚度设置在1～200nm之间。

步骤S25：在电子收集层上沉积预定厚度的透明导电氧化物层或金属层，生成有机太阳能电池的阴极。

在电子收集层沉积的透明导电氧化物可以为氧化铟锡(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或氟氧化锡(TFO)等。在电子收集层沉积的金属层的材料可以为铝、镁、银、金或铜等。沉积金属材料时的速度可以为0.5nm/sec，当然也可以根据需要进行设定。

通过本发明的有机太阳能制作方法制作出的具有以上所述结构的有机太阳能电池中，电子收集层中的极性有机小分子可以在室温下形成，不需要加热或退火处理，可以适用于塑料等柔性基板。

电子收集层中的极性有机小分子材料，例如Alq₃，可以调制阴极的功函数，使之有效形成能级匹配，另外Alq₃是一迁移率比较高的电荷传输材料，在合适的能级匹配下可以实现较高的电荷收集效率。另外，经过光照处理之后，Alq₃表面势会逐渐降低，从而TCO可以与活性层之间形成欧姆接触，提高开路电压。

本发明的有机太阳能电池，能够使太阳能电池器件的短路电流、开路电压、填充因子和转换效率均得到提高。为了能清楚的表明本发明的有机太阳能电池具有以上优点，参见如下表1：

表1

其中，编号为1～6的本发明的有机太阳能电池对应不同照射时间处理的太阳能电池器件的性能。

由表可以看出，经过40min的白光照射处理，本发明提供的有机太阳能电池的开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率都是各个电池里面最高的。

参考图5，图5是上述6个有机太阳能电池在100W/cm2的太阳光的照射下所得到的I-V曲线图，白色方形所构成的曲线为有机太阳能电池在光照时间为0min下所得的I-V曲线图，其他的依次类推。由图可知，这6个有机太阳能电池在100W/cm2太阳光的照射下时，随着白光照射处理时间的增加，其光生电流变化不大，开路电流呈上升趋势，并达到饱和。同时I-V曲线的饱和度增加，即填充因子增加，因此，通过白光照射处理，可以使基于极性有机小分子电子收集层的有机太阳能电池达到较高的能量转换效率。

可见，一方面，可见光可以改变该类极性分子材料的表面电势，从而调制TCO层与活性层之间形成欧姆接触，提高开路电压；另一方面，可见光可以减小了极性分子Alq3界面电势，从而提高了电子的传输，降低电池的串联电阻，进而提高了有机太阳能电池的效率。

在实际应用中，只要是采用本发明的基于极性有机小分子的有机太阳能电池结构，在满足有机太阳能电池光电效应的前提下，有机太阳能电池的结构层之间的分布顺序可以发生相应的变化，如以上实施例中有机太阳能电池的分布结构为：阴极/电子收集层/活性层/空穴收集层/阳极。而本发明的有机太阳能电池的分布结构并不限于此，还可以为：阴极/电子收集层/活性层/阳极。各结构层之间的制备工艺与以上实施例中的制备工艺相同，仅仅是各层分布顺序不同。

当然，有机太阳能电池还可以有其他的结构分布，只要是能满足光电效应，且各层的制备材料和制备工艺与本发明中所描述的相同即可，在此不一一列举。

另外，有机太阳能电池的还可以包括缓冲层，该缓冲层可以由一些无机材料的氧化物制备，如可以为过渡金属氧化物或氟化物等。该缓冲层可以设置于所述阴极和所述电子收集层之间，也可以设置于所述阳极和所述空穴收集层之间，即有机太阳能电池的组成结构分布顺序可以为：阴极/电子收集层/活性层/空穴收集层/阳极；阴极/缓冲层/电子收集层/活性层/空穴收集层/阳极；阴极/电子收集层/活性层/空穴收集层/缓冲层/阳极；或者是，阴极/缓冲层/电子收集层/活性层/空穴收集层/缓冲层/阳极等结构。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种有机太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池包括：

基板，所述基板为透明玻璃或透明塑料；

阴极，所述阴极为透明导电氧化物镀膜层或金属层；

电子收集层，所述电子收集层为极性有机小分子层；

活性层、所述活性层包括聚合物给体-受体混合层；

空穴收集层，所述空穴收集层为过渡金属氧化物层或者导电聚合物层；以及

阳极，所述阳极为透明导电氧化物镀膜层或金属层。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述极性有机小分子层为三(8-羟基喹啉)铝、酞菁氧钛、酞菁铅、或酞菁氯铝中的一种或几种混合物。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述极性有机小分子层的单个分子极性分布和表面电势在白光照射下发生改变。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述电子收集层的厚度为1～200nm。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述过渡金属氧化物层为三氧化钼、三氧化钨或五氧化二钒中的一种或几种混合物。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述导电聚合物层为聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述透明导电氧化物层为氧化铟锡、铝锌氧化物或氟氧化锡中的一种或几种混合物。

8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述金属层为铝、镁、银、金或铜中的一种。

9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述阴极、电子收集层、活性层、空穴收集层和阳极依次设置于所述基板上，或者所述阳极、空穴收集层、活性层、电子收集层和阴极依次设置于所述基板上。

10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池还包括：缓冲层，设置于所述阴极和所述电子收集层之间，或者设置于所述阳极和所述空穴收集层之间，该缓冲层由金属氧化物或氟化物材料构成。

11.一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：

在基板上涂布透明导电氧化物层或金属层作为阴极；

在所述阴极上沉积极性有机小分子层作为电子收集层；

将形成有电子收集层的基板放入手套箱中，在所述电子收集层上旋涂聚合物给体-受体的混合溶液，得到活性层；

在所述活性层上制作空穴收集层；

在空穴收集层上沉积透明导电氧化物层或金属层，生成该有机太阳能电池的阳极。

12.一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：

在基板上涂布透明导电氧化物层或金属层作为阳极；

在所述阳极上沉积空穴收集层；

将形成有空穴收集层的基板放入手套箱中，在所述空穴收集层上旋涂聚合物给体-受体的混合溶液，得到活性层；

在所述活性层上制作极性有机小分子层作为电子收集层；

在电子收集层上沉积透明导电氧化物层或金属层，生成该有机太阳能电池的阴极。

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