CN102522506A - 一种绒面陷光电极的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种绒面陷光电极的有机太阳能电池，以玻璃衬底为衬底，以绒面陷光透明导电膜为前电极，以良好的电子或者空穴传输材料作为修饰层，以聚合物或者小分子的有机材料为吸光层，以高背反射率的铝或银为背电极，并依次构成叠层结构；各层薄膜分别采用旋涂法或蒸镀法制备。本发明的优点是：采用绒面陷光作用的透明导电膜代替光滑的平面透明导电膜作为有机电池的电极，可利用绒面电极的陷光作用，在薄的吸光层下，保证对入射太阳光的充分吸收；同时薄的吸光层可减少载流子的传输路径，降低载流子的复合几率，保证电池的填充因子和开路电路，从整体上提高了器件的性能；其电池的制备工艺与使用非绒面电极的电池相同，但节省了原材料，降低了生产成本。

Description

一种绒面陷光电极的有机太阳能电池及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及有机太阳能电池领域，特别是一种绒面陷光电极的有机太阳能电池及其制备方法。

【技术背景】

有机太阳能电池具有材料来源广、重量轻、可与柔性衬底相兼容、加工工艺简单，可用湿法成膜(旋转涂膜、喷墨打印以及丝网印刷)的廉价大面积制造技术等优点日益受到广泛青睐。通过对有机分子设计、合成和结构剪裁，可以容易地调控有机电池的性能，能真正实现电池的低成本和全塑料柔性化。故而研究广泛，成果不断涌现，成为近年来最热门的研究领域之一。在过去的十几年里，通过合成新的窄带隙材料和对器件性能的优化，有机电池的效率已达到8％。目前研究最多的是基于一种体相异质结吸光层的结构。吸光层由有机电子给体和受体材料混合而形成一种互穿网络结构。吸光层吸收入射光子产生光生激子(束缚的电子-空穴对)，光生激子扩散到给体和受体界面并进行分离，分离后形成的自由电子和空穴被电池的两个电极收集，产生光伏效应。要想得到高效率的电池，首先需要吸光层对入射光的充分吸收。吸光层的厚度在一定程度上决定了对入射光的吸收多少，薄膜越厚吸光越多。然而在有机电池中，由于光生激子的扩散长度约为10nm，过厚的吸光层虽然能保证对光的充分吸收，但大部分光生激子还没来得及扩散到给体和受体的界面就淬灭了。虽然增加吸光层的厚度能增加对光的吸收，但增加吸收的光并没有真正转化成自由的电荷载流子，也就达不到增加电池短路电流密度的效果。另外由于有机材料的载流子迁移率低，在给体和受体界面分离的自由载流子由于不能快速的传输到电池的两极，增加的吸光层厚度会导致自由载流子传输的路径增加，电子和空穴的复合几率增加，造成电池的短路电流密度和填充因子的下降，从而降低器件的整体性能。吸光层厚度的增加还会降低电池内部的电场强度，影响电荷的传输和收集，同时还会造成电池的开路电压下降。因此，在已优化或者需要尽量减薄电池吸光层厚度的前提下，进一步增加吸光层对入射光的吸收对提升或者保持器件的整体性能将变得至关重要。

【发明内容】

本发明的目的是针对上述存在问题，提供了一种绒面陷光电极的有机太阳能电池及其制备方法，通过借鉴无机硅基薄膜电池采用绒面陷光电极的理念，既不增加有机电池吸光层的厚度，又可以最大限度的吸收入射的太阳光，将绒面陷光的透明导电膜作为电极应用到有机电池中，通过优化吸光层与绒面电极的界面处理，获得了比常规光滑平面电极更高性能的有机电池，通过控制吸光层的厚度，节省了原材料，降低了生产成本。

本发明的技术方案：

一种绒面陷光电极的有机太阳能电池，以玻璃为衬底，以绒面陷光透明导电膜为前电极，以良好的空穴或者电子传输材料作为修饰层a，以聚合物或者小分子的有机材料为吸光层，以良好的电子或者空穴传输材料作为修饰层b，以高背反射率的铝或银为背电极，并依次构成叠层结构。

所述绒面陷光透明导电膜为FTO(SnO:F)或AZO(ZnO:Al)，其光电特性：电阻率小于10^-4Ω·cm、可见光积分透过率大于80％；导电膜表面粗糙度均方根(RMS)大于30nm；绒度(Haze)散射效应：绒度在600nm不低于5％。

所述修饰层a和修饰层b为氧化锌ZnO、氧化钛TiO₂、PEDOT:PSS、氧化钼MoO₃或氧化钨WO₃，修饰层a和b的厚度均不大于100nm，光学透过率不低于90％。

所述吸光层为P3HT、MEHPPV、PCBM、CuPc或C₆₀，吸光层结构为单一聚合物单层、聚合物电子给体和受体混合的体相异质结结构的单层、聚合物电子给体与电子受体双层、小分子电子给体/电子受体平面异质结双层或小分子给体与受体混合的单层，吸光层的厚度为50-300nm。

一种所述绒面陷光电极的有机太阳能电池的制备方法，步骤如下：

1)以具有绒面陷光效应的透明导电膜(TCO)玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；

2)在干燥后的入射电极表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层具有良好的电子或者空穴传输材料作为修饰层a或缓冲层，修饰层a或缓冲层完全覆盖绒面电极的表面；

3)在制备好的修饰层a或缓冲层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备作为吸光层；

4)在吸光层上再通过旋涂法或蒸镀法制备作为修饰层b；

5)采用蒸镀法制备铝或银作为背反电极。

制备好的电池的电极极性由电极的功函数和修饰层或者缓冲层共同来决定，绒面陷光电极的不仅可以作为电池的阳极还可以作为阴极。电池电极的极性由电极与吸光层之间的材料选择来决定。电极与吸光层之间为P型半导体材料或者具有传导空穴能力而阻碍电子传输的材料，则此电极为电池的阳极。反之若电极与吸光层之间为n型半导体材料或者具有电子传导能力阻碍空穴传输的材料，则此电极为电池的阴极。

所述“电子传输层或者空穴传输层”，因为不同的传输层会使电池的电极发生变化。比如阴极/电子传输层/吸光层/空穴传输层/阳极，阳极/空穴传输层/吸光层/电子传输层/阴极，在本专利中，绒面陷光电极既可以是阳极也可以是阴极。

本发明的优点是：采用绒面陷光作用的透明导电膜代替光滑的平面透明导电膜作为有机电池的电极，可以利用绒面电极的陷光作用，即使在薄的吸光层下，也能保证对入射太阳光的充分吸收，而不牺牲电池的短路电流密度，同时还能保证电池的填充因子和开路电路。考虑到有机电池对吸光层厚度的苛刻要求，绒面电极的应用可以使有机电池更加充分的利用太阳光，同时可以减少载流子的复合几率，增加电池的对吸收光谱的响应强度。其电池的制备工艺和结构设计与使用非绒面电极的电池相同，但却节省原材料和降低成本。

【附图说明】

图1是采用绒面电极的有机聚合物体相异质结太阳能电池的结构示意图，

图中：1.透明的玻璃衬底、2.绒面陷光前电极、3.修饰层a聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸、4.吸光层聚噻吩和富勒烯衍生物混合物、5.修饰层b(LiF)、6.背反电极(Al)。

图2是为采用绒面电极的有机小分子双层平面异质结太阳能电池的结构示意图，图中：7.透明的玻璃衬底、8.绒面陷光前电极、9.吸光层同时作为空穴传输层：有机小分子P型材料酞菁铜(CuPc)、10.吸光层同时作为电子传输层：n型材料富勒烯(C₆₀)和11.背反电极(LiF/Al)。

图3是有机小分子混合异质结太阳能电池的结构示意图，

图中：12.透明的玻璃衬底、13.绒面陷光前电极、14.修饰层a为有机小分子P型材料酞菁铜CuPc、15.吸光层为有机小分子P型材料钛青铜CuPc与n型材料富勒烯C₆₀的混合物、16.修饰层b为富勒烯n型材料C₆₀、17.背电极(LiF/Al)。

【具体实施方式】

实施例1：

一种绒面陷光电极的有机太阳能电池的制备方法，步骤如下：

1)以具有绒面陷光效应的透明导电膜(TCO)玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；

2)在干燥后的入射电极表面采用旋涂法制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸作为修饰层a，修饰层a的厚度为40nm并完全覆盖绒面电极的表面；

3)在制备好的修饰层a表面，通过旋涂法制备聚噻吩和富勒烯衍生物(P3HT：PCBM)作为吸光层，吸光层的厚度为100nm；

4)在吸光层上再通过旋涂法制备LiF作为修饰层b，修饰层b的厚度为1nm；

5)采用蒸镀法制备铝作为背反电极，电极厚度为100nm。

图1为采用绒面电极的有机聚合物体相异质结太阳能电池的结构示意图，图中包括：1.透明的玻璃衬底、2.绒面陷光前电极、3.修饰层a聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸、4.吸光层聚噻吩和富勒烯衍生物混合物、5.修饰层b LiF和6.背反电极Al。太阳光从玻璃衬底面入射，绒面前电极增强入射光的散射，增加光程，有利于吸光层对入射光的吸收。空穴传输层可以有效防止陷光电极与有源层直接接触，减少光生激子的淬灭，有利于空穴自由载流子的传输和收集。

该实施例中涉及的空穴传输层和吸光层，采用湿法成膜的技术制备包括旋涂、滴涂、印刷。

实验结果显示：通过使用绒面陷光电极能提高有吸光层对入射光的吸收，与使用非绒面电极的电池相比，在吸光层的吸收波段能显著提高提高，电池的入射光反射减少。外量子效率测试表明在吸光层的吸收波段，量子效率比无陷光电极的电池增加，短路电流密度提升了10％。电池的开路电压和填充因子几乎保持不变，电池的整体性能提高了8％。透过、反射和吸收光谱测试表明，光吸收在绒面电极的散射波段显著增强。外量子效率测试表明电池短路电流密度的提高是由散射波段的光吸收增强引起的。

实施例2：

一种绒面陷光电极的有机太阳能电池的制备方法，步骤如下：

1)以具有绒面陷光效应的透明导电膜(TCO)玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；

2)在干燥后的入射电极表面采用蒸镀法制备一层吸光层同时作为空穴传输层的有机小分子P型材料酞菁铜(CuPc)，厚度为50nm并完全覆盖绒面电极的表面；

3)在制备好的P型材料酞菁铜表面，再制备一层吸光层同时作为电子传输层的n型材料富勒烯(C₆₀)，厚度为60nm；

4)采用蒸镀法制备铝作为背反电极(LiF/Al)，厚度为约为1nm/100nm。

图2为采用绒面电极的有机小分子双层平面异质结太阳能电池的结构示意图，图中包括：7.透明的玻璃衬底、8.绒面陷光前电极、9.吸光层同时作为空穴传输层：有机小分子P型材料酞菁铜(CuPc)、10.吸光层同时作为电子传输层：n型材料富勒烯(C₆₀)和11.背反电极(LiF/Al)。太阳光从玻璃衬底面入射，绒面前电极增强入射光的散射，增加光程，有利于有机小分子P型材料酞菁铜CuPc以及富勒烯对入射光的吸收。光生激子在CuPc和C₆₀界面分裂，分离后的光生载流子空穴和电子分别沿P型材料CuPc和n型材料C₆₀传输，最后被电极收集。

实施例3

一种绒面陷光电极的有机太阳能电池的制备方法，步骤如下：

1)以具有绒面陷光效应的透明导电膜(TCO)玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；

2)在干燥后的入射电极表面采用蒸镀法制备一层修饰层a有机小分子P型材料酞菁铜(CuPc)，厚度为20nm；

3)在制备好的修饰层a表面，通过共蒸有机小分子P型材料钛青铜CuPc与n型材料富勒烯C₆₀的混合物作为吸光层，厚度约60nm；

4)在吸光层上再通过蒸镀法制备作为修饰层b富勒烯n型材料C₆₀，厚度约30nm；

5)采用蒸镀法制备铝作为背反电极(LiF/Al)，厚度为约为1nm/100nm。

图3为使用绒面电极的有机小分子太阳能电池混合异质结结构示意图，图中包括：12.透明的玻璃衬底、13.绒面陷光前电极、14.修饰层a为有机小分子P型材料酞菁铜CuPc、15.吸光层为有机小分子P型材料钛青铜CuPc与n型材料富勒烯C₆₀的混合物、16.修饰层b为富勒烯n型材料C₆₀、17.背电极(LiF/Al)。太阳光从玻璃衬底面入射，绒面前电极增强入射光的散射，增加光程，有利于CuPc和C₆₀对入射光的吸收。光生激子在CuPc和C₆₀混合异质结界面可以更好的分离，分离后的光生载流子空穴和电子分别沿P型材料CuPc和n型材料C₆₀传输，最后被电极收集。

Claims (5)

1.一种绒面陷光电极的有机太阳能电池，其特征在于：以玻璃为衬底，以绒面陷光透明导电膜为前电极，以良好的空穴或者电子传输材料作为修饰层a，以聚合物或者小分子的有机材料为吸光层，以良好的电子或者空穴传输材料作为修饰层b，以高背反射率的铝或银为背电极，并依次构成叠层结构。

2.根据权利要求1所述绒面陷光电极的有机太阳能电池，其特征在于：所述绒面陷光透明导电膜为FTO(SnO:F)或AZO(ZnO:Al)，其光电特性：电阻率小于10^-4Ω·cm、可见光积分透过率大于80％；导电膜表面粗糙度均方根(RMS)大于30nm；绒度(Haze)散射效应：绒度在600nm不低于5％。

3.根据权利要求1所述绒面陷光电极的有机太阳能电池，其特征在于：所述修饰层a和修饰层b为氧化锌ZnO、氧化钛TiO₂、PEDOT:PSS、氧化钼MoO₃或氧化钨WO₃，修饰层a和b的厚度均不大于100nm，光学透过率不低于90％。

4.根据权利要求1所述绒面陷光电极的有机太阳能电池，其特征在于：所述吸光层为P3HT、MEHPPV、PCBM、CuPc或C₆₀，吸光层结构为单一聚合物单层、聚合物电子给体和受体混合的体相异质结结构的单层、聚合物电子给体与电子受体双层、小分子电子给体/电子受体平面异质结双层或小分子给体与受体混合的单层，吸光层的厚度为50-300nm。

5.一种如权利要求1所述绒面陷光电极的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)以具有绒面陷光效应的透明导电膜(TCO)玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；

2)在干燥后的入射电极表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层具有良好的电子或者空穴传输材料作为修饰层a或缓冲层，修饰层a或缓冲层完全覆盖绒面电极的表面；

3)在制备好的修饰层a或缓冲层表面，通过旋涂法或蒸镀法制备作为吸光层；

4)在吸光层上再通过旋涂法或蒸镀法制备作为修饰层b；

5)采用蒸镀法制备铝或银作为背反电极。

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