CN102832346A - 一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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刘彩霞
于文娟
郭文滨
董玮
张歆东
陈维友
陆斌武
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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池以石英玻璃为衬底，以WO3/Ag/WO3膜为底电极，以聚合物材料为有源层，以LiF/Al复合层为顶电极，Ag和Al电极之间形成金属微腔结构。首先在玻璃衬底上依次生长均匀致密的WO3、Ag、WO3薄膜，然后旋涂上一层二氯苯等溶解的P3HT：PCBM溶液，退火，最后利用真空蒸镀技术依次生长LiF、Al。利用本方法制备的微腔结构聚合物太阳能电池，解决了传统聚合物太阳能电池吸收范围窄、光子率利用率低的问题。微腔结构通过金属Ag和Al的共振效应提高光子吸收，从而有效地提高了太阳能电池的能量转换效率。

Description

一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
传统太阳能电池多数以ITO作为电极，而且昂贵的铟是构成ITO的主要原料，因此高成本将是导致有机太阳能电池在大规模生产中出现瓶颈的主要因素之一。另一方面，生产ITO需要很强的能量，在提供能量的过程中会引起很多环境问题，这些环境问题最终会导致能源成本的提高，从而引起太阳能电池成本的提高。而聚合物太阳能电池由于其廉价、柔性、大面积等优点，已成为近年来清洁、可再生能源研究领域的一个热点，其中ITO-Free聚合物太阳能电池在一步步的探索中被认为具有很强大的商业潜能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池的制备方法，该太阳能电池以石英玻璃为衬底，以在石英玻璃上蒸镀的WO3/Ag/WO3膜为底电极，以聚合物材料为有源层，以LiF/Al复合层为顶电极；Ag和Al电极之间形成金属微腔结构，这种结构能够使器件内部的光来回振荡，发生光学谐振作用，使有源层材料的吸收得到增强，从而提高了器件的短路电流密度和能量转化效率，利用本方法制备的微腔结构聚合物太阳能电池，解决了传统聚合物太阳能电池吸收范围窄、光子率利用率低的问题。有源层为P3HT（Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，聚3己基噻吩）与PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester，富勒烯衍生物）按照1：0.8～1的质量比混合物。
本发明所述的一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1.使用清洁的石英玻璃作为衬底，首先通过真空蒸发的方式在石英玻璃上得到半透明底电极（WO3/Ag/WO3）：在多源有机气相分子沉积系统中，在石英玻璃上依次蒸镀30～50nm厚的WO3，10～20nm厚的Ag和15～30nm厚的WO3，蒸发速度为0.2～0.5nm/s，使用膜厚仪检测材料蒸发速度；
2.有源层是聚合物太阳能电池的吸光层，平整的有源层薄膜是获得高效率电池的基础，我们使用聚合物材料制备体异质结太阳能电池的有源层：将给体材料P3HT（Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，聚3己基噻吩）与受体材料PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester，富勒烯衍生物）按照1：0.8～1的质量比进行混合，然后加入有机溶剂（二氯苯、氯苯、甲苯等）中，磁力搅拌72～90小时，配置成均匀的浓度为10～20mg/mL的混合溶液；然后将混合溶液旋涂在具有半透明底电极的石英玻璃上，旋涂速度为500～1500rpm，得到50～100nm厚的有源层薄膜；最后对有源层薄膜进行退火，退火温度为140℃～160℃，退火时间为0.3～0.5小时；
3.最后通过真空蒸发的方法在有源层薄膜上制备顶电极：在多源有机气相分子沉积系统中，在有源层薄膜上蒸镀厚度为0.8～1.2nm的LiF，在LiF上再蒸镀厚度为80～120nm的Al，构成LiF/Al复合顶电极，从而制备完成本发明所述的一种基于微腔结构（ITO-Free）的聚合物太阳能电池。
本发明所制备得到的WO3薄膜非常均匀致密，与玻璃表面接触良好，可以减少太阳能电池的串联电阻。WO3是一种有机P型半导体材料，可以有效地传导激子（光照下有源层中产生）分离后的空穴。ITO-Free有微腔结构器件和ITO无微腔结构器件的短路电流、开路电压、填充因子和能量转换效率的比较详见表1。
表1：ITO-Free有微腔结构的器件与ITO无微腔结构的器件在100mW/cm2和AM（大气质量）为1.5G的环境下的特征参数比较：
Figure BDA00002087767400021
从表1中可以看出，当有源层的厚度为70nm时，对于ITO非微腔器件，短路电流密度为4.62mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为57.7％，能量转化效率为1.57％；对于ITO-free微腔器件，短路电流密度为5.85mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为57.9％，能量转化效率为2.0％。
当有源层的厚度为50nm时，对于ITO非微腔器件，短路电流密度为4.21mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为57.3％，能量转化效率为1.42％；对于ITO-free微腔器件，短路电流密度为5.11mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为57.6％，能量转化效率为1.74％。
当有源层的厚度为100nm时，对于ITO非微腔器件，短路电流密度为5.35mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为57.6％，能量转化效率为1.82％。对于ITO-free微腔器件，短路电流密度为5.48mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为57.7％，能量转化效率为1.87％。
附图说明
图1：本发明所述的一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池的结构示意图；如图所示，具体结构为：石英玻璃/WO3（1）/Ag/WO3（2）/P3HT：PCBM/LiF/Al，WO3（2）作为空穴传输层，Ag作为阳极，Al作为阴极；各部分名称为1、石英玻璃；2、WO3；3、Ag；4、WO3；5、P3HT：PCBM有源层；6、LiF；7、Al。
图2：实施例1制备的有无微腔结构的聚合物太阳能电池在100mw/cm2的AM1.5G标准太阳光照下测得了V-I特性曲线；
使用的是Keithley，SMU2601数字源表。如图所示，曲线a表示有源层为70nm时ITO无微腔结构的太阳能电池的光电流密度曲线，曲线b表示有源层为70nm时ITO-Free有微腔结构的太阳能电池的光电流密度曲线。从图中我们可以清晰的比较，本发明制备的太阳能电池，ITO-Free微腔结构的使用有效地提高了太阳能电池的性能。
图3：实施例1制备的有无微腔结构的聚合物太阳能电池的光电转化效率光谱；
如图所示，曲线a表示有源层为70nm时ITO非微腔结构的太阳能电池的光电转化效率光谱，曲线b表示有源层为70nm时ITO-Free微腔结构的太阳能电池的光电转化效率光谱。从图中我们可以清晰的比较，本发明制备的太阳能电池，ITO-Free微腔结构的使用有效地提高了太阳能电池的性能。
图4：实施例2制备的有无微腔结构的聚合物太阳能电池在100mW/cm2的AM1.5G标准光照下测得了V-I特性曲线；
使用的是Keithley，SMU2601数字源表。如图所示，曲线a表示有源层为50nm时ITO非微腔结构的太阳能电池的光电流密度曲线，曲线b表示有源层为50nm时ITO-Free有微腔结构的太阳能电池的光电流密度曲线。从图中我们可以清晰的比较，本发明制备的太阳能电池，ITO-Free微腔结构的使用有效地提高了太阳能电池的性能。
图5：实施例2制备的有无微腔结构的聚合物太阳能电池的光电转化效率光谱；
如图所示，曲线a表示有源层为50nm时ITO非微腔结构的太阳能电池的光电转化效率光谱，曲线b表示有源层为50nm时ITO-Free微腔结构的太阳能电池的光电转化效率光谱。从图中我们可以清晰的比较，本发明制备的太阳能电池，ITO-Free微腔结构的使用有效地提高了太阳能电池的性能。
图6：实施例3制备的有无微腔结构的聚合物太阳能电池在100mW/cm2的AM1.5G标准光照下测得了V-I特性曲线；
使用的是Keithley，SMU2601数字源表。如图所示，曲线a表示有源层为100nm时ITO非微腔结构的太阳能电池的光电流密度曲线，曲线b表示有源层为100nm时ITO-Free有微腔结构的太阳能电池的光电流密度曲线。从图中我们可以清晰的看出，有源层厚度为100nm时，有无微腔结构的器件性能已经非常接近。
图7：实施例3制备的有无微腔结构的聚合物太阳能电池的光电转化效率光谱；
如图所示，曲线a表示有源层为100nm时ITO非微腔结构的太阳能电池的光电转化效率光谱，曲线b表示有源层为100nm时ITO-Free微腔结构的太阳能电池的光电转化效率光谱。从图中我们可以清晰的看出，ITO非微腔结构的太阳能电池的外量子效率，在500-580nm区间已经超过了ITO-Free微腔结构的外量子效率。
具体实施方式
实施例1：
1.分别依次使用丙酮、乙醇和去离子水，对透明石英玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中备用；
2.在5×10-4pa气压下，以0.3nm/s的速率，在多源有机气相分子沉积系统中，依次蒸发40nm WO3，15nm Ag和20nm WO3薄膜（WO3蒸发源为WO3粉末，使用钨舟加热；Ag蒸发源为Ag粉，使用钼舟加热。蒸发温度依次为1500℃，1000℃，1500℃）；
3.将P3HT与PCBM按质量比1：0.8进行混合后，加入到二氯苯有机溶剂中，混合好后磁力搅拌72小时，使其充分混合，配置成浓度为18mg/mL的混合溶液；
4.在WO3/Ag/WO3薄膜上旋涂制备好的P3HT：PCBM混合溶液，转速为转速为1000rpm，有源层厚度为70nm；对有源层薄膜进行退火，退火温度为150℃，退火时间为0.5小时；
5.将样品取出，通过热蒸发的方法在有源层上生长一层LiF材料，厚度为1nm；在L iF上再生长一层Al材料，厚度为100nm，从而制备得到本发明所述的微腔结构的聚合物太阳能电池。
实施例2：
1.分别依次使用丙酮、乙醇和去离子水，对透明石英玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中备用；
2.在5×10-4pa气压下，以0.2nm/s的速率，在多源有机气相分子沉积系统中，依次蒸发30nm WO3，10nm Ag和15nm WO3薄膜（蒸发源分别均为钼挂丝源，蒸发温度依次为1500℃，1000℃，1500℃）；
3.将P3HT与PCBM按质量比1：0.9进行混合后，加入二氯苯有机溶剂中，混合好后磁力搅拌80小时，使其充分混合，配置成浓度为10mg/mL的混合溶液；
4.在WO3/Ag/WO3薄膜上旋涂制备好的P3HT：PCBM混合溶液，转速为1500rpm，有源层厚度为50nm；对有源层薄膜进行退火，退火温度为140℃，退火时间为0.3小时；
5.将样品取出，通过热蒸发的方法在有源层上生长一层LiF材料，厚度为0.8nm；在LiF上再生长一层Al材料，厚度为80nm，从而制备得到本发明所述的微腔结构的聚合物太阳能电池。
实施例3：
1.分别依次使用丙酮、乙醇和去离子水，对透明石英玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中备用；
2.在5×10-4pa气压下，以0.5nm/s的速率，在多源有机气相分子沉积系统中，依次蒸发50nm WO3，20nm Ag和30nm WO3薄膜（蒸发源分别均为钼挂丝源，蒸发温度依次为1500℃，1000℃，1500℃）；
3.将P3HT与PCBM按质量比1：1进行混合后，加入二氯苯有机溶剂中，混合好后磁力搅拌90小时，使其充分混合，配置成浓度为20mg/mL的混合溶液；
4.在WO3/Ag/WO3薄膜上旋涂制备好的P3HT：PCBM混合溶液，转速为500rpm，有源层厚度为100nm；对有源层薄膜进行退火，退火温度为160℃，退火时间为0.4小时；
5.将样品取出，通过热蒸发的方法在有源层上生长一层LiF材料，厚度为1.2nm；在LiF上再生长一层Al材料，厚度为120nm，从而制备得到本发明所述的微腔结构的聚合物太阳能电池。

Claims (5)

1.一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池以石英玻璃为衬底，以在石英玻璃上蒸镀的WO3/Ag/WO3膜为底电极，以聚合物材料为有源层，以LiF/Al复合层为顶电极，Ag和Al电极之间形成金属微腔结构。
2.如权利要求1所述一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池，其特征在于：有源层为P3HT与PCBM按照1：0.8～1的质量比混合。
3.如权利要求2所述一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池，其特征在于：有源层的厚度为50～100nm。
4.权利要求3所述的一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1)在清洁的石英玻璃衬底上依次蒸镀30～50nm厚的WO3、10～20nm厚的Ag和15～30nm厚的WO3作为半透明底电极，蒸发速度为0.2～0.5nm/s；
2)将给体材料P3HT与受体材料PCBM按照1：0.8～1的质量比进行混合，然后加入有机溶剂中，磁力搅拌72～90小时，配置成均匀的浓度为10～20mg/mL的混合溶液；然后将混合溶液旋涂在具有半透明底电极的石英玻璃上，旋涂速度为500～1500rpm，得到50～100nm厚的有源层薄膜；最后对有源层薄膜进行退火，退火温度为140℃～160℃，退火时间为0.3～0.5小时；
3)在有源层薄膜上蒸镀厚度为0.8～1.2nm的LiF，在LiF上再蒸镀厚度为80～120nm的Al，构成LiF/Al复合顶电极，从而制备得到基于微腔结构的聚合物太阳能电池。
5.如权利要求4所述的一种基于微腔结构的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：有机溶剂为二氯苯、氯苯或甲苯。
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