CN103066209A - 一种太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电器件领域，具体提供了一种具有新型有源层的太阳电池及其制备方法。该太阳电池包括玻璃衬底层（1）和在玻璃衬底层（1）上依次贴合的阳极层（2）、阳极缓冲层（3）、有源层（4）、阴极界面层（5）和阴极层（6），所述有源层（4）由垂直于玻璃衬底层（1）排列的多个給体材料层（8）和多个受体材料层（7）组成，该給体材料层（8）和受体材料层（7）交替贴合，且一个給体材料层（8）和与其贴合的一个受体材料层（7）的厚度a（9）小于等于200nm。该太阳电池的有源层结构，使得光生激子能就近扩散到D/A界面分解为电子和空穴，提高激子分解效率；同时提高载流子迁移率。

Description

一种太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体涉及一种具有新型有源层的太阳电池及其制备方法。

背景技术

    随着世界经济的发展，能源需求逐年增加，煤炭、石油等一次性能源日渐枯竭，而太阳能作为一种绿色环保的可再生能源越来越得到各国的重视。

经过50多年的发展，单晶硅太阳电池已经相当成熟，能量转换效率由最初的6%发展到现在的25%左右，逼近Shockley–Queisser的理论极限。同时多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜和碲化镉薄膜电池也得到了极大的发展，其中多晶硅、非晶硅电池在民用领域占据主导地位。但无机半导体太阳电池制备时需要的高纯度材料、高温加工过程和超净环境等导致制造成本上升，严重的制约了它的推广应用。

    有机薄膜太阳电池作为一种成本低廉、重量轻和柔性等特点得到了极大的关注。一般来说，有机太阳电池由玻璃衬底（1）、阳极（2）、阳极缓冲层（3）、有源层（4）、阴极界面层（5）和阴极（6）构成（如图1所示）。其中，对有源层（4）的结构研究是提高太阳电池效率的关键。

美国柯达公司的C. W. Tang在1986年借助无机半导体的PN结模式制备出效率达到1% 的平面异质结有机太阳电池（给体Donor和受体Acceptor结合形成异质结）。随后体异质结和染料敏化电池被相继提出并得到发展。这些电池都要求光生激子在扩散距离内迁移到给体/受体界面处，通过界面电势差促使激子离解为电子和空穴，电子由具有较高电子亲和能的材料接收并输运到阴极，空穴由具有较低电离势的材料接收并输运到阳极，从而形成光生电流。由于激子在有机材料中的扩散长度远远小于材料的光吸收厚度，从而限制了有效吸收太阳光的薄膜厚度。

    1995年俞刚等制成的共混体异质结MEH-PPV和C60互穿网络的太阳电池效率达到2.9%。这种结构中的给体和受体材料形成互穿的网络状结构，增大给体/受体（D/A）界面面积，异质结分散到整个有源层，光生激子能就近扩散到相应的D/A界面分离为电子和空穴，电子和空穴在各自对应的相中输运到电极形成光电流。这就是聚合物体异质结太阳电池[美国专利5331183(1992)和5454880(1995)]。

    体异质结结构能有效提高聚合物太阳电池的激子扩散效率，减少光生激子的复合概率，使得吸收光能以后产生的光生激子能有效的移到D/A界面分解为电子和空穴。由于共混体系异质结构中给体和受体可以看作相互掺杂，而掺杂会导致对材料结晶结构的破坏，光生载流子主要在分子内的共价键上移动，在分子间的迁移比较困难，导致电子和空穴在迁移过程中的复合，明显降低共混体系中两相材料的迁移率，减少光生电流和降低填充因子。

    发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种新型太阳电池及其制备方法。该太阳电池的有源层结构特殊，使得光生激子能就近扩散到D/A界面分解为电子和空穴，提高激子分解效率；同时保证电子和空穴在各自结晶结构内迁移，提高载流子迁移率。将该有源层代替常规有机太阳电池的有源层，经过厚度等的优化设计可以提高有机太阳电池的效率。

本发明的技术方案是：

一种太阳电池，如图2所示，包括玻璃衬底层和在玻璃衬底层上依次贴合的阳极层、阳极缓冲层、有源层、阴极界面层和阴极层，所述有源层由垂直于玻璃衬底层排列的多个給体材料层和多个受体材料层组成，该給体材料层和受体材料层交替贴合，且一个給体材料层和与其贴合的一个受体材料层的厚度a小于等于200nm。（所述交替贴合是指在每个給体材料层两侧贴合有受体材料层或者每个受体材料层两侧贴合有給体材料层，如图3所示）

所述給体材料层为共轭聚合物层，所述受体材料层为C60及其衍生物或C70及其衍生物层。

所述給体材料层优选为聚3-已基噻吩层，所述受体材料层优选为[6,6]-苯基-C 61-丁酸甲酯层。

所述有源层的厚度b优选为90nm-110nm。

所述阳极层优选为氧化铟锡层（也可称之为ITO层）；所述阳极缓冲层优选为30nm-40nm的复合层（也可称之为PEDOT:PSS层），其中所述复合层是聚(3,4-二氧基噻吩)与聚(苯乙烯磺酸)按照重量比为1:6组成； 所述阴极界面层优选为0.9nm-1.1nm的氟化锂层；所述阴极层优选为90nm-110nm的铝层。

聚(3,4-二氧基噻吩)简称为PEDOT，聚(苯乙烯磺酸)简称为PSS。

上述太阳电池的制备方法，在涂有ITO阳极层的玻璃衬底上依次涂上阳极缓冲层，有源层，阴极界面层和阴极层，其中有源层的制备包括以下步骤：

（1）配制有源层混合液：首先将给体材料和受体材料分别在同一种有机溶剂中超声溶解，当给体材料完全溶解时将两者混合，再超声3-5分钟，得有源层混合液，其中给体材料和受体材料在有源层混合液中的浓度分别为14 mg/ml-16 mg/ml； 

（2）将上述有源层混合液涂膜在太阳电池的阳极缓冲层上，涂膜厚度为90nm-110nm，即可。

所述給体材料层优选为聚3-已基噻吩，所述受体材料优选为[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯，所述有机溶剂为1,2-二氯苯。

下面对本发明做进一步的解释和说明：

本发明制备上述有源层的超声溶液混合方法，其主要特点是通过控制超声混合的时间在溶液中自组装形成受体材料（C60及其衍生物或者C70及其衍生物）纳米尺度的薄片状结晶，同时，形成给体聚合物材料形成一定的纳米尺度结晶（200 nm以下）环绕在受体材料纳米尺度结晶的周围，这样两者之间能形成交叉薄片栅格型结构栅格，有效提高制备的太阳电池效率。

有源层的结构方式采用TEM（隧道电镜）的方式获知。

    与现有技术比较，本发明具有如下优点：

    1、采用上述有源层制备的太阳电池结构如图2所示，该结构和制备方法可大幅提高聚合物太阳电池的性能。 

2、本发明采用溶液加工技术，制备工艺简单，制作成本低。

3、本发明的太阳电池可有效减少聚合物电池的载流子迁移损耗和复合，提高光生电流和增大填充因子，提高聚合物电池器件性能。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步阐述。

图1 是现有技术中太阳电池的结构示意图；

图2是本发明的太阳电池的结构示意图；

图3是本发明的太阳电池中有源层的结构示意图；

图4是采用本发明提供工艺方法制备的交叉薄片栅格型结构器件的电流电压特性与传统体异质结器件（未退火）特性比较结果图；其中A为现有传统异质结电池，B为本发明的产品，很明显，本发明太阳电池短路电流比传统异质结电池提高大约5.18 mA/cm²，开路电压约提高0.15 V；

在图1-3中：1-玻璃衬底层；2-阳极层；3-阳极缓冲层；4-有源层；5-阴极界面层；6-阴极层；7-受体材料层；8-給体材料层；9-一个給体材料层和与其贴合的一个受体材料层的厚度a；10-有源层的厚度b，其中向上的箭头表示光入射的方向。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明。

实施例1

如图2和图3所示，一种太阳电池，包括玻璃衬底层1和在玻璃衬底层1上依次贴合的阳极层2、阳极缓冲层3、有源层4、阴极界面层5和阴极层6，所述有源层4由垂直于玻璃衬底层1排列的多个給体材料层8和多个受体材料层7组成，该給体材料层8和受体材料层7交替贴合，且一个給体材料层8和与其贴合的一个受体材料层7的厚度a 9为200nm。

所述給体材料层8为聚3-已基噻吩层，所述受体材料层7为[6,6]-苯基-C 61-丁酸甲酯层。

所述有源层4的厚度b（10）为100nm。

实施例2

将买来的固体样品聚3-己基噻吩（P3HT）和碳60衍生物：[6,6]-苯基-C 61-丁酸甲酯（PCBM）分别置于干净的试剂瓶中，加入适量的1,2-二氯苯溶剂，放入超声浴槽中，当P3HT完全溶解时马上加入PCBM溶液组成混合溶液，混合后的溶液放入超声浴槽中超声5分钟备用。P3HT和PCBM混合溶液浓度分别为15 mg/ml。

    选择Tinwell Technology Ltd. Glass公司的ITO玻璃，其方块电阻为35 Ω/□，大小为38×38 mm²，厚度为1.1 mm。用甲苯、丙酮依次超声8分钟；然后用去离子水超声5分钟，重复三遍；氮气吹干，在120 ⁰C的恒温烘箱中静置30分钟，去除ITO表面的有机物。接着将玻璃片置于匀胶机上，以3000转/分钟的转速旋涂35纳米左右的PEDOT:PSS 薄膜（聚(3,4-二氧基噻吩)与聚(苯乙烯磺酸)按照重量比为1:6组成）在ITO玻璃上，再将样品置于120 ⁰C的恒温烘箱中烘干30分钟，去除残余溶剂，固化旋涂的PEDOT:PSS薄膜。

    将带有35 nm厚PEDOT:PSS薄膜的ITO玻璃置于UV灯下照射25分钟，然后将其置于WS-400B-8TFM/LITE旋涂机中，将已经制备好的P3HT和PCBM混合溶液倒在上面，旋涂得到大约100 nm的P3HT和PCBM混合薄膜，然后将样品转入无水无氧手套箱中，去除不需要的部分，将样品装入真空蒸发台中，在高真空环境(~5??10^-6 托) 使用热蒸发淀积1 nm厚的LiF。最后，使用掩模版、热蒸发淀积100 nm厚的铝(Al)阴极；淀积过程中，淀积速率、膜厚由石英晶体振荡器膜厚监测仪监测和控制。太阳电池接收光区域由掩膜与ITO交互覆盖的区域确定为0.099 cm²。ITO玻璃上混合层的光吸收采用Perkin-Elmer Lambda 900 紫外-可见光-红外（UV-Vis-NIR）光谱仪进行测量。采用Dektak3 ST台阶仪测量薄膜厚度。

    室温下，使用带有可调Oriel 69907电源模块的Oriel 150W太阳光模拟器，太阳光密度采用Oriel辐射功率表进行测量，以100 mW/cm²为标准辐射照度的光进行照射，分别在暗环境和AM1.5太阳光照下测量器件的电流-电压特性，由此，太阳光能量转换效率计算公式如下：

                                                                      （2-1）

    其中P _MAX 为最大输出功率（单位：mW），P _in 为辐射照度（单位：mW/cm²），J为电流密度（A/cm²），V为电压。

   为说明本发明所采用的本发明涉及器件结构和方法在增强聚合物体异质结太阳电池性能上的效果，采用常规体异质结器件（未退火）作为参比。

    选用图2和图3所示聚合物太阳电池结构，选用P3HT作为施主材料，PCBM作为受主材料，制备的太阳电池性能如表1所示。

    由此可以看出，本发明提出的结构与传统的体异质结电池相比，电池短路电流从8.19 mA/cm²大幅提高到13.37 mA/cm²，开路电压从0.47 V提高到0.62V，能量转换效率从1.58%提高到4.39%（如图4所示）。

表1太阳电池性能对比数据

Claims (6)

1.一种太阳电池，包括玻璃衬底层（1）和在玻璃衬底层（1）上依次贴合的阳极层（2）、阳极缓冲层（3）、有源层（4）、阴极界面层（5）和阴极层（6），其特征是，所述有源层（4）由垂直于玻璃衬底层（1）排列的多个給体材料层（8）和多个受体材料层（7）组成，该給体材料层（8）和受体材料层（7）交替贴合，且一个給体材料层（8）和与其贴合的一个受体材料层（7）的厚度a（9）小于等于200nm。

2.根据权利要求1所述一种太阳电池，其特征是，所述給体材料层（8）为共轭聚合物层，所述受体材料层（7）为C60及其衍生物或C70及其衍生物层。

3.根据权利要求2所述一种太阳电池，其特征是，所述給体材料层（8）为聚3-已基噻吩层，所述受体材料层（7）为[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯层。

4.根据权利要求1或2所述一种太阳电池，其特征是，所述有源层（4）的厚度b（10）为90nm-110nm。

5. 根据权利要求1或2所述一种太阳电池，其特征是，所述阳极层（2）为氧化铟锡层；所述阳极缓冲层（3）为30nm-40nm的复合层，其中所述复合层是聚(3,4-二氧基噻吩)与聚(苯乙烯磺酸)按照重量比为1:6组成； 所述阴极界面层（5）为0.9nm-1.1nm的氟化锂层；所述阴极层（6）为90nm-110nm的铝层。

6.权利要求1-5之一所述太阳电池的制备方法，在涂有ITO阳极层的玻璃衬底上依次涂上阳极缓冲层，有源层，阴极界面层和阴极层，其特征是，其中有源层的制备包括以下步骤：

（1）配制有源层混合液：首先将给体材料和受体材料分别在同一种有机溶剂中超声溶解，当给体材料完全溶解时将两者混合，再超声3-5分钟，得有源层混合液，其中给体材料和受体材料在有源层混合液中的浓度分别为14 mg/ml-16 mg/ml；

（2）将上述有源层混合液涂膜在太阳电池的阳极缓冲层上，涂膜厚度为90nm-110nm，即可。

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