CN103296207A - 太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents

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王平
黄辉
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Abstract

一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、电子阻挡层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料选自P3HT∶PCBM、MODO-PPV∶PCBM及MEH-PPV∶PCBM中的一种，所述电子阻挡层的材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺。该太阳能电池器件的能量转换效率较高。此外，还提供了一种太阳能电池器件的制备方法。

Description

太阳能电池器件及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种太阳能电池器件及其制备方法。
【背景技术】
太阳能电池器件由于具有廉价、清洁、可再生等优点而得到了广泛的应用。目前常用的太阳能电池器件结构包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极。活性层的激子分离产生空穴和电子后，空穴到达阳极，电子到达阴极，从而被电极收集，形成有效的能量转换。
然而，由于活性层与空穴缓冲层之间的势垒较小，电子可以往相反的方向传输，到达阳极，这就形成了对光电转换无效的漏电流，使得阴极收集到的电子减少，从而使得太阳能电池器件的能量转换效率较低。
【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器件。
一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、电子阻挡层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料选自P3HT∶PCBM、MODO-PPV∶PCBM及MEH-PPV∶PCBM中的一种，所述电子阻挡层的材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺。
在优选的实施例中，所述电子阻挡层的厚度为5nm～20nm。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为PEDOT与PSS的混合物。
在优选的实施例中，所述PEDOT与PSS的质量比为2∶1～6∶1。
在优选的实施例中，所述电子缓冲层为氟化锂、叠氮铯或碳酸铯。
此外，还有必要提供一种的太阳能电池器件的制备方法。
一种太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
在阳极表面形成空穴缓冲层；
在所述空穴缓冲层表面形成电子阻挡层，所述电子阻挡层的材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺；
在所述电子阻挡层表面形成活性层，所述活性层的材料选自P3HT∶PCBM、MODO-PPV∶PCBM及MEH-PPV∶PCBM中的一种；
在所述活性层表面形成电子缓冲层；及
在所述电子缓冲层表面形成阴极。
在优选的实施例中，所述电子阻挡层由所述电子阻挡层的材料溶于有机溶剂中形成的浓度为5mg/ml～20mg/ml的溶液旋涂在所述空穴缓冲层表面形成，所述有机溶剂为甲苯、氯苯、氯仿或二甲苯。
在优选的实施例中，所述电子阻挡层的厚度为5nm～20nm。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为PEDOT与PSS的混合物。
在优选的实施例中，所述电子缓冲层为氟化锂、叠氮铯或碳酸铯。
上述太阳能电池器件及其制造方法，通过设置电子阻挡层，电子阻挡层的材料与活性层的给体之间的LUMO能级相差较大，且比活性层的能级要小，存在一定的势垒，可有效阻止电子跃迁传输到阳极，避免形成漏电流，从而提高太阳能电池器件的能量转换效率。
【附图说明】
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为一实施例的太阳能电池器件的结构示意图；
图2为一实施例的太阳能电池器件的制备方法的流程图；
图3为实施例一的太阳能电池器件的电流密度与电压关系图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1，一实施例的太阳能电池器件100包括依次层叠的阳极10、空穴缓冲层20、电子阻挡层30、活性层40、电子缓冲层60及阴极70。
阳极10为铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺氟的氧化锡玻璃(FTO)，掺铝的氧化锌玻璃(AZO)或掺铟的氧化锌玻璃(IZO)。
空穴缓冲层20形成于阳极10表面。空穴缓冲层20的材料为聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)与聚苯磺酸钠(PSS)的混合物。其中PEDOT与PSS的质量比为2∶1～6∶1，优选为6∶1。空穴缓冲层20的厚度为20nm～80nm，优选为40nm。
电子阻挡层30形成于空穴缓冲层20的表面。电子阻挡层30的材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷(TAPC)、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺(TPD)、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺(TCTA)或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺(NPB)。电子阻挡层30的厚度为5nm～20nm，优选为8nm。
活性层40形成于电子阻挡层30表面。活性层40的材料选自P3HT(聚3-己基噻吩)∶PCBM(富勒烯的丁酸甲酯衍生物)、MODO-PPV(聚2-甲氧基-5-(3，7-二甲基辛氧基)对苯撑乙烯)∶PCBM及MEH-PPV(聚(2-甲氧基-5-(2′-乙烯基-己氧基)聚对苯乙烯撑)∶PCBM中的一种。其中P3HT∶PCBM的质量为1∶0.8～1∶1，MODO-PPV∶PCBM的质量比为1∶1～1∶4，MEH-PPV∶PCBM的质量为1∶1～1∶4，活性层40的材料优选为质量比为1∶0.8的P3HT∶PCBM。活性层40的厚度为80nm～300nm，优选为100nm。
电子缓冲层60形成于活性层40表面。电子缓冲层60的材料为氟化锂(LiF)、叠氮铯(CsN3)或碳酸铯(Cs2CO3)，优选为LiF。电子缓冲层60的厚度为0.5nm～10nm，优选为0.7nm。
阴极70形成于电子缓冲层60表面。阴极70为金属阴极，阴极70的材料为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)，优选为Al。阴极70的厚度为80nm～250nm，优选为120nm。
该太阳能电池器件100，通过设置电子阻挡层30，电子阻挡层30的材料与活性层40的给体之间的LUMO能级相差较大，且比活性层40的能级要小，存在一定的势垒，电子阻挡层30可有效阻止电子跃迁传输到阳极10，避免形成漏电流，从而提高太阳能电池器件的能量转换效率。
请同时参阅图2，一实施例的太阳能电池器件100的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S110、在阳极10表面形成空穴缓冲层20。
阳极10为铟锡氧化物玻璃(ITO)、掺氟的氧化锡玻璃(FTO)，掺铝的氧化锌玻璃(AZO)或掺铟的氧化锌玻璃(IZO)。
本实施方式中，对阳极10前处理包括去除阳极10表面的有机污染物及对阳极10进行等氧离子处理或UV臭氧处理。将阳极10采用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙酮各超声波清洗15min，以去除基底10表面的有机污染物；对阳极10进行等氧离子处理时间为5min～15min，功率为10～50W；对阳极10进行UV臭氧处理时间为5min～20min。
空穴缓冲层20由PEDOT∶PSS的水溶液旋涂在阳极10表面制成。其中PEDOT与PSS的质量比为2∶1～6∶1，优选为6∶1。PEDOT∶PSS的质量浓度为1％～5％，优选为1.5％。旋涂后，在100℃～200℃下加热15～60min，优选的，旋涂后在200℃下加热30min。空穴缓冲层20的厚度为20nm～80nm，优选为40nm。
步骤S120、在空穴缓冲层20表面形成电子阻挡层30。
电子阻挡层30由电子阻挡材料溶于有机溶剂中形成的溶液旋涂形成。其中，电子阻挡材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷(TAPC)、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺(TPD)、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺(TCTA)或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺(NPB)。有机溶剂为甲苯、氯苯、氯仿或二甲苯。电子阻挡材料的浓度为5mg/ml～20mg/ml。旋涂后，在50℃～150℃下烘烤15min～60min。电子阻挡层30的厚度为5nm～20nm，优选为8nm。
步骤S130、在电子阻挡层30表面形成活性层40。
活性层40由活性层溶液旋涂在电子阻挡层30表面制成。活性层溶液中活性层材料的质量浓度为8mg/ml～30mg/ml，优选为10mg/ml。活性层溶液的溶剂选自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一种，活性层材料选自P3HT∶PCBM、MODO-PPV∶PCBM及MEH-PPV∶PCBM中的一种，其中，P3HT∶PCBM的质量为1∶0.8-1∶1，MODO-PPV∶PCBM的质量比为1∶1～1∶4，MEH-PPV∶PCBM的质量比为1∶1-1∶4，优选的，活性层材料为质量比为1∶0.8的P3HT∶PCBM。旋涂活性层40在充满惰性气体的手套箱中进行，之后在50℃～200℃下退火5分钟～100分钟，或在室温下放置24～48小时，优选在70℃下退火45分钟。活性层40的厚度为80nm～300nm，优选为100nm。
步骤S140、在活性层40表面形成电子缓冲层60。
电子缓冲层60由蒸镀形成。电子缓冲层60的材料为氟化锂(LiF)、叠氮铯(CsN3)或碳酸铯(Cs2CO3)，优选为LiF。电子缓冲层60的厚度为0.5nm～10nm，优选为0.7nm。
步骤S150、在电子缓冲层60表面形成阴极70。
阴极70由蒸镀形成。阴极70为金属阴极，阴极70的材料为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)，优选为Al。阴极70的厚度为80nm～250nm，优选为120nm。
上述太阳能电池器件制备方法，由旋涂的方法制备电子阻挡层30，工艺较为简单，形成的电子阻挡层30的质量较好，且电子阻挡层30与空穴缓冲层20及活性层40之间的接触较好，能有效的避免漏电流的产生，提高太阳能电池器件的能量转换效率。
以下结合具体实施例对本发明提供的太阳能电池器件的制备方法进行详细说明。
本发明实施例及对比例所用到的制备与测试仪器为：高真空镀膜设备(沈阳科学仪器研制中心有限公司，压强＜1×10-3Pa)、电流-电压测试仪(美国Keithly公司，型号：2602)、用500W氙灯(Osram)与AM 1.5的滤光片组合作为模拟太阳光的白光光源。
实施例一
先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W；在上述基底上旋涂空穴缓冲层，采用浓度为1.5％的PEDOT∶PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为6∶1，旋涂后在200℃下加热30min，空穴缓冲层厚度为40nm；将TCTA溶于氯苯中，形成浓度为8mg/ml的溶液，然后进行旋涂，150℃下烘烤30min，形成厚度为8nm的电子阻挡层；接着旋涂活性层，活性层为浓度为10mg/ml的P3HT∶PCBM，其中P3HT∶PCBM的质量为1∶0.8，在70℃下退火45分钟，活性层厚度为100nm；然后蒸镀电子缓冲层，材料为LiF，厚度为0.7nm；接着蒸镀阴极，材料为Al，厚度为120nm，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
请参阅图3，所示为实施例一中制备的结构为ITO/PEDOT∶PSS/TCTA/P3HT∶PCBM/LiF/Al的太阳能电池器件与传统的结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al太阳能电池器件的电流密度与电压关系，表1所示为实施例一中制备的结构为ITO/PEDOT∶PSS/TCTA/P3HT∶PCBM/LiF/Al的太阳能电池器件(曲线1)与传统的结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al太阳能电池器件(曲线2)的电流密度、电压、能量转换效率(η)及填充因子数据。
表1
  电流密度(mA/cm2)  电压(V)  η(％)   填充因子
 曲线1   8.35  0.69   2.04   0.35
 曲线2   7.94  0.65   1.84   0.36
从表1和图3可以看到，传统的太阳能电池器件的电流密度为7.94mA/cm2，电压为0.65V，而实施例一的太阳能电池器件的电流密度提高到了8.35mA/cm2，电压为0.69V，这说明，加入电子阻挡层的太阳能电池器件，有效阻止电子跃迁传输到样机，能有效避免漏电流的产生，从而使太阳能电池器件的能量转换效率得到了提高，常用的太阳能电池器件的能量转换效率为1.84％，实施例一的太阳能电池器件的能量转换效率为2.04％。
实施例二
先将AZO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W，在上述基底上旋涂空穴缓冲层，重量比为2∶1，质量分数为1.5％，在200℃下加热30min，厚度为20nm；制备电子阻挡层，将NPB溶于有机溶剂中，浓度为20mg/ml，溶剂为氯仿，然后进行旋涂，150℃下烘烤30min，厚度为20nm，然后旋涂活性层，材料为MEH-PPV∶PCBM，溶剂为氯苯，浓度为30mg/ml，质量比为1∶4，在50℃下退火100min，厚度为120nm；然后蒸镀电子缓冲层，材料为LiF，厚度0.5nm，接着蒸镀阴极，材料为Ag，厚度为200nm，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
实施例三
先将IZO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W，在上述基底上旋涂空穴缓冲层，重量比为3∶1，质量分数为5％，在200℃下加热30min，厚度为80nm；制备电子阻挡层，将TPD溶于有机溶剂中，浓度为5mg/ml，溶剂为二甲苯，然后进行旋涂，150℃下烘烤30min，厚度为5nm，然后旋涂活性层，材料为MDMO-PPV∶PCBM，溶剂为氯苯，浓度为8mg/ml，质量比为1∶3，在室温下放置48h，厚度为80nm；然后蒸镀电子缓冲层，材料为CsN3，厚度为10nm，接着蒸镀阴极，材料为Au，厚度为250nm，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
实施例四
先将AZO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W，在上述基底上旋涂空穴缓冲层，重量比为4∶1，质量分数为1％，在200℃下加热30min，厚度为30nm；制备电子阻挡层，将NPB溶于有机溶剂中，浓度为10mg/ml，然后进行旋涂，150℃下烘烤30min，厚度为9nm，然后旋涂活性层，材料为P3HT∶PCBM，溶剂为氯苯，浓度为12mg/ml，质量比为1∶1，在200℃下退火5min，厚度为180nm；然后蒸镀电子缓冲层，材料为Cs2CO3，厚度为5nm，接着蒸镀阴极，材料为Ag，厚度为160nm，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
实施例五
先将FTO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W，在上述基底上旋涂空穴缓冲层，重量比为3∶1，质量分数为3.5％，在200℃下加热30min，厚度为50nm；制备电子阻挡层，将TAPC溶于有机溶剂中，浓度为6mg/ml，然后进行旋涂，150℃下烘烤30min，厚度为6nm，然后旋涂活性层，材料为MDMO-PPV∶PCBM，溶剂为甲苯，浓度为18mg/ml，质量比为1∶2，在100℃下退火60min，厚度为100nm；然后蒸镀电子缓冲层，材料为Cs2CO3，厚度为7nm，接着蒸镀阴极，材料为Pt，厚度为220nm，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
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 (10)

1.一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料选自P3HT∶PCBM、MODO-PPV∶PCBM及MEH-PPV∶PCBM中的一种，其特征在于，所述太阳能电池器件还包括位于所述空穴缓冲层和所述活性层之间的电子阻挡层，所述电子阻挡层的材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述电子阻挡层的厚度为5nm～20nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述空穴缓冲层的材料为PEDOT与PSS的混合物。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述PEDOT与PSS的质量比为2∶1～6∶1。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述电子缓冲层为氟化锂、叠氮铯或碳酸铯。
6.一种太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在阳极表面形成空穴缓冲层；
在所述空穴缓冲层表面形成电子阻挡层，所述电子阻挡层的材料为1，1-二[4-[N，N′-二(p-甲苯基)氨基]苯基]环己烷、N，N’-二(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺、4，4′，4″-三(咔唑-9-基)三苯胺或N，N’-(1-萘基)-N，N’-二苯基-4，4’-联苯二胺；
在所述电子阻挡层表面形成活性层，所述活性层的材料选自P3HT∶PCBM、MODO-PPV∶PCBM及MEH-PPV∶PCBM中的一种；
在所述活性层表面形成电子缓冲层；及
在所述电子缓冲层表面形成阴极。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述电子阻挡层由所述电子阻挡层的材料溶于有机溶剂中形成的浓度为5mg/ml～20mg/ml的溶液旋涂在所述空穴缓冲层表面形成，所述有机溶剂为甲苯、氯苯、氯仿或二甲苯。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述电子阻挡层的厚度为5nm～20nm。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述空穴缓冲层的材料为PEDOT与PSS的混合物。
10.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述电子缓冲层为氟化锂、叠氮铯或碳酸铯。
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