CN103337592A - 一种提高聚合物太阳能电池效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高聚合物太阳能电池效率的方法，该方法是在制备聚合物太阳能电池的过程中，在光敏层与金属阴极之间引入ZnO电子传输层，并用氢等离子体处理该ZnO电子传输层。氢扩散到ZnO材料中形成浅施主能级，提高了ZnO的载流子浓度，使ZnO的电阻率降低，减小了聚合物太阳能电池的串联电阻，提高了电池的填充因子。另一方面，氢等离子体处理后ZnO表面由于氢终止，其费米能级上升，功函数减小，使得聚合物太阳能电池的开路电压提高。增大的填充因子和开压使聚合物太阳能电池的效率得到明显提高。

Description

一种提高聚合物太阳能电池效率的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种提高聚合物太阳能电池效率的方法。
背景技术
有机聚合物太阳能电池由于其重量轻、成本低、制备简单及可制备成柔性器件等优点，近年来，越来越多的工作者致力于聚合物太阳能电池相关材料和器件工艺的研究，而如何提高聚合物太阳能电池的效率成为很多工作者研究的重点。
聚合物太阳能电池的效率受开路电压、填充因子、短路电流密度等因素的影响，如能同时提高以上参数，则可以有效提高电池的效率。其中电池的开路电压主要受给体材料与受体材料能级的限制，对于确定的光敏层材料，电池的开路电压基本确定。电池的填充因子受载流子传输性能、电池的串联电阻及并联电阻等因素的影响，因此，提高材料的电导率、减小电池的串联电阻可以有效地提高电池的填充因子。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种提高聚合物太阳能电池效率的方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种提高聚合物太阳能电池效率的方法，该方法是在制备聚合物太阳能电池的过程中，在光敏层与金属阴极之间引入ZnO电子传输层，并用氢等离子体处理该ZnO电子传输层。
上述方案中，所述在光敏层与金属阴极之间引入ZnO电子传输层，并用氢等离子体处理该ZnO电子传输层，具体过程如下：清洗衬底；在该衬底上制备空穴传输层；在该空穴传输层上制备光敏层；在该光敏层上制备ZnO电子传输层；用氢等离子体处理该ZnO电子传输层；以及在该ZnO电子传输层上制备金属阴极。
上述方案中，所述ZnO电子传输层的厚度介于35nm至45nm之间。
上述方案中，所述用氢等离子体处理该ZnO电子传输层，氢等离子体处理时的工作压强介于140Pa至170Pa之间，氢等离子体处理时的功率介于30W至50W之间，氢等离子体处理时间介于20秒至3分钟之间。
上述方案中，所述用氢等离子体处理该ZnO电子传输层，工作温度为室温。
上述方案中，所述衬底为透明导电电极衬底或玻璃衬底。所述透明导电电极衬底选用ITO、FTO或AZO中的一种。
上述方案中，所述空穴传输层采用的材料为PEDOT:PSS共混膜.
上述方案中，所述光敏层的厚度为100nm，材料选用P3HT-PCBM共混膜、PEH：PPV-PCBM共混膜、PCDTBT-PCBM共混膜、P3HT-ICBA共混膜中的一种。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的这种提高聚合物太阳能电池效率的方法，具有以下有益效果：
(1)用氢等离子体处理ZnO电子传输层，氢扩散到ZnO体内，提高了ZnO的载流子浓度，减小了ZnO的电阻率，电池的串联电阻减小，从而可以提高电池的填充因子，有效地提高了电池的效率。
(2)用氢等离子体处理ZnO电子传输层，氢等离子体处理后ZnO的表面由于氢终止，使得ZnO的费米能级上升，功函数减小，有利于提高电池的开路电压，从而有效提高太阳能电池的效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例制备聚合物太阳能电池的方法流程图；
图2为图1制备的聚合物太阳能电池的结构示意图；
图3为经过及未经过氢等离子体处理ZnO电子传输层的聚合物太阳能电池的I-V曲线图。
【主要元件符号说明】
10-玻璃衬底；
20-ITO；
30-PEDOT:PSS；
40-P3HT/PCBM(聚噻吩/富勒烯衍生物)共混层；
50-ZnO电子传输层；
60-Al电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明提供的提高聚合物太阳能电池效率的方法，是在制备聚合物太阳能电池的过程中，在光敏层与金属阴极之间引入ZnO电子传输层，并用氢等离子体处理该ZnO电子传输层。
在光敏层与金属阴极之间引入低功函数的电子传输层，不但可以有效提高电子的传输能力，还可以提高电池的开路电压。有机聚合物太阳电池中常用的电子传输层材料包括：ZnO、TiO2、Cs2CO3等，对于引入固定的电子传输层材料，电池开路电压的提高程度基本固定。如果通过适当方法能够降低这些电子传输层的功函数，聚合物太阳能电池的效率有望能进一步提高。对于常用的电子传输层材料ZnO，通过氢等离子体处理，材料的电阻率降低，材料表面的功函数减小，因此，将其应用到聚合物太阳能电池中，可以有效地提高电池的填充因子及开路电压，从而提高太阳能电池的效率。
本发明用氢等离子体处理ZnO电子传输层，通过改变氢等离子体处理的条件，ZnO层的电阻率降低，电池的串联电阻减小，因此电池的填充因子提高；同时ZnO的功函数减小，有利于提高聚合物太阳能电池的开路电压，从而提高了聚合物太阳能电池的效率。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备聚合物太阳能电池的方法，参照图1，图1为根据本发明实施例制备聚合物太阳能电池的方法流程图，具体步骤如下：
步骤1：清洗衬底；该衬底包括玻璃10及图案化的ITO20，图案化的ITO20形成于玻璃10之上。该衬底已经按照所需的电池有效面积进行光刻，此为电池的阳极，其中ITO20层的方块电阻为7-15Ω/□；
步骤2：在清洗后的衬底上旋涂制备一层PEDOT:PSS30，作为空穴传输层，该层厚度为35-45nm；
步骤3：在PEDOT:PSS空穴传输层30上旋涂制备一层光敏层，即聚噻吩(P3HT)-富勒烯衍生物(PCBM)共混层40，该层的厚度约为100nm；
步骤4：在P3HT-PCBM光敏层上制备一层ZnO电子传输层50，该层厚度为35-45nm；
步骤5：在射频耦合的等离子体系统中，用氢等离子体处理ZnO电子传输层50，工作压强为160Pa，射频功率为30W，处理时间为3min，工作温度为室温；
步骤6：在ZnO电子传输层50上热蒸发制备Al电极60，作为电池的阴极，其厚度为100-120nm；
步骤7：将上述器件在充满高纯氮气的手套箱中退火，手套箱中的水含量和氧含量均低于1ppm，退火温度为130-150℃，退火时间为10-15min。
经过上述步骤，完成了聚合物太阳能电池的制备，图2示出了制备的聚合物太阳能电池的结构示意图。
采用上述方法，制备了经氢等离子体处理ZnO层的聚合物太阳能电池，如果将在相同条件下制备的未经氢等离子体处理的电池与采用图1所示方法作制备的聚合物太阳能电池进行对比，两块太阳电池光照下的I-V曲线如图3所示。用氢等离子体处理ZnO电子传输层后，电池的开路电压从0.606eV增加到0.671eV，填充因子从53％增加到60％，电池的光电转换效率从3.08％增加到3.57％，相对提高了16％。
需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
综上所述，本发明提供的提高聚合物太阳能电池效率的方法中，通过用氢等离子体处理ZnO电子传输层，降低了材料的电阻率，使ZnO层的电子传输能力提高，电池的串联电阻减小，从而提高了电池的填充因子。同时，ZnO表面功函数减小，提高了电池的开路电压。增大的填充因子和开压使得聚合物太阳能电池的光电转换效率得到明显提高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，该方法是在制备聚合物太阳能电池的过程中，在光敏层与金属阴极之间引入ZnO电子传输层，并用氢等离子体处理该ZnO电子传输层。
2.根据权利要求1所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述在光敏层与金属阴极之间引入ZnO电子传输层，并用氢等离子体处理该ZnO电子传输层，具体过程如下：
清洗衬底；
在该衬底上制备空穴传输层；
在该空穴传输层上制备光敏层；
在该光敏层上制备ZnO电子传输层；
用氢等离子体处理该ZnO电子传输层；以及
在该ZnO电子传输层上制备金属阴极。
3.根据权利要求2所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述ZnO电子传输层的厚度介于35nm至45nm之间。
4.根据权利要求2所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述用氢等离子体处理该ZnO电子传输层，氢等离子体处理时的工作压强介于140Pa至170Pa之间，氢等离子体处理时的功率介于30W至50W之间，氢等离子体处理时间介于20秒至3分钟之间。
5.根据权利要求2或4所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述用氢等离子体处理该ZnO电子传输层，工作温度为室温。
6.根据权利要求2所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述衬底为透明导电电极衬底或玻璃衬底。
7.根据权利要求6所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述透明导电电极衬底选用ITO、FTO或AZO中的一种。
8.根据权利要求2所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述空穴传输层采用的材料为PEDOT:PSS共混膜.
9.根据权利要求2所述的提高聚合物太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述光敏层的厚度为100nm，材料选用P3HT-PCBM共混膜、PEH:PPV-PCBM共混膜、PCDTBT-PCBM共混膜、P3HT-ICBA共混膜中的一种。
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