CN103824945A - 太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents

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CN103824945A CN201210468802.6A CN201210468802A CN103824945A CN 103824945 A CN103824945 A CN 103824945A CN 201210468802 A CN201210468802 A CN 201210468802A CN 103824945 A CN103824945 A CN 103824945A
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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、活性层及阴极，所述活性层的材料选自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的至少一种，所述阴极的材料包括金属、金属氟化物及电子缓冲材料，所述金属选自铝、银、金及铂中的至少一种，所述金属氟化物选自氟化镁、氟化钠、氟化锂及氟化钙中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。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。目前常用的太阳能电池对光的吸收率较低，从而导致太阳能电池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及其制备方法。
一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层及阴极，所述活性层的材料选自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的至少一种，所述阴极的材料包括金属、金属氟化物及电子缓冲材料，所述金属选自铝、银、金及铂中的至少一种，所述金属氟化物选自氟化镁、氟化钠、氟化锂及氟化钙中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
在优选的实施例中，所述阴极的厚度为50nm~400nm。
在优选的实施例中，所述阴极中所述金属氟化物与所述金属的质量比为1:10~3:5，所述电子缓冲材料与所述金属的质量比为1:200~1:10。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
在优选的实施例中，所述阳极为铟锡氧化物玻璃、掺氟氧化锡玻璃、掺铝的氧化锌玻璃或掺铟的氧化锌玻璃。
一种太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
在阳极表面依次旋涂制备空穴缓冲层及活性层，所述活性层的材料选自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的至少一种；及
将金属、金属氟化物及电子缓冲材料分别放在三个蒸发舟中，在所述活性层表面蒸镀制备阴极，所述金属选自铝、银、金及铂中的至少一种，所述金属氟化物选自氟化镁、氟化钠、氟化锂及氟化钙中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
在优选的实施例中，所述阴极的厚度为50nm~400nm。
在优选的实施例中，所述阴极中，所述金属氟化物与所述金属的质量比为1∶10~3:5，所述电子缓冲材料与所述金属的质量比为1:200~1:10。
在优选的实施例中，蒸镀阴极在真空压力为5×10-3~2×10-4Pa下进行，所述金属的蒸镀速率为1nm/s~10nm/s，所述金属氟化物的蒸镀速率为0.1nm/s~1nm/s，所述电子缓冲材料的蒸镀速率为0.1nm/s~1nm/s。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
上述太阳能电池器件及其制造方法，通过制备掺杂阴极，用低折射率材料与金属进行混合，同时加入电子缓冲材料，低折射率材料可使穿过活性层的光线发生全反射，回到活性层被活性层材料吸收，从而提高光电转换效率；而掺杂电子缓冲层后，无需制备电子缓冲层，简化了制备工艺，同时，电子缓冲材料与金属材料进行混合后，形成一种颗粒互相堆叠的结构，颗粒之间连接紧密，形成致密的薄膜，粒径增大，对光有很强的反射作用，增强太阳能电池器件对光的吸收，可进一步提高光电转换效率。
【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1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、活性层30及阴极40。
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。
活性层30形成于空穴缓冲层20表面。活性层30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与PCBM的质量为1:0.8~1:1，MODO-PPV与PCBM的质量比为1:1~1:4，MEH-PPV与PCBM的质量为1:1~1:4，活性层30的材料优选为质量比为1:0.8的P3HT:PCBM。活性层30的厚度为80nm~300nm，优选为200nm。
阴极40形成于活性层表面。阴极40的材料包括金属、掺杂在金属中的金属氟化物及电子缓冲材料。金属选自铝（Al）、银（Ag）、金（Au）及铂（Pt）中的至少一种。金属氟化物选自氟化镁（MgF2）、氟化钠（NaF）氟化锂（LiF）及氟化钙（CaF2）中的至少一种。电子缓冲材料选自叠氮化铯（CsN3）、碳酸锂（Li2CO3）及碳酸铯（Cs2CO3）中的至少一种。金属氟化物与金属的质量比为1∶10~3:5。电子缓冲材料与金属的质量比为1:200~1∶10。阴极40的厚度为50nm~400nm。
该太阳能电池器件100，通过制备掺杂阴极40，用低折射率材料与金属进行混合，同时加入电子缓冲材料，低折射率材料可使穿过活性层的光线发生全反射，回到活性层被活性层材料吸收，从而提高光电转换效率；而掺杂电子缓冲层后，无需制备电子缓冲层，简化了制备工艺，同时，电子缓冲材料与金属材料进行混合后，形成一种颗粒互相堆叠的结构，颗粒之间连接紧密，形成致密的薄膜，粒径增大，对光有很强的反射作用，增强太阳能电池器件100对光的吸收，可进一步提高光电转换效率。
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表面依次旋涂制备空穴缓冲层20及活性层30。
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。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。
空穴缓冲层20由PEDOT:PSS的水溶液旋涂在阳极10表面制成。旋涂的转速为2000rpm~6000rpm，时间为10s~30s。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1.3%。旋涂后，在100℃~200℃下加热15~60min，优选的，旋涂后在150℃下加热30min。空穴缓冲层20的厚度为20nm~80nm，优选为40nm。
活性层30由活性层溶液旋涂在空穴缓冲层20表面制成。旋涂的转速为4000rpm~6000rpm，时间为10s~30s。活性层溶液中活性层材料的浓度为8mg/ml~30mg/ml，优选为18mg/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，优选为氯苯。活性层材料选自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的一种，其中，P3HT与PCBM的质量为1:0.8-1:1，MODO-PPV与PCBM的质量比为1:1~1:4，MEH-PPV与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30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200℃下退火5分钟。活性层30的厚度为80nm~300nm，优选为200nm。
步骤S120、将金属、金属氟化物及电子缓冲材料分别放在三个蒸发舟中，在活性层30表面蒸镀制备阴极40，金属选自铝、银、金及铂中的至少一种，金属氟化物选自氟化镁、氟化钠、氟化锂及氟化钙中的至少一种，电子缓冲材料选自叠氮化铯、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
金属氟化物与金属的质量比为1:10~3:5。电子缓冲材料与金属的质量比为1:200~1:10。阴极40的厚度为50nm~400nm。
蒸镀阴极40在真空压力为5×10-3~2x10-4Pa下进行，所述金属的蒸镀速率为1nm/s~10nm/s，金属氟化物的蒸镀速率为0.1nm/s~1nm/s，电子缓冲材料的蒸镀速率为0.1nm/s~1nm/s。
上述太阳能电池器件制备方法，无需制备电子缓冲层，制备工艺简单；制备的太阳能电池器件的能量转换效率较高。
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1
本实施例制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/MgF2:CsN3:Ag的太阳能电池器件。
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1.3%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为6:1，旋涂的转速为4000rpm，时间为20s，旋涂后在150℃下加热30min，空穴缓冲层厚度为40nm；接着旋涂活性层，活性层由浓度为18mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为氯苯，其中P3HT:PCBM的质量为1:0.8，旋涂的转速为4500rpm，时间为15s，旋涂后在200℃下退火5分钟，活性层厚度为200nm；蒸镀阴极，材料为MgF2、CsN3及Ag，MgF2与Ag的质量比为2:5，CsN3与Ag的质量比为1:200，阴极厚度为150nm，蒸镀在真空压力为5×10-4Pa下进行，MgF2的蒸镀速率为0.5nm/s，CsN3的蒸镀速率为0.2nm/s，Ag的蒸镀速率为2nm/s，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1中制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/MgF2:CsN3:Ag的太阳能电池器件（曲线1）与传统的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/CsN3/Ag太阳能电池器件（曲线2）的电流密度与电压关系，表1所示为实施例1中制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/MgF2:CsN3:Ag的太阳能电池器件与传统的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/CsN3/Ag的太阳能电池器件的电流密度、电压、能量转换效率（η）及填充因子数据。传统的太阳能电池器件中各层厚度与实施例1制备的太阳能电池器件中各层厚度相同。
表1
电流密度（mA/cm2） 电压(V) η(%） 填充因子
曲线1 16.23 0.69 3.98 0.35
曲线2 9.85 0.65 2.28 0.36
从表1和图3可以看到，常用的太阳能电池器件电流密度为9.85mA/cm2，而实施例1制备的太阳能电池器件电流密度提高到了16.23mA/cm2，这说明，通过制备掺杂的阴极，增强器件对光的吸收，低折射率材料可使穿过活性层的光线发生全反射，回到活性层被活性层材料吸收，从而提高光电转换效率。传统的太阳能电池器件的能量转换效率为2.28%，而本实施例制备的太阳能电池器件的能量转换效率为3.98%。
以下各个实施例的电流密度与电压关系曲线、电流密度、电压、能量转换效率及填充因子都与实施例1相类似，各太阳能电池器件也具有类似的能量转换效率，在下面不再赘述。
实施例2
本实施例制备的结构为IZO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/NaF:Cs2CO3:Au的太阳能电池器件。
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，采用浓度为1%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为2:1，旋涂的转速为2000rpm，时间为10s，旋涂后在100℃下加热60min，厚度80nm；接着旋涂活性层，活性层由浓度为24mg/ml的MEH-PPV:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为氯仿，其中MEH-PPV与PCBM的质量为1:4，旋涂的转速为4000rpm，时间为10s，旋涂后在100℃下退火20min，厚度为160nm；蒸镀阴极，材料为NaF、Cs2CO3及Au，NaF与Au的质量比为3:5，Cs2CO3与Au的质量比为1:200，阴极厚度为50nm，蒸镀在真空压力为2×10-4Pa下进行，NaF的蒸镀速率为0.1nm/s，Cs2CO3的蒸镀速率为0.1nm/s，Au的蒸镀速率为1nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
实施例3
本实施例制备的结构为FTO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/CaF2:Li2CO3:Pt的太阳能电池器件。
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，采用浓度为5%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为6:1，旋涂的转速为6000rpm，时间为30s，旋涂后在200℃下加热15min，厚度20nm；接着旋涂活性层，活性层由浓度为16mg/ml的MEH-PPV:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为二甲苯，其中MEH-PPV与PCBM的质量为1:3，旋涂的转速为6000rpm，时间为30s，旋涂后在100℃下退火100min，厚度为200nm；蒸镀阴极，材料为CaF2、Li2CO3及Pt，CaF2与Pt的质量比为1:10，Li2CO3与Pt的质量比为1∶10，阴极厚度为400nm，蒸镀在真空压力为5×10-3Pa下进行，CaF2的蒸镀速率为1nm/s，Li2CO3的蒸镀速率为1nm/s，Pt的蒸镀速率为10nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
实施例4
本实施例制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/MDMO-PPV:PCBM/LiF:Cs2CO3:Al的太阳能电池器件。
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2.5%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为3:1，旋涂的转速为4500rpm，时间为20s，旋涂后在150℃下加热40min，厚度40nm；旋涂活性层，活性层由浓度为8mg/ml的MDMO-PPV:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为甲苯，其中MDMO-PPV与PCBM的质量为1:2，旋涂的转速为5500rpm，时间为15s，旋涂后在70℃下退火100min，厚度为300nm；蒸镀阴极，材料为LiF、Cs2CO3及Al，LiF与Al的质量比为2:5，Cs2CO3与Al的质量比为1:200，阴极厚度为250nm，蒸镀在真空压力为8×10-4Pa下进行，LiF的蒸镀速率为0.5nm/s，Cs2CO3的蒸镀速率为0.7nm/s，Al的蒸镀速率为2.5nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
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，其特征在于，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层及阴极，所述活性层的材料选自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的至少一种，所述阴极的材料包括金属、金属氟化物及电子缓冲材料，所述金属选自铝、银、金及铂中的至少一种，所述金属氟化物选自氟化镁、氟化钠、氟化锂及氟化钙中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述阴极的厚度为50nm~400nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述阴极中所述金属氟化物与所述金属的质量比为1:10~3:5，所述电子缓冲材料与所述金属的质量比为1:200~1:10。
4.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聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述阳极为铟锡氧化物玻璃、掺氟氧化锡玻璃、掺铝的氧化锌玻璃或掺铟的氧化锌玻璃。
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：
在阳极表面依次旋涂制备空穴缓冲层及活性层，所述活性层的材料选自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的至少一种；及
将金属、金属氟化物及电子缓冲材料分别放在三个蒸发舟中，在所述活性层表面蒸镀制备阴极，所述金属选自铝、银、金及铂中的至少一种，所述金属氟化物选自氟化镁、氟化钠、氟化锂及氟化钙中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
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：所述阴极的厚度为50nm~400nm。
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：所述阴极中，所述金属氟化物与所述金属的质量比为1:10~3:5，所述电子缓冲材料与所述金属的质量比为1:200~1:10。
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：蒸镀阴极在真空压力为5×10-3~2×10-4Pa下进行，所述金属的蒸镀速率为1nm/s~10nm/s，所述金属氟化物的蒸镀速率为0.1nm/s~1nm/s，所述电子缓冲材料的蒸镀速率为0.1nm/s~1nm/s。
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：所述空穴缓冲层的材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
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