CN103928614B - 一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，属于有机半导体薄膜太阳能电池领域。本发明提供的太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，极性缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层材料为如下质量百分比的混合物组成：N,N‑二甲基甲酰胺87～93%，甲醇3～5%，聚(3,4‑亚乙二氧基噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)2～10%。本发明在阳极缓冲层与光活性层间加入一层极性缓冲层，能够有效地促进阳极缓冲层的相分离，降低电池的串联电阻，减少载流子复合几率，增加器件的填充因子，进而使器件的光电转换效率得到提高。

Description

一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池
技术领域
本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池。
背景技术
随着全球能源需求的爆炸式增长，能源问题己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有洁净、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究光伏发电解决能源问题成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机半导体材料不仅材料本身的合成条件和器件化工艺条件相对温和，其分子化学结构容易修饰，用其来制作电池时，可以满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求。从20世纪90年代起，随着薄膜技术的迅猛发展，采用新材料新结构新工艺制备的电池的性能得到大幅度的提高。
然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。制备合适的阳极缓冲层是提高有机太阳电池光电转换效率的有效方法。其中，PEDOT:PSS由于其拥有良好的溶解性及空穴传输性而在近年来被广泛应用于有机太阳能电池中。基于PEDOT:PSS阳极缓冲层的有机太阳能电池展现出了良好的光电性能，而进一步优化PEDOT:PSS阳极缓冲层则成为目前此领域研究的重点。
目前，由于PEDOT:PSS中传输空穴的主体PEDOT基团在成膜后不能有效地与亲水不导电的PSS基团分离，从而制约了阳极缓冲层中载流子空穴的传输速率。目前主要的解决方法是在PEDOT:PSS中参入一定量的极性溶剂以改善阳极缓冲层的导电率。但在PEDOT:PSS薄膜干燥退火的过程中，极性溶剂挥发速率与PEDOT:PSS溶液不同步将导致阳极缓冲层成膜不均匀，从而形成载流子传输陷阱，极大地限制了器件的效率获得进一步提升。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种有机薄膜太阳能电池，目的是通过引入极性缓冲层来修饰阳极缓冲层，以实现：(1)促进PEDOT:PSS薄膜的相分离，提高薄膜的电导率；(2)降低器件的串联电阻；(3)降低载流子复合几率以提高器件的填充因子。
本发明的技术方案为：
一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，光活性层，极性缓冲层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层质量百分比组成为：N,N-二甲基甲酰胺87～93 %，甲醇3～5 %，PEDOT:PSS 2～10%，所述极性缓冲层厚度范围为1～10 nm。
作为优选，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，厚度范围为15～50 nm。
作为优选，所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，厚度范围为50～300 nm；所述混合溶液中P3HT和PCBM的质量百分比为1:20～5:1，所述混合溶液的浓度为1～20 mg/ml。
作为优选，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，厚度范围为1～20 nm。
作为优选，所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，所述金属阴极厚度范围为100～300 nm。
作为优选，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
本发明的优点在于：
一、本发明提供的有机薄膜太阳能电池，能有效地促进PEDOT:PSS阳极缓冲层中PEDOT基团与PSS基团垂直相分离，提高了阳极缓冲层的电导率。
二、本发明提供的有机薄膜太阳能电池，在ITO阳极与光活性层中通过引入极性缓冲层来降低接触势垒，有效地降低了器件的串联电阻。
三、本发明提供的有机薄膜太阳能电池，其阳极缓冲层成膜均匀，有效地减少了载流子传输陷阱，降低了载流子复合几率，最终显著地提高了器件的填充因子，进而使太阳能电池的光电转换效率得到提高。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池的结构示意图，从下到上依次为：1表示衬底；2表示透明导电阳极ITO；3表示阳极缓冲层；4表示极性溶剂缓冲层；5表示光活性层；6表示阴极缓冲层；7表示金属阴极。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明的技术方案是提供一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，如图1所示，该太阳能电池采用正型电池结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，极性缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层质量百分比组成为：N,N-二甲基甲酰胺87～93 %，甲醇3～5 %，PEDOT:PSS 2～10%，薄层厚度范围为1～10 nm。所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，所述阳极缓冲层厚度范围为15～50 nm；所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM混合制备而成，所述P3HT:PCBM混合溶液质量组分比为1:20～5:1，所述溶液浓度为1～20 mg/ml，厚度为50～300 nm；所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，厚度范围为1～20 nm；所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu，薄层厚度为100～300 nm；所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
实施例1：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺90 %，甲醇3 %，PEDOT:PSS 7%, 5000 rpm, 60s, 4 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.55 V，短路电流(JSC)=9.65 mA/cm2，填充因子(FF)=0.59，光电转换效率(PCE)=3.13 %。
实施例1制备而成的有机薄膜太阳能电池有极性溶剂修饰，其结构表示为ITO/PEDOT:PSS/BL/P3HT:PCBM/ZnO/Ag，其串联电阻（RS）为1.03 ohm cm2，并联电阻（RSq）为307.3 ohm cm2。
实施例2：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺93 %，甲醇5 %, PEDOT:PSS 2%, 5000 rpm, 60s, 4 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.55 V，短路电流(JSC)=10.1 mA/cm2，填充因子(FF)=0.60，光电转换效率(PCE)=3.33 %。
实施例3：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺87 %，甲醇5 %, PEDOT:PSS 8%, 5000 rpm, 60s, 4 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s，250nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM 1.5, 100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56 V，短路电流(JSC)=9.85 mA/cm2，填充因子(FF)=0.61，光电转换效率(PCE)=3.36 %。
实施例4：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 40s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺90 %，甲醇5 %, PEDOT:PSS 5%, 5000 rpm, 50s, 6 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.54 V，短路电流(JSC)=10.42 mA/cm2，填充因子(FF)=0.58，光电转换效率(PCE)=3.26 %。
实施例5：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 50s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺93 %，甲醇4 %, PEDOT:PSS 3%, 5000 rpm, 40s, 4 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.55 V，短路电流(JSC)=9.61 mA/cm2，填充因子(FF)=0.59，光电转换效率(PCE)=3.11 %。
实施例6：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 15 min)；在阳极缓冲层上喷涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺88 %，甲醇5 %, PEDOT:PSS 7%, 18 cm, 2 ml/min, 5 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(4000 rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.54 V，短路电流(JSC)=10.80 mA/cm2，填充因子(FF)=0.59，光电转换效率(PCE)=3.44 %。
实施例7：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上喷涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺93 %，甲醇4 %, PEDOT:PSS 3%, 16 cm, 2.8 ml/min, 8 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面蒸镀Bphen(5 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM 1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.57 V，短路电流(JSC)=9.84 mA/cm2，填充因子(FF)=0.58，光电转换效率(PCE)=3.25 %。
实施例8：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺93 %，甲醇3 %, PEDOT:PSS 4%, 18 cm, 2.8ml/min, 8 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000 rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面蒸镀Bphen(3nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM 1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.55 V，短路电流(JSC)=11.2 mA/cm2，填充因子(FF)=0.57，光电转换效率(PCE)=3.51 %。
实施例9：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺90 %，甲醇5 %, PEDOT:PSS 5%, 16 cm, 2.8ml/min, 8 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000 rpm, 25 s, 220 nnm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面蒸镀BCP(5nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM 1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56 V，短路电流(JSC)=11.3 mA/cm2，填充因子(FF)=0.57，光电转换效率(PCE)=3.61 %。
实施例10：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上旋转涂覆极性缓冲层(N,N-二甲基甲酰胺92 %，甲醇3 %, PEDOT:PSS 5%, 18 cm, 2.8ml/min, 8 nm)；在极性缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000 rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面蒸镀BCP(3nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM 1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56 V，短路电流(JSC)=10.73 mA/cm2，填充因子(FF)=0.60，光电转换效率(PCE)=3.61 %。
实施例11 (对照组)：
对表面粗糙度小于1 nm的由透明衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(3000 rpm, 60s, 30 nm)制备阳极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(130 ℃, 30 min)；在阳极缓冲层上制备P3HT:PCBM(1:20, 20 mg/ml)光活性层(1000 rpm, 25 s, 220 nm)，并进行烘烤(140 ℃, 5 min)；在光活性层表面旋转涂覆ZnO溶液(5000 rpm, 40 s, 15 nm)制备阴极缓冲层；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150 ℃, 5 min)；在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极Ag(100 nm)。在标准测试条件下：AM 1.5, 100 mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56 V，短路电流(JSC)=8.72 mA/cm2，填充因子(FF)=0.51，光电转换效率(PCE)=2.49%。
实施例11为对照例，其制备而成的有机薄膜太阳能电池无极性溶剂修饰，其结构表示为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Alq3/Ag，其串联电阻（RS）为2.58 ohm cm2，并联电阻（RSq）为155.6 ohm cm2。
实施例1和实施例11 （对照组）制得的太阳能电池的串联电阻（RS）和并联电阻（RSq）参数见下表,（BL为极性缓冲层）：
由上表可以看出：经过极性溶剂修饰的太阳能电池（即实施例1制备而成的太阳能电池，结构为：ITO/PEDOT:PSS/BL/P3HT:PCBM/ZnO/Ag）相比于没有极性溶剂修饰的太阳能电池（即实施例11制备而成的太阳能电池，结构为：ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/ZnO/Ag），串联电阻更小，并联电阻更大，则实施例1制备的有极性溶剂修饰的有机薄膜太阳能电池的填充因子更大，此太阳能电池的转化效率更高。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (5)

1.一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阳极ITO，阳极缓冲层，极性缓冲层，光活性层，阴极缓冲层，金属阴极；所述极性缓冲层质量百分比组成为：N,N-二甲基甲酰胺87～93 %，甲醇3～5%，聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)2～10%，所述极性缓冲层厚度范围为1～10 nm；
所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，厚度范围为15～50 nm。
2.根据权利要求1所述的一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光活性层由电子给体材料P3HT与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，厚度范围为50～300 nm；所述混合溶液中P3HT和PCBM的质量百分比为1:20～5:1，所述混合溶液的浓度为1～20 mg/ml。
3.根据权利要求1所述的一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，厚度范围为1～20 nm。
4.根据权利要求1所述的一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，所述金属阴极厚度范围为100～300 nm。
5.根据权利要求1所述的一种高填充因子的有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
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