CN104201286B - 一种有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种有机太阳能电池及其制备方法，涉及一种太阳能电池。所述有机太阳能电池的结构组成为：在基底上表面从上至下依次为阳极缓冲层、第1花菁层、第2～N花菁层、受体层、阴极缓冲层和金属电极。制备方法：将花菁溶解于四氟丙醇溶剂中，制得花菁溶液；使用花菁溶液在太阳能电池基底上涂布第1花菁层；在第1花菁层上涂布第2～N花菁层；在第N花菁层上涂布受体层；在受体层上涂布阴极缓冲层和金属电极，得到有机太阳能电池。可以利用花菁材料减少给‑受体层的数量，减少制备工序及太阳能电池的厚度，同时提升了太阳能电池的电性能。花菁可溶于溶剂，溶解后的花菁染料可以用旋涂或印刷的工艺涂布至太阳能电池表面，操作十分简便，成本低。

Description

一种有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
虽然太阳能电池的种类很多，但是其工作原理中，有一点大致相同，即太阳能电池受光后，所激发的正负电荷(空穴与电子)通过一对介质材料导出而产生电流，这一对介质材料通常为双层结构。在传统太阳能电池中，这一对介质材料被形成“P-N结”，在新材料太阳能电池中，这一对介质材料被成为“给体与受体”。每一不同种类的太阳能电池中的介质材料均有着不同的光谱吸收范围，甚至相同种类的太阳能电池亦可以采用不同光谱吸收范围的介质材料而制备，因此太阳能电池中存在光电转换效率的差异。
为了提升太阳能电池的光谱吸收范围和转换效率，许多种类的太阳能电池采用了叠层的方式。比如非晶硅太阳能电池可采用2～3对P-N结进行叠层，每个叠层拥有不同的光谱吸收范围，叠加后相当于该电池的光谱吸收范围为以上P-N结的总和，无疑提高了光电转换效率。
但是，由于传统太阳能电池中，每个叠层必须由一个完整的P-N结所构成，而叠层P-N结的制作工艺十分复杂，需依靠真空溅射的工艺制备，大大增加了太阳能电池的成本，因此，目前市场上的叠层太阳能电池在很大程度上受到性价比的制约。而且P-N结单体厚度较大，若叠层数量太多，必将导致太阳能电池内阻的增大和透光率的下降，降低太阳能电池的电性能，起到适得其反的效果。
中国专利CN102280589A公开一种具有异质结有机小分子器件阳极修饰技术。克服现有技术转换效率低，采用阳极插入层修饰阳极界面，抑制阳极激子拆分，提高载流子收集效率和能量转换效率。主要技术特征：在透明电极上面有一阳极修饰层，该修饰层用于抑制阳极界面激子拆分。在修饰层上由电子给体和电子受体的光敏层构成异质结结构。在阳极-给体界面上有效抑制阳极界面激子拆分的同时，能够有效收集载流子，从而提升了有机太阳能电池能量转换效率。
中国专利CN102290529A公开一种单层有机太阳能电池，包括透明绝缘衬底、在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、金属纳米颗粒层、光敏层和阴极电极层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值高于透明阳极电极层的功函数值。该单层有机太阳能电池中设置了金属纳米颗粒层，从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对的激子拆分效率，使得最终提升单层有机太阳能电池的能量转换效率；单层有机太阳能电池器件的制备方法采用性能稳定的溅射和真空蒸镀的方式将该太阳能电池器件各层依次形成，使得各层间连接紧密、牢固，从而使得该太阳能电池器件性能稳定，生产效率高，适于工业化生产。
中国专利CN102315389A公开一种单层有机太阳能电池，包括透明绝缘衬底和在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层和阴极电极层，所述阴极电极层至少一面层叠形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。该单层有机太阳能电池中设置了金属纳米颗粒层，从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对的激子拆分效率，使得最终提升其能量转换效率；单层有机太阳能电池器件的制备方法将该太阳能电池器件各层依次形成，使得各层间连接紧密、牢固，从而使得该太阳能电池器件性能稳定，生产效率高，适于工业化生产。
中国专利CN102142521A公开一种有机太阳能电池及其制备方法。该有机太阳能电池包括光反射性电极、设于所述光反射性电极上的光敏层、设于所述光敏层上的透明电极，还包括设于所述透明电极上的上转换结构，以及位于所述透明电极和上转换结构之间的透明绝缘层，所述上转换结构包括对光谱具有上转换功能的上转换材料。在所述有机太阳能电池中，一方面，通过设置上转换结构，可提高电池光电转换性能；另一方面，通过设置透明绝缘层，可以保证上转换层与太阳能电池在电学上的相对独立，避免了上转换材料对太阳能电池光电转换的不利影响，增强有机太阳能电池的电学性能，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机太阳能电池及其制备方法。
所述有机太阳能电池的结构组成如下：
在基底上表面从上至下依次为阳极缓冲层、第1花菁层、第2～N花菁层、受体层、阴极缓冲层和金属电极。
所述阳极缓冲层可采用导电聚合物层或金属氧化物层等。
所述阴极缓冲层可采用导电聚合物层或金属氧化物层等。
所述N为2～10的正整数，最好N为2～5的正整数。
所述基底可采用导电玻璃等。
所述第1花菁层的厚度可为10～100nm。
所述第2～N花菁层中各层的厚度可为1～100nm。
所述受体层可采用C60衍生物层等。
所述有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将花菁溶解于四氟丙醇溶剂中，制得花菁溶液；
2)使用步骤1)得到的花菁溶液，在太阳能电池基底上涂布第1花菁层；
3)在第1花菁层上涂布第2～N花菁层；
4)在第N花菁层上涂布受体层；
5)在受体层上涂布阴极缓冲层和金属电极，得到有机太阳能电池。
在步骤1)中，所述花菁溶液的质量浓度可为10～40mg mL-1。
在步骤2)中，所述涂布可采用旋涂工艺或印刷工艺。
在步骤3)中，所述涂布可采用旋涂工艺或印刷工艺。
在步骤4)中，所述涂布可采用蒸镀工艺、旋涂工艺或印刷工艺，所述受体可采用C60衍生物。
在步骤5)中，所述涂布可采用蒸镀工艺、旋涂工艺或印刷工艺。
与现有的太阳能电池相比，本发明具有以下优点：
为了最大限度提升太阳能电池的光电转换效率，叠层显然是最有效的方法之一。在新材料太阳能电池的有机太阳能电池中，由于其有机半导体材料的特性，可以采用一种全新的叠层方式制备太阳能电池，该叠层的制备方法简易且经济，并可以将叠层数提升至5层。
花菁是一种小分子有机半导体材料，在有机太阳能电池中，通常将花菁材料作为电池给体，相当于传统太阳能电池的P型结。由于花菁材料的特性，使其在作为给体材料的同时，还可以具备受体的功能，相当于传统电池的N型结。如此，在有机太阳能电池进行叠层时，可以利用花菁材料减少给-受体层的数量，减少制备工序及太阳能电池的厚度，同时提升了太阳能电池的电性能。花菁可溶于溶剂，溶解后的花菁染料可以用旋涂或印刷的工艺涂布至太阳能电池表面，操作十分简便，因此也节约了太阳能电池的制造成本。
附图说明
图1为本发明所述有机太阳能电池实施例的结构组成示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明所述有机太阳能电池实施例的结构组成如下：
在基底1上表面从上至下依次为阳极缓冲层2、第1花菁层3、第2～N花菁层4、受体层5、阴极缓冲层6和金属电极7。
所述阳极缓冲层2采用导电聚合物层或金属氧化物层；所述阴极缓冲层6采用导电聚合物层或金属氧化物层；所述N为2～5的正整数。所述基底1采用导电玻璃等。所述第1花菁层3的厚度可为10～100nm；所述第2～N花菁层4中各层的厚度可为1～100nm。所述受体层5可采用C60衍生物层等。
所述有机太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将花菁溶解于四氟丙醇溶剂中，制得浓度为10～40mg mL-1花菁溶液；
2)使用步骤1)得到的花菁溶液，在太阳能电池基底上利用旋涂或印刷的工艺涂布第1花菁层；
3)在第1花菁层上采用相同的工艺涂布第2～N花菁层；
4)在第N花菁层上通过蒸镀、旋涂或印刷的工艺涂布受体层，可为C60衍生物；
5)在受体层上通过蒸镀、旋涂或印刷的方式涂布阴极缓冲层和金属电极，得到有机太阳能电池。
为了证明本发明的优越性，本实施例采用5种不同的花菁(#1、#2、#3、#4、#5)制备有机太阳能电池A，其中第1花菁层采用#1花菁，第2花菁层采用#2花菁，第3花菁层采用#3花菁，第4花菁层采用#4花菁，第5花菁层采用#5花菁。为了作对比，还制备了分别以(#1、#2、#3、#4、#5)这5种不同花菁为花菁层的单层有机太阳能电池，分别命名为B、C、D、E、F。在AM1.5G，100mW cm-2的模拟太阳光下测试太阳能电池的效率，结果如表1所示。
表1有机太阳能电池效率
从表1中可以看出，所制备的5叠层有机太阳能电池A的效率较单层有机太阳能电池B、C、D、E、F有明显提升。

Claims (8)

1.一种有机太阳能电池，其特征在于其结构组成如下：
在基底上表面从下至上依次为阳极缓冲层、第1～5花菁层、受体层、阴极缓冲层和金属电极；第1花菁层的厚度为10～100nm；第2～5花菁层中各层的厚度为1～100nm，第1～5花菁层为5种不同花菁。
2.如权利要求1所述一种有机太阳能电池，其特征在于所述阳极缓冲层采用导电聚合物层或金属氧化物层；所述阴极缓冲层采用导电聚合物层或金属氧化物层。
3.如权利要求1所述一种有机太阳能电池，其特征在于所述基底采用导电玻璃。
4.如权利要求1所述一种有机太阳能电池，其特征在于所述受体层采用C60衍生物层。
5.如权利要求1～4任一所述一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将花菁溶解于四氟丙醇溶剂中，制得花菁溶液；
2)使用步骤1)得到的花菁溶液，在太阳能电池基底上涂布第1花菁层；
3)在第1花菁层上涂布第2～5花菁层；
4)在第5花菁层上涂布受体层；
5)在受体层上涂布阴极缓冲层和金属电极，得到有机太阳能电池。
6.如权利要求5所述一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述花菁溶液的质量浓度为10～40mg mL-1。
7.如权利要求5所述一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述涂布采用旋涂工艺或印刷工艺；在步骤3)中，所述涂布采用旋涂工艺或印刷工艺。
8.如权利要求5所述一种有机太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述涂布采用蒸镀工艺、旋涂工艺或印刷工艺；在步骤5)中，所述涂布采用蒸镀工艺、旋涂工艺或印刷工艺。
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