CN104241529A - 一种叠层有机太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

一种叠层有机太阳能电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种叠层有机太阳能电池，包括依次连接的正面子电池，双面导电玻璃和背面子电池，其特征在于：所正面子电池从上到下依次包括光电极、电极修饰层a、有机吸光层a、电极修饰层b，反面子电池从上到下依次包括电极修饰层c、有机吸光层b、电极修饰层d和背电极。本发明的叠层有机太阳能电池，采用双面导电玻璃作为中间连接层，不但能够同时满足电学和光学的要求，而且连接性能稳定，能够避免因为湿法制备中间连接层而造成的其他有机层的溶解。而且在此叠层结构基础上，可使得背部杂散光得以充分利用。

Description

一种叠层有机太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种叠层有机太阳能电池。
背景技术
有机太阳能电池是由有机吸光层夹在两个不同极性的电极之间构成的器件，由于制造成本低、材料种类多、重量轻、可大面积制备等优势而倍受青睐。现今研究最多的是由受体和给体形成的体相异质结作为吸光层的有机太阳能电池。鉴于单一异质结结构的有机太阳能电池受限于材料光谱响应范围，效率比较低，人们提出了叠层结构的有机太阳电池。
叠层结构的太阳能电池是将两个或两个以上的子电池用中间连接层连接起来以形成串联或并联结构的电池。它利用各子电池光谱吸收的互补性，更加充分利用太阳光，是未来实现高效有机太阳能电池的趋势。目前，基于叠层结构的有机太阳能电池的效率已超过10%。
然而，在叠层结构的有机太阳能电池中，寻找同时满足光学和电学要求的中间连接层是非常困难的，往往两者不能同时兼顾。一般湿法制备的中间连接层又很容易溶解已经固化的下层有机层，而且稳定性又不好。这些使得叠层结构的有机太阳能电池的效率有时反而低于各个子电池的效率。因此，要实现高效稳定的叠层结构有机电池，对中间连接层的选择就显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效稳定的叠层有机太阳能电池以及该电池的制造方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种叠层有机太阳能电池，包括依次连接的正面子电池，双面导电玻璃和背面子电池，其特征在于：所正面子电池从上到下依次包括光电极、电极修饰层a、有机吸光层a、电极修饰层b，反面子电池从上到下依次包括电极修饰层c、有机吸光层b、电极修饰层d和背电极。
优选地，所述双面导电玻璃中间连接层的单面导电膜的电阻率小于10-4Ω·cm，单面可见光积分透过率大于90％，双面可见光积分透过率不低于80%。
作为该电池的单面受光串联或并联型结构，所述背电极为反射型背电极，所述双面导电玻璃的两面导电膜为异极性或同极性电极连接。
作为该电池的半透明串联或并联型结构，所述背电极为透明型背电极，所述双面导电玻璃的两面导电膜为异极性或同极性电极连接。
作为该电池的双面受光串联或并联结构，所述光电极和背电极均为透明电极，所述双面导电玻璃的两面导电膜为异极性或同极性电极连接。
为了实现杂散光的充分利用，所述有机吸光层a采取宽带隙材料，所述有机吸光层b采取窄带隙材料，或者所述有机吸光层a和有机吸光层b均采取窄带隙材料。
上述叠层有机太阳能电池的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）对双面导电玻璃分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的双面导电玻璃一侧表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层电极修饰层；
3）通过旋涂法或蒸镀法在已经制备好的修饰层表面制备有机吸光层；
4）在吸光层表面采用旋涂法或蒸镀法制备另一层电极修饰层；
5）在步骤4）中所述的另一层电极修饰层上制备光电极，则正面子电池制备完成；
6）依照步骤2）至5）制备双面导电玻璃另一侧的背面子电池；
7）将双面导电玻璃的两面导电膜用导线进行连接。
为了提升双面导电玻璃的TCO功函数，上述步骤1）中对双面导电玻璃分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净后，采取紫外臭氧处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的叠层有机太阳能电池，采用双面导电玻璃作为中间连接层，不但能够同时满足电学和光学的要求，而且连接性能稳定，能够避免因为湿法制备中间连接层而造成的其他有机层的溶解。而且在此叠层结构基础上，可采取透明背电极使得背部杂散光得以利用。正面可采取宽带隙有机半导体材料同时反面采取窄带隙材料，使得正面未吸收的长波长低能光通过玻璃进入反面被低带隙材料吸收，相反反面未吸收的短波长高能光也可以被正面材料利用，从而简易地实现了叠层结构的光谱响应拓展效应以及对背部杂散光的充分利用，使得单位面积电池的总输出功率增加。
附图说明
图1为本发明的叠层有机太阳能电池的单面受光型结构示意图。
图2为本发明的叠层有机太阳能电池的双面受光型结构示意图。
图3为本发明的叠层有机太阳能电池的单面受光串联型结构示意图。
图4为本发明的叠层有机太阳能电池的单面受光并联型结构示意图。
图5为本发明的叠层有机太阳能电池的半透明串联型结构示意图。
图6为本发明的叠层有机太阳能电池的半透明并联型结构示意图。
图7为本发明的叠层有机太阳能电池的双面受光串联型结构示意图。
图8为本发明的叠层有机太阳能电池的双面受光并联型结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种叠层有机太阳能电池，包括正面子电池，双面导电玻璃和背面子电池。其中双面导电玻璃作为中间连接层可采用FTO（SnO2:F）、AZO（ZnO:Al）或ITO（In2O3:Sn）等，其单面导电膜的电阻率小于10-4Ω·cm，单面可见光积分透过率大于90％，双面可见光积分透过率不低于80%。两面导电膜的电学连接则通过导线实现。这样很好的将电路和光路分离，避免了设计中间连接层时遇到的光学和电学需求的矛盾。正面子电池从上到下依次包括光电极、电极修饰层a、有机吸光层a、电极修饰层b，反面子电池从上到下依次包括电极修饰层c、有机吸光层b、电极修饰层d和背电极。
所述有机吸光层a采取宽带隙材料，所述有机吸光层b采取窄带隙材料，或者所述有机吸光层a和有机吸光层b均采取窄带隙材料。使得正面未吸收的长波长低能光通过玻璃进入反面被低带隙材料吸收，相反反面未吸收的短波长高能光也可以被正面材料利用，从而简易地实现了叠层结构的光谱响应拓展效应以及对背部杂散光的充分利用，使得单位面积电池的总输出功率增加。
在这一结构的基础上，还可以做如下改进：
1、如果采取透明背电极，对于单向光而言可以实现半透明型电池；2、对于周围存在较强反射光的情况而言可以充分利用背部杂散光，还可以使得两个子电池，尤其是具有梯度带隙材料的电池结构中，互补吸收对方的透射光，达到背部杂散光的充分利用和叠层结构光谱响应拓展效应的双重增益效应；3、采取不同的电极修饰层组合使得双面导电玻璃的两面导电膜呈现不同的电极性，从而可以实现两子电池的串联或并联。
该叠层有机太阳能电池的制造方法，步骤如下：
1）对双面导电玻璃，分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，必要时采取紫外臭氧处理以提升TCO功函数；
2）在干燥后的双面导电玻璃一侧表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层电极修饰层，以使双面导电玻璃的双面导电膜呈现对应的电极性；
3）通过旋涂法或蒸镀法在已经制备好的修饰层表面制备有机吸光层；
4）在吸光层表面采用旋涂法或蒸镀法制备另一层电极修饰层；
5）在步骤4）中所述的另一层电极修饰层上制备光电极，则正面子电池制备完成；
6）依照步骤2）至5）制备双面导电玻璃另一侧的背面子电池；
7）将双面导电玻璃的两面导电膜用导线进行连接。
图1是一种叠层有机太阳电池的结构设计与电路和光路示意图1，为单面受光型叠层结构。
图2为一种叠层有机太阳电池的结构设计与电路和光路示意图1，为半透明/双面受光型叠层结构，图中未做出半透明型的光路。
图3为单面受光串联型叠层结构，其中光电极1、阳极修饰层2、有机吸光层3、阴极修饰层4、双面导电玻璃中间连接层5、阳极修饰层6、有机吸光层7、阴极修饰层8、反射型背电极9。光线从光电极入射，背电极反射入射的光线，双面导电玻璃的两面导电膜为异极性电极连接，两个子电池形成串联结构。
图4为单面受光并联型叠层结构，其中光电极1、阴极修饰层2、有机吸光层3、阳极修饰层4、双面导电玻璃中间连接层5、阳极修饰层6、有机吸光层7、阴极修饰层8、反射型背电极9。光线从光电极入射，背电极反射入射的光线，双面导电玻璃的两面导电膜为同极性电极连接，两个子电池形成并联结构。
图5为半透明串联型叠层结构，其中光电极1、阳极修饰层2、有机吸光层3、阴极修饰层4、双面导电玻璃中间连接层5、阳极修饰层6、有机吸光层7、阴极修饰层8、透明型背电极9。光线从光电极入射，部分光线从透明型背电极透射出，双面导电玻璃的两面导电膜为异极性电极连接，两个子电池形成串联结构。
图6为半透明并联型叠层结构，其中光电极1、阴极修饰层2、有机吸光层3、阳极修饰层4、双面导电玻璃中间连接层5、阳极修饰层6、有机吸光层7、阴极修饰层8、透明型背电极9。光线从光电极入射，部分光线从透明型背电极透射出，双面导电玻璃的两面导电膜为同极性电极连接，两个子电池形成并联结构。
图7为双面受光串联型叠层结构，其中光电极1、阳极修饰层2、有机吸光层3、阴极修饰层4、双面导电玻璃中间连接层5、阳极修饰层6、有机吸光层7、阴极修饰层8、透明型背电极9。光线分别从光电极和背电极射入，双面导电玻璃的两面导电膜为异极性电极连接，两个子电池形成串联结构。
图8为双面受光并联型叠层结构，其中光电极1、阴极修饰层2、有机吸光层3、阳极修饰层4、双面导电玻璃中间连接层5、阳极修饰层6、有机吸光层7、阴极修饰层8、透明型背电极9。光线分别从光电极和背电极射入，双面导电玻璃的两面导电膜为同极性电极连接，两个子电池形成并联结构。
实施例1：
如图3所示，一种叠层有机太阳能电池的结构及制造方法，以单面受光串联型叠层结构电池为例，步骤如下：
1.正面子电池的制备
1）对双面导电玻璃分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并对其中一面进行紫外臭氧处理；
2）在干燥后的双面导电玻璃未经紫外臭氧处理的表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层阴极修饰层，如ZnO，厚度为30nm；
3）在制备好的修饰层表面，通过旋涂法制备P3HT和富勒烯衍生物作为吸光层，质量比为1:1，厚度为70nm；
4）在吸光层上采用旋涂法或蒸镀法制备一层阳极修饰层,如PEDOT:PSS，厚度为40nm，或MoO3厚度为5nm-10nm；
5）在阳极修饰层上制备光电极，如纳米银线、纳米金属光栅等，这样正面子电池制备完成。
2.背面子电池的制备
1)对双面导电玻璃已进行紫外臭氧处理的一面采用旋涂法或蒸镀法制备一层阳极修饰层，如PEDOT:PSS，厚度为40nm，或MoO3厚度为5nm-10nm；
2）在制备好的修饰层表面，制备金属酞菁和富勒烯作为吸光层；
3）在吸光层上采用旋涂法或蒸镀法制备一层阴极修饰层，如ZnO，厚度为30nm；
4）在阴极修饰层上制备反射型背电极，例如100nm的Al，这样反面子电池制备完成。
3.电路的连接
将双面导电玻璃的两面导电膜通过导线连接起来，使两个子电池串联起来形成叠层结构的有机太阳能电池，光电极引出导线做为整个电池的正极，背电极引出导线作为整个电池的负极。
实施例2：
一种叠层有机太阳能电池的结构及制造方法，以采取梯度带隙材料的双面受光串联型叠层结构电池为例，参见附图7，步骤如下：
1.正面子电池的制备
1）对双面导电玻璃分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净，并对其中一面进行紫外臭氧处理；
2）在干燥后的双面导电玻璃未经紫外臭氧处理的表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层阴极修饰层，如ZnO，厚度为30nm；
3）在制备好的修饰层表面，通过旋涂法制备P3HT和富勒烯衍生物作为吸光层，质量比为1:1，厚度为70nm；
4）在吸光层上采用旋涂法或蒸镀法制备一层阳极修饰层,如PEDOT:PSS，厚度为40nm，或者MoO3，厚度为5nm-10nm；
5）在阳极修饰层上制备光电极，如纳米银线、纳米金属光栅等，这样正面子电池制备完成。
2.背面子电池的制备
1)对双面导电玻璃已进行紫外臭氧处理的一面采用旋涂法或蒸镀法制备一层阳极修饰层，如PEDOT:PSS厚度为40nm，或者MoO3厚度为5nm-10nm；
2）在制备好的修饰层表面，制备金属酞菁，如AlPcCl，和富勒烯作为吸光层；
3）在吸光层上采用旋涂法或蒸镀法制备一层阴极修饰层，如ZnO，厚度为30nm；
4）在阴极修饰层上制备透明背电极，如纳米银线、纳米金属光栅等，这样反面子电池制备完成。
3.电路的连接
将双面导电玻璃的两面导电膜通过导线连接起来，使两个子电池串联起来形成叠层结构有机太阳电池，光电极引出导线做为整个电池的正极，背电极引出导线作为整个电池的负极。
以上以单面受光串联型叠层结构电池和采取梯度带隙材料的双面受光串联型叠层结构电池为例，分别给出了其具体的制备步骤。需要强调的是附图所示的其他结构都是以双面导电玻璃为中间连接层的，而且每一种并联型叠层结构电池的光电极和背电极都可以均为正极而公共电极为负极，在这里其具体制备过程不再给出，但是也在权利保护之列。
这种结构的优势在于，1、双面导电玻璃具有良好的导电性和光学透明性，通过导线连接可以将电路和光路分开，避免了在制备中间连接层时遇到的电学上和光学上的矛盾；2、文献中常见的纳米氧化锌、金属纳米颗粒、导电聚合物等中间连接层一般用湿法制备，很容易溶解已经沉积或旋涂的有机层，双面导电玻璃做中间连接层则不存在这问题；3、双面导电玻璃相比于上述其他中间连接层性能更加稳定；4、在此叠层结构基础上，可采取透明背电极使得背部杂散光得以利用，正面可采取宽带隙有机半导体材料同时反面采取低带隙材料，使得正面未吸收的长波长低能光通过玻璃进入反面被低带隙材料吸收，相反反面未吸收的短波长高能光也可以被正面材料利用，从而简易地实现了叠层结构的光谱响应拓展效应以及对背部杂散光的充分利用，使得单位面积电池板的总输出功率增加。5、可以选取不同的电极修饰层和连接方式以实现单面受光/半透明/双面受光、串联/并联的不同组合效果。
基于双面导电玻璃这一中间连接层，各子电池的具体结构与具体材料也可以有所变动，权利要求及具体案例中虽未一一列举，但是只要是以双面导电玻璃作中间连接层来实现叠层结构有机太阳电池，均系本发明演变而来，也都在本发明权利要求保护之列。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种叠层有机太阳能电池，包括依次连接的正面子电池，双面导电玻璃和背面子电池，其特征在于：所正面子电池从上到下依次包括光电极、电极修饰层a、有机吸光层a、电极修饰层b，反面子电池从上到下依次包括电极修饰层c、有机吸光层b、电极修饰层d和背电极。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述双面导电玻璃中间连接层的单面导电膜的电阻率小于10-4Ω·cm，单面可见光积分透过率大于90％，双面可见光积分透过率不低于80%。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述背电极为反射型背电极，所述双面导电玻璃的两面导电膜为异极性或同极性电极连接。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述背电极为透明型背电极，所述双面导电玻璃的两面导电膜为异极性或同极性电极连接。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述光电极和背电极均为透明电极，所述双面导电玻璃的两面导电膜为异极性或同极性电极连接。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述有机吸光层a采取宽带隙材料，所述有机吸光层b采取窄带隙材料，或者所述有机吸光层a和有机吸光层b均采取窄带隙材料。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的叠层有机太阳能电池的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）对双面导电玻璃分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的双面导电玻璃一侧表面采用旋涂法或蒸镀法制备一层电极修饰层；
3）通过旋涂法或蒸镀法在已经制备好的修饰层表面制备有机吸光层；
4）在吸光层表面采用旋涂法或蒸镀法制备另一层电极修饰层；
5）在步骤4）中所述的另一层电极修饰层上制备光电极，则正面子电池制备完成；
6）依照步骤2）至5）制备双面导电玻璃另一侧的背面子电池；
7）将双面导电玻璃的两面导电膜用导线进行连接。
8.如权利要求7所述的叠层有机太阳能电池的制造方法，其特征在于：上述步骤1）中对双面导电玻璃分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净后，采取紫外臭氧处理以提升TCO功函数。
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