CN104241531A - 一种有机光伏电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种有机光伏电池及其制备方法，包括依次层叠设置的入射面材料，吸光层和背面材料，所述入射面材料包括透明材料衬底、透明导电膜和修饰层，所述背面材料包括光学间隔层和具有高反射的金属电极，其特征在于：所述吸光层、光学间隔层和金属电极三者至少其中之一为绒面表面，反射效应Haze反在700nm不低于5%，Haze反=（R总－R直接)/R总，R总为光的总反射率，R直接为光的直接反射率。本发明利用背面对光长波方向的漫反射来提高有机电池对光吸收效率，实现对入射太阳光的充分吸收，提高有机光伏电池的光电转换效率。

Description

一种有机光伏电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机光伏电池，特别是涉及该有机光伏电池的结构及其制备方法。
背景技术
有机光伏电池由于重量轻、制备工艺简单、与柔性衬底相兼容、可采用湿法成膜的大面积制备技术等优点而备受青睐；并且其器件性能可通过合成和设计新型有机半导体材料进行调控。基于这些独特的优点，有机光伏电池成为近十几年来国内外小组研究最热门的领域之一。通过合成新窄带隙有机吸光材料和对器件结构的优化，目前有机光伏电池的效率已超过10%。目前在有机光伏电池中，吸光层主要采用的是一种基于给、受体材料混合的体相异质结结构。吸光层对入射光充分吸收是提高电池效率的关键。增加吸光层的厚度虽然能保证对光的增强吸收，但对改善有机光伏电池的性能却存在几个不利影响。一：由于有机半导体材料吸光后，产生的光生激子扩散长度有限约10nm，所以吸光层厚度的增加会导致大部分产生的光生激子在没有扩散到给体/受体分离界面就淬灭掉了。二：由于有机半导体材料的本征载流子迁移率低，吸光层厚度的增加导致分离后自由的电子和空穴复合几率增大，电池电流密度（Jsc）和填充因子（FF）降低。三：增加吸光层厚度会减弱电池内部的电场强度，不利于载流子的传输和收集，同时造成开路电压（Voc）的下降。因此在不增加吸光层厚度的基础上，保证吸光层对入射光的充分吸收同时又不影响电池性能参数，成为提高有机光伏电池效率的关键。吸光层厚度的增加与电池性能参数（Jsc、FF、Voc）的降低两者之间的矛盾，在光学上可通过增强“俘获”入射光的方法来达到光吸收增益的效果。通过合理的设计有机电池结构可以实现对光的有效管理，从而提高电池对光的吸收效率。即利用减反，增透，散射，干涉，共振等手段实现对光有效的管理，促进吸光层对入射光的有效吸收。因此，在已优化或者需要尽量减薄电池吸光层厚度的前提下，进一步增加吸光层对入射光的吸收对提升或者保持器件的整体性能将变得至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是本发明的目的是针对上述吸光层对光不能充分吸收的问题，发明了一种新型光管理的有机光伏电池的结构设计及制备方法。在不增加有机电池吸光层的厚度下，可以实现对入射太阳光的充分吸收，提高有机光伏电池的光电转换效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种有机光伏电池，包括依次层叠设置的入射面材料，吸光层和背面材料，所述入射面材料包括透明材料衬底、透明导电膜和修饰层，所述背面材料包括光学间隔层和具有高反射的金属电极，其特征在于：所述吸光层、光学间隔层和金属电极三者至少其中之一为绒面表面，反射效应Haze反在700nm不低于5%，Haze反=（R总－R直接)/R总，R总为光的总反射率，R直接为光的直接反射率。
为了使入射面材料的组成和形貌特征起到对入射光短波方向的散射作用以提高光光的吸收效率，所述透明材料衬底、透明导电膜和修饰层至少其中一层为绒面表面，其表面粗糙度均方根（RMS）大于30nm；散射效应Haze散在600nm不低于5%，Haze散=(T总－T直接)/T总，T总为光的总透射率，T直接为光的直接透射率。
优选地，所述修饰层为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO3）或氧化钨（WO3），或为有利于电子传输的氧化锌（ZnO）或氧化钛（TiO2），其厚度均不大于100nm，光学透过率大于90%。
优选地，所述吸光层包括有机吸光给体材料和有机吸光受体材料，吸光层的结构为电子给体和受体的体相异质结结构的单层或电子给体与电子受体平面异质结双层，吸光层的厚度为50nm-300nm。
优选地，所述有机吸光給体材料为P3HT、CuPc或PCDTBT，所述有机吸光受体材料为C60、C70、C84或其衍生物。
优选地，所述光学间隔层的材料为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO3）或氧化钨（WO3）；或为有利于电子传输的材料氧化锌（ZnO）或氧化钛（TiO2），厚度为5nm-100nm。
并且，所述修饰层为有利于空穴传输的材料，同时所述光学间隔层为有利于电子传输的材料；或者所述修饰层为有利于电子传输的材料，同时所述光学间隔层为有利于空穴传输的材料。
为了进一步地提高光的吸收效率，基于多层膜模型的传递矩阵方法(transfer matrixmethod,TMM)来计算光学间隔层，调节光学间隔层的厚度和介电系数实现对吸光层本征波段的优化调整吸收。
一种上述有机光伏电池的制造方法，其特征在于：
1）以具有透明导电膜的透明材料衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的透明导电膜表面采用旋涂法制备一层修饰层，并完全覆盖透明导电膜的表面；
3）在制备好的修饰层表面，通过旋涂法制备吸光层；
4）在吸光层的表面通过旋涂法方法制备光学间隔层；
5）采用蒸镀法制备金属电极；
其中步骤3）、4）和5）步骤至少其中之一之后，通过纳米压印方法分别使所述吸光层、光学间隔层和金属电极三者至少其中之一呈现绒面表面。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明利用背面对光长波方向的漫反射来提高有机电池对光吸收效率，实现对入射太阳光的充分吸收，提高有机光伏电池的光电转换效率。并且利用电池入射面对光短波方向的散射，背面对光长波方向的漫反射，以及光学间隔层对吸光层本征吸收波段的调整优化吸收，三者相结合来提高有机电池对光的吸收效率。这种新型的结构设计实现了对入射光的三重互补光吸收，协同效应显著。
附图说明
图1为本发明的有机光伏电池的结构示意图。
图2为实施例1中的有机光伏电池的结构示意图。
图3为实施例2中的有机光伏电池的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对发明作进一步详细描述。
本发明的光伏电池，如图1所示，包括依次层叠设置的入射面材料，吸光层4和背面材料。
所述入射面材料包括透明材料衬底1、透明导电膜2和修饰层3，该三层依次叠加设置。透明材料衬底1为玻璃或塑料等，其光透过率大于90%。透明导电膜2为FTO（SnO2:F）、AZO（ZnO:Al）或ITO（In2O3:Sn）等，其电阻率小于10-4Ω·cm，可见光积分透过率大于90％。修饰层3为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO3）或氧化钨（WO3）等，或为有利于电子传输的氧化锌（ZnO）、氧化钛（TiO2）等，其厚度均不大于100nm，光学透过率大于90%。
优选地，所述入射面材料中，透明材料衬底1、透明导电膜2和修饰层3至少其中一层为绒面表面，其表面粗糙度均方根（RMS）大于30nm；散射效应Haze散在600nm不低于5%，Haze散=(T总－T直接)/T总，T总为光的总透射率，T直接为光的直接透射率。由此，入射面材料的组成和形貌特征起到对入射光短波方向的散射作用。
所述吸光层4包括P3HT、CuPc或PCDTBT等有机吸光给体材料，以及C60、C70、C84或其衍生物等有机吸光受体材料。优选地，吸光层4的结构为电子给体和受体的体相异质结结构的单层或电子给体与电子受体平面异质结双层等，吸光层4的厚度为50nm-300nm。
所述背面材料包括光学间隔层5和具有高反射的金属电极6。其中光学间隔层5材料可为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO3）或氧化钨（WO3）等、或为有利于电子传输的材料氧化锌（ZnO）、氧化钛（TiO2）等，厚度为5nm-100nm。金属电极6的材料为Al或Ag等高反射金属，厚度为60nm-120nm。
吸光层、光学间隔层和金属电极三者至少其中之一为绒面表面来实现背面对光长波方向的漫反射。上述三者中至少其中之一的反射效应Haze反在700nm不低于5%，Haze反=（R总－R直接)/R总，R总为光的总反射率，R直接为光的直接反射率。
优选地，可通过调节光学间隔层的厚度和介电系数实现对吸光层本征波段的优化调整吸收，其调节是基于多层膜模型的传递矩阵方法(transfer matrix method,TMM)来计算光学间隔层，以增强有机太阳能电池内电场和光学吸收。
而且，入射面材料作为电池的阳极，背面金属材料为阴极时，修饰层为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼MoO3、氧化钨WO3等；光学间隔层材料为有利于电子传输的材料氧化锌ZnO、氧化钛TiO2等。
反之，入射面电极作为电池的阴极，背面金属材料为阳极时，修饰层为有利于电子传输的材料氧化锌ZnO、氧化钛TiO2等；光学间隔层材料为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼MoO3、氧化钨WO3等。
该有机光伏电池的制备方法如下所述：
1）以具有透明导电膜2的透明材料衬底1作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的透明导电膜2表面采用旋涂法制备一层修饰层3，并完全覆盖透明导电膜2的表面；
3）在制备好的修饰层3表面，通过旋涂法制备吸光层4；
4）在吸光层4的表面通过旋涂法方法制备光学间隔层5；
5）采用蒸镀法制备金属电极6；
其中步骤3）或4）之间，可加入步骤通过纳米压印方法使所述吸光层4具有绒面表面；或者在步骤4）或5）之间，可通过纳米压印方法使所述光学间隔层5具有绒面表面；或者在步骤5）之后通过纳米压印方法使所述金属电极6具有绒面表面；或者上述三者中任意两者都存在，或者三者都同时存在。即在步骤3）、步骤4）和步骤5）至少其中一个步骤之后通过纳米压印方法分别使步骤3）、步骤4）和步骤5）中制备的层，即吸光层4、光学间隔层5或金属电极6具有绒面表面。
优选地，该透明导电膜2为绒面表面。
实施例1
如图2所示，图中各标号为1’-透明玻璃衬底、2’-透明导电膜FTO、3’-修饰层（PEDOT:PSS）、4’-吸光层（P3HT:PCBM）、5’-光学间隔层TiO2、6’-金属电极Al；其中吸光层4’和透明导电膜FTO均为绒面表面。该有机光伏电池的制造方法如下所述：
一种有机光伏电池的制备方法，步骤如下：
1）以具有绒面的透明导电膜FTO的透明玻璃衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净。
2）在干燥后的透明导电膜FTO的表面采用旋涂法制备一层具有良好的空穴传输材料聚3，4-乙撑二氧噻吩单体掺杂聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为修饰层，厚度约40nm，并完全覆盖透明导电膜FTO的表面。
3）在制备好的修饰层表面，通过旋涂法制备聚噻吩和富勒烯衍生物（P3HT:PCBM）作为吸光层，吸光层的厚度约200nm；该旋涂法的参数为，P3HT:PCBM质量比为1:0.8，溶于氯苯，浓度为12mg/ml，旋涂的转速300rpm，时间12s。
4）采用纳米压印方法使吸光层表面呈现出绒面的图案。
5）在绒面的吸光层表面通过旋涂法方法制备光学间隔层TiO2，厚度约20nm。
6）采用蒸镀法制备铝作为金属电极，电极厚度约100nm。
图中：
实施例2：
图3为另一种有机光伏电池的结构示意图。图中：1’’-透明塑料衬底、2’’-透明导电膜AZO、3’’-修饰层（P型材料酞菁铜CuPc）、4’’-吸光层（P型材料钛菁铜CuPc与n型材料富勒烯C60的混合物）、5’’-光学间隔层C60、6’’-金属电极Ag。一种有机光伏电池的制备方法，其中透明导电膜AZO2’’和光学间隔层为绒面表面，步骤如下：
1）以具有绒面的透明导电膜AZO的透明塑料衬底作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的透明导电膜AZO表面采用蒸镀法制备一层修饰层，该修饰层为有机小分子P型材料酞菁铜（CuPc），厚度为20nm；
3）在制备好的修饰层表面，通过共蒸有机小分子P型材料钛青铜CuPc与n型材料富勒烯C60的混合物作为吸光层，厚度约60nm；
4）在吸光层上再通过蒸镀法制备作为光学间隔层富勒烯n型材料C60，厚度约30nm；
5）采用纳米压印方法使光学间隔层表面呈现出绒面的图案
6）采用蒸镀法制备银作为金属电极，厚度为约为100nm。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、制造、物质组成、手段、方法及步骤。执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (9)

1.一种有机光伏电池，包括依次层叠设置的入射面材料，吸光层（4）和背面材料，所述入射面材料包括透明材料衬底（1）、透明导电膜（2）和修饰层（3），所述背面材料包括光学间隔层（5）和具有高反射的金属电极（6），其特征在于：所述吸光层（4）、光学间隔层（5）和金属电极（6）三者至少其中之一为绒面表面，反射效应Haze反在700nm不低于5%，Haze反=（R总－R直接)/R总，R总为光的总反射率，R直接为光的直接反射率。
2.如权利要求1所述的有机光伏电池，其特征在于：所述透明材料衬底（1）、透明导电膜（2）和修饰层（3）至少其中一层为绒面表面，其表面粗糙度均方根（RMS）大于30nm；散射效应Haze散在600nm不低于5%，Haze散=(T总－T直接)/T总，Haze散为光的总透射率，T直接为光的直接透射率。
3.如权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征在于：所述修饰层（3）为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO3）或氧化钨（WO3），或为有利于电子传输的氧化锌（ZnO）或氧化钛（TiO2），其厚度均不大于100nm，光学透过率大于90%。
4.如权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征在于：所述吸光层（4）包括有机吸光给体材料和有机吸光受体材料，吸光层（4）的结构为电子给体和受体的体相异质结结构的单层或电子给体与电子受体平面异质结双层，吸光层（4）的厚度为50nm-300nm。
5.如权利要求4所述的有机光伏电池，其特征在于：所述有机吸光給体材料为P3HT、CuPc或PCDTBT，所述有机吸光受体材料为C60、C70、C84或其衍生物。
6.如权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征在于：所述光学间隔层（5）的材料为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO3）或氧化钨（WO3）；或为有利于电子传输的材料氧化锌（ZnO）或氧化钛（TiO2），厚度为5nm-100nm。
7.如权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征在于：所述修饰层（3）为有利于空穴传输的材料，同时所述光学间隔层（5）为有利于电子传输的材料；或者所述修饰层（3）为有利于电子传输的材料，同时所述光学间隔层（5）为有利于空穴传输的材料。
8.如权利要求1或2所述的有机光伏电池，其特征在于：基于多层膜模型的传递矩阵方法(transfer matrix method,TMM)来计算光学间隔层，调节光学间隔层的厚度和介电系数实现对吸光层本征波段的优化调整吸收。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的有机光伏电池的制造方法，其特征在于：
1）以具有透明导电膜（2）的透明材料衬底（1）作为有机电池的前电极，分别在去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净；
2）在干燥后的透明导电膜（2）表面采用旋涂法制备一层修饰层（3），并完全覆盖透明导电膜（2）的表面；
3）在制备好的修饰层（3）表面，通过旋涂法制备吸光层（4）；
4）在吸光层（4）的表面通过旋涂法方法制备光学间隔层（5）；
5）采用蒸镀法制备金属电极（6）；
其中步骤3）、4）和5）步骤至少其中之一之后，通过纳米压印方法分别使所述吸光层（4）、光学间隔层（5）和金属电极（6）三者至少其中之一呈现绒面表面。
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