CN104319347A - 一种有机聚合物太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，特别是一种有机聚合物太阳能电池及其制造方法。一种有机聚合物太阳能电池，该电池包括7层结构组成，依次为：阳极层、阳极缓冲层、活性层、阴极缓冲层、阴极层、绝缘层、第三电极层，所述阳极层和第三电极层连接外接电源，其中阳极层连接外接电源的负极，第三电极层电连接外接电源的正极，阳极层作为电池的输出阳极，阴极层作为电池的输出阴极。本发明利用电场增加载流子传输和抽取，减小载流子的再复合，同时强电场增加激子解离，可进一步提高有机聚合物太阳能电池电池能量转化效率。

Description

一种有机聚合物太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别是一种有机聚合物太阳能电池及其制造方法。
背景技术
有机太阳能电池（OSC）具有柔性、成本低、可大面积制作等优点，对从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有重大意义。能量转化效率低是制约其产业化的主要瓶颈。有机电池的工作原理分为光吸收产生激子、激子解离为载流子、载流子传输和抽取三个过程。目前大量的研究工作主要集中在通过改善其光吸收和载流子传输及抽取来提高OSC的效率[文献Nano Letters, vol. 12, 2488, 2012; Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 99, 235, 2012]。美国加利福尼亚大学Alen J. Heeger教授团队提出了体异质结网络结构，通过增加给体和受体的接触界面，提高激子在界面处解离效率，使聚合物有机太阳能电池效率得到很大提高[文献Scinece, vol. 270, 1789, 1995]。但体异质结网络结构在提高激子解离效率的同时，却影响了激子解离后的载流子的传输性能，因为给体或受体有机聚合物材料对电子、空穴的传输能力不同，体异质结网络结构中容易出现一些传输闭路以及孤立的岛，这些都不利于载流子的传输。近年来，有许多研究也都集中于控制活性层薄膜形貌，获得更好的网络穿插结构来提高本发明效率。体异质结网络结构的一大优势是增大了给体受体接触面积，有效提高了激子解离效率，其明显缺点是激子解离后的载流子传输和收集效率不高，如果这一缺点得以改善，体异质结结构的光伏本发明的效率会有新的突破[Nature, vol. 425, 158, 2003]。
发明内容
   本发明所要解决的技术问题是：如何提高机聚合物太阳能电池激子解离后的载流子传输和收集效率。
本发明所采用的技术方案是：一种有机聚合物太阳能电池，该电池包括7层结构组成，依次为：阳极层、阳极缓冲层、活性层、阴极缓冲层、阴极层、绝缘层、第三电极层，所述阳极层和第三电极层连接外接电源，其中阳极层连接外接电源的负极，第三电极层电连接外接电源的正极，阳极层作为电池的输出阳极，阴极层作为电池的输出阴极。通过绝缘层介质层将第三电极引入本发明，功耗在微瓦量级，且不影响电池工作机理。通过第三电极电极电势可在本发明内实现电场。利用电场对载流子的定向作用，提高载流子的传输和抽取效果，提高本发明效率，不存在阈值电压。同时强电场增加激子解离，可进一步提高有机聚合物太阳能电池电池能量转化效率。
作为一种优选方式，阳极层为ITO导电玻璃层，阳极缓冲层为PEDOT:PSS层，活性层为PTB7:PCBM，阴极缓冲层为LiF、阴极层为Al、绝缘层为PVP、第三电极层为Al。采用以上物质构成有机聚合物太阳能电池，太阳能吸收效率较好，且电场对载流子的定向作用很明显。
作为一种优选方式，PEDOT:PSS层厚度为30 nm，PTB7:PCBM 层厚度为200 nm，LiF 层厚度为1 nm，Al层厚度为100 nm，PVP层厚度为300 nm。电场强度越大，电场对载流子的定向作用越大，激子解离也越明显，有效减少电池内部薄膜厚度能够提高载流子传输，但是太薄对太阳光的吸收减少，经过试验发现，以上参数厚度是能够达到电池输出效率最高的厚度。
一种有机聚合物太阳能电池的制造方法，按照如下的方法进行：
步骤一、在ITO导电玻璃层上通过溶液旋涂PEDOT:PSS膜，在PEDOT:PSS膜上通过溶液旋涂PTB7:PCBM膜，在PTB7:PCBM膜上真空热蒸发掩膜蒸镀LiF层，在LiF层上真空热蒸发掩膜蒸镀Al层，在Al层上通过溶液旋涂PVP膜，在PVP膜上真空热蒸发掩膜蒸镀Al层。
步骤二、Al电极作为电池输出阴极，把ITO作为电池输出阳极。
步骤三、所述ITO和最外层的Al层连接外接电源，其中ITO连接外接电源的负极，最外层的Al层连接外接电源的正极。
本发明通过真空热蒸发掩膜蒸镀、溶液旋涂，有效减少了薄膜的厚度。本方法可以保证薄膜厚度在亚微米量级，可以实现电场强度超过106 V/cm。此时，利用电场增加载流子传输和抽取，减小载流子的再复合，同时强电场增加激子解离，可进一步提高有机聚合物太阳能电池电池能量转化效率。
附图说明
图1是本发明有机聚合物太阳能电池示意图；
图2是本发明实施例电池示意图；
图3是不同电压下本发明的电流密度-电压曲线；
图4是第三电极与ITO之间的电流密度随电池输出电压的变化曲线。
其中，1、Agilent B2902A源表第一通道，2、Agilent B2902A源表第二通道。
具体实施方式
实施例
    如图1和图2所示，为电池结构示意图，其中，源表采用双通道Agilent B2902A，可同时对第一通道（Ch1）和第二通道（Ch2）进行电流电压测量或者施加电压，本发明底层为ITO玻璃衬底，PEDOT:PSS为阳极缓冲层，PTB7:PCBM为给体受体混合活性层，PVP为有机绝缘层，这三层薄膜采用溶液旋涂成膜，阴极缓冲层LiF、金属电极Al通过真空热蒸发掩膜蒸镀。
各层薄膜厚度：ITO/PEDOT:PSS(30nm)/PTB7:PCBM (200nm)/LiF (1 nm)/Al(100nm)/PVP(300nm)，本发明总厚度为630nm。由电场强度定义E=V/d可知，通过源表在第三电极和阳极层施加5 V电压时，可在本发明内形成106 V/cm量级的电场。图3为本发明在第三电极和阳极层施加不同电压下电流密度-电压曲线，从图中可以看出，随着外加电压增加，短路电流逐步提高，实验结果表明，随着外加电压增加，增加载流子传输，本发明效率明显逐步提高。在第三电极和阳极层施加4 V的电压的本发明，电池能量转换效率从4.29 %提高到6.25 %（见表1），该过程中，主要是电场提高了载流子抽取和传输，减小载流子复合来提高电池效率。当电压达到5 V时，在载流子抽取和传输进一步提高的基础上，激子解离也有一定增加，电池效率提高到7.35%。电压进一步提高时，本发明被击穿烧坏。
表1本发明在不同第二通道电压下的性能参数，其中V为第二通道所施加电压，Voc为开路电压，Jsc为短路电流密度，FF为填充因子，PCE为电池能量转化效率。
 
下面我们对电池的输出功率密度进行了计算。由电池的电流密度-电压曲线可以得出，本发明两端电压为0.52 V时，本发明的输出功率密度最大。外加0V到5 V，本发明输出最大功率密度增加：
7.4 -4.3=3.1 mW/cm2
如图4所示，第二通道中的电流密度与第三电极和阳极层两端电压的变化曲线可以得到本发明对外输出最大功率密度时第二通道的电流密度：5 V时，0.012 mA/cm2。因此第三电极和阳极层两端施加5 V电压时，产生功耗为：0.06 mW/cm2。总之，通过外加电压消耗0.06 mW/cm2的功耗密度，可以使本发明的输出功率密度提高3.1 mW/cm2，因此本发明在有机聚合物电池应用方面具有很高的实用价值。

Claims (4)

1.一种有机聚合物太阳能电池，其特征在于：该电池包括7层结构组成，依次为：阳极层、阳极缓冲层、活性层、阴极缓冲层、阴极层、绝缘层、第三电极层，所述阳极层和第三电极层连接外接电源，其中阳极层连接外接电源的负极，第三电极层电连接外接电源的正极，阳极层作为电池的输出阳极，阴极层作为电池的输出阴极。
2.根据权利要求1所述的一种有机聚合物太阳能电池，其特征在于：阳极层为ITO导电玻璃层，阳极缓冲层为PEDOT:PSS层，活性层为PTB7:PCBM，阴极缓冲层为LiF、阴极层为Al、绝缘层为PVP、第三电极层为Al。
3.根据权利要求2所述的一种有机聚合物太阳能电池，其特征在于：PEDOT:PSS层厚度为30 nm，PTB7:PCBM 层厚度为200 nm，LiF 层厚度为1 nm，Al层厚度为100 nm，PVP层厚度为300 nm。
4.制作权利要求2所述一种有机聚合物太阳能电池的制造方法，其特征在于按照如下的方法进行：
步骤一、在ITO导电玻璃层上通过溶液旋涂PEDOT:PSS膜，在PEDOT:PSS膜上通过溶液旋涂PTB7:PCBM膜，在PTB7:PCBM膜上真空热蒸发掩膜蒸镀LiF层，在LiF层上真空热蒸发掩膜蒸镀Al层，在Al层上通过溶液旋涂PVP膜，在PVP膜上真空热蒸发掩膜蒸镀Al层；
步骤二、LiF层和PVP膜之间的Al层作为电池输出阴极，把ITO作为电池输出阳极；
步骤三、所述ITO和最外层的Al层连接外接电源，其中ITO连接外接电源的负极，最外层的Al层连接外接电源的正极。
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CN110391333A (zh) * 2018-04-16 2019-10-29 清华大学 聚合物太阳能电池

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