CN104716261A - 一种吸收光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种吸收光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅薄膜/有机叠层薄膜太阳能电池，该电池硅薄膜顶电池和有机底电池构成，且在顶电池和底电池之间有透明导电的中间层。硅薄膜顶电池主要吸收紫外与可见光，有机底电池主要吸收可见光与红外光。通过调整硅薄膜顶电池厚度，获得与有机底电池电流的匹配。

Description

一种吸收光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种硅薄膜/有机叠层薄膜叠层太阳电池，特别是指叠层电池的有机太阳能底电池的吸收层使用太阳光吸收范围和硅薄膜顶电池具有良好匹配的材料。
背景技术
硅薄膜是一种发展成熟的薄膜太阳电池，自Chittick在1969年制备出第一片非晶硅薄膜至今，经过数十年的发展非晶硅技术已经得到了产业界的强烈关注。由于非晶硅的带隙在1.7eV，使得这种材料的吸收主要集中于太阳光谱的蓝光区而对于红光区的吸收较弱，因此单结非晶硅电池难以满足使用需要。为了改进这一缺点通常使用串联叠层的方式使用底电池吸收红光，已达到太阳电池充分利用太阳光谱的目的。在此基础上，人们发展了多种针对非晶硅薄膜的多结叠层电池结构，如a-Si/a-SiGe、a-Si/nc-Si，
a-Si/nc-Si/nc-Si等。但当前的技术制备底电池通常需要较为复杂的工艺过程，从而导致在生产过程中的成本大幅提高，因而开发一种简单、廉价的底电池制备方法是十分必要的。
有机太阳电池以其制作工艺简单、柔性、低廉和可以通过卷对卷、喷墨打印等方法实现大面积生产等优势而备受关注。在基于聚合物的有机太阳电池中，以p型有机半导体作为给体，小分子富勒烯衍生物作为受体材料的体相异质结器件是目前有机太阳电池中器件效率发展比较快的。有机半导体材料可通过化学方法有望实现大量、廉价生产，同时使用印刷等卷对卷制备技术在柔性衬底上实现有机太阳能电池大面积、廉价的制备，因而使得有机太阳能电池是目前新型低成本太阳能电池的研究热点之一。通过变化有机半导体材料的结构可以很方便的改变有机太阳能电池的吸收光谱范围，从而与硅薄膜薄膜太阳能电池的吸收光谱形成很好的互补，进而大幅度扩展叠层电池对太阳光谱的吸收范围。因此硅薄膜/有机薄膜叠层太阳能电池是一种低成本高效率的太阳能电池新技术。
发明内容
本发明提出一种硅薄膜/有机叠层薄膜太阳电池，使用与硅薄膜顶电池光谱匹配的有机太阳能电池作为底电池，大幅度扩展硅薄膜电池的太阳光谱响应范围，从而大幅度提高硅薄膜/有机叠层太阳电池的光电转换效率。
一种由硅基子电池和有机子电池构成的叠层薄膜太阳能电池，该电池由硅薄膜顶电池和有机太阳能电池底电池构成，在顶电池和底电池之间有透明导电的中间层，电池结构为：衬底/透明导电薄膜电极/p型硅薄膜层/本征硅薄膜吸收层/n型硅薄膜层/中间层/有机光敏层/电极。
衬底是柔性衬底，包括不锈钢箔、铝箔、柔性玻璃、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)中的一种。
衬底是玻璃衬底，为超薄超白玻璃，厚度在0.1-1毫米之间，透光率在92-100%。
透明导电薄膜电极为铟锡氧化物半导体透明导电薄膜（ITO）、掺杂氟的氧化锡透明导电薄膜（FTO）、铝掺杂的氧化锌透明导电薄膜（AZO）、聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐透明导电薄膜（PEDOT:PSS）、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、金属纳米线组成的网状结构、纳米厚度金属薄膜中的一种，两种或两种以上材料构成。
硅基子电池由p型硅薄膜层、本征硅薄膜吸收层与n型硅薄膜层组成。
p型硅薄膜层为p型非晶硅薄膜、p型碳化硅薄膜或p型纳晶硅薄膜中的一种。
所述p型纳晶硅薄膜，纳晶硅晶粒尺寸在1-50纳米之间。
本征型硅薄膜层是非晶硅薄膜、纳晶硅薄膜或非晶硅锗合金薄膜中的一种。
所述纳晶硅薄膜，纳晶硅晶粒尺寸在1-50纳米之间；纳晶硅晶粒间用非晶硅网络联系起来。
所述非晶硅锗合金薄膜，其中锗硅比例为0-1:1。
有机光敏层为具有两种分子成分组成的光敏层，即电子给体与电子受体，以及具有在该光敏层上的电极，即阴极。
有机光敏层的电子给体为PDPP3T、PDPP5T、PF10TBT、pBBTDPP2、PSBTBT、PBDTT-DPP、PBDTT-SeDPP、PDTP-DFBT、DCV6T、DPSQ中的一种，两种或两种以上材料构成。
有机光敏层的电子受体为C60、PC61BM、PC71BM、IC60BA、IC70BA、Bis-PC61BM、Bis-PC71BM中的一种，两种或两种以上材料构成。
有机光敏层构成材料包含配对的电子给体材料与受体电子受体材料的质量比为10：1-1：10。
中间层为单层或双层结构，厚度为1-200nm；单层透明中间层为石墨烯、氧化石墨烯、PEDOT:PSS、氧化钼、碳纳米管中的一种或两种以上材料组成；双层中间层材料为ITO/石墨烯、ITO/氧化石墨烯、ITO/PEDOT:PSS、ITO/氧化钼、ITO/碳纳米管、AZO/石墨烯、AZO/氧化石墨烯、AZO/PEDOT:PSS、AZO/氧化钼、或AZO/碳纳米管中的一种。
所述电极为铝、银、钙、氟化锂、碳酸铯、石墨烯、氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯衍生物、共轭聚电解质、离子液体、聚氨酯中的一种，两种或两种以上材料构成。所述阴极在具有栅格结构时可朝向入射光。
附图说明
图1为光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳电池的结构示意图。
其中，1-衬底；2-透明导电薄膜电极；3-型硅薄膜层；4-本征硅薄膜吸收层；5-n型硅薄膜层；6-中间层；7-有机光敏层；8-电极。
图2为用于光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳电池中底电池和顶电池的紫外-可见吸收光谱。
图3为光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳电池的I-V测试结果。
图4为光谱互补的硅薄膜/有机叠层薄膜太阳电池各子电池的QE测试结果。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举以下实施实例。
实施例1：
非晶硅单结薄膜太阳电池制备方法和步骤如下：
使用团簇式多腔室化学气相沉积装置进行非晶硅电池的制备，将FTO玻璃衬底放入多腔室装置的p型层沉积室，衬底温度控制在200℃，以6:2:1:10的比例通入硅烷、乙硼烷、甲烷、氢气的混合气体，将腔内气压稳定在约100Pa。开启射频等离子体源，待等离子体辉光稳定后打开样品挡板，沉积p型层约10nm后关闭等离子体，将衬底在真空中传输至本征层沉积室。将衬底温度在200℃，以16:100的比例通入硅烷和氢气的混合气，将腔内气压稳定在约100Pa，开启射频等离子体源，待等离子体辉光稳定后打开样品挡板，沉积p型层约100nm后关闭等离子体，将衬底在真空中传输至n型层沉积室。将衬底温度在200℃，以7:1的比例通入硅烷和磷烷的混合气，将腔内气压稳定在约100Pa，开启射频等离子体源，待等离子体辉光稳定后打开样品挡板，沉积n型层约15nm后关闭等离子体。在n型层表面使用电阻蒸发的方法沉积约150nm金属铝形成电极。
实施例2：
PDPP3T:PC61BM-ODCB单溶剂溶液及薄膜制备方法和步骤如下：
将PDPP3T和PC61BM溶于邻二氯苯（ODCB）中，80℃加热搅拌24小时，配成浓度为15mg/ml的PDPP3T:PC61BM-ODCB单溶剂溶液（PDPP3T:PC61BM=1:2w.t.）。使用旋涂仪将上述配制溶液旋涂成膜，得到PDPP3T:PC61BM有机光敏层薄膜。
在衬底上依次制备ITO导电薄膜和中间层PEDOT:PSS，于150℃空气中热退火15min后，旋涂80nm厚的PDPP3T:PC61BM有机光敏层薄膜，再转移至真空蒸发系统中蒸镀金属电极Ca/Al，制备出单结聚合物薄膜太阳电池器件，所得电池使用AM1.5的太阳能模拟器进行照射，测得的I-V曲线如图3所示，效率可达5.34%
实施例3：
PDPP3T:PC71BM-ODCB单溶剂溶液及薄膜制备方法和步骤如下：
将PDPP3T和PC71BM溶于邻二氯苯（ODCB）中，80℃加热搅拌24小时，配成浓度为15mg/ml的PDPP3T:PC71BM-ODCB单溶剂溶液（PDPP3T:PC71BM=1:2w.t.）。使用旋涂仪将上述配制溶液旋涂成膜，得到PDPP3T:PC71BM有机光敏层薄膜。
在衬底上依次制备ITO导电薄膜和中间层PEDOT:PSS，于150℃空气中热退火15min后，旋涂80nm厚的PDPP3T:PC71BM有机光敏层薄膜，再转移至真空蒸发系统中蒸镀金属电极Ca/Al，制备出单结聚合物薄膜太阳电池器件，所得电池使用AM1.5的太阳能模拟器进行照射，测得的I-V曲线如图3所示，效率可达5.87%
实施例4：
具有光谱匹配的非晶硅/有机叠层薄膜太阳电池，其制备方法为：
使用等离子体化学气相沉积的方法在FTO导电玻璃表面制备p-i-n单结非晶硅太阳电池。使用上述太阳电池作为衬底，在其表面使用磁控溅射方法沉积30nm的ITO透明导电薄膜。使用旋涂的方法在ITO表面制备30nm的PEDOT:PSS。旋涂后在空气中以150℃退火15分钟，随后在PEDOT:PSS表面旋涂厚度大约为60nm的有机吸收层材料PDPP3T:PC61BM。使用热蒸发的方法沉积10nm的Ca和150nm的Al作为电极。使用激光将上述叠层电池分割为固定面积的子电池。将叠层电池置于AM1.5的太阳能模拟器下，测得子电池开路电压为1.45V，短路电流7.56mA/cm2，填充因子75.6%，效率8.32%，测量结果如附图3所示。
实施例5：
具有光谱匹配的非晶硅/有机叠层薄膜太阳电池，其制备方法为：
使用等离子体化学气相沉积的方法在FTO导电玻璃表面制备p-i-n单结非晶硅太阳电池。使用上述太阳电池作为衬底，在其表面使用磁控溅射方法沉积30nm的ITO透明导电薄膜。使用旋涂的方法在ITO表面制备30nm的PEDOT:PSS。旋涂后在空气中以150℃退火15分钟，随后在PEDOT:PSS表面旋涂厚度大约为60nm的有机吸收层材料PDPP3T:PC71BM。使用热蒸发的方法沉积10nm的Ca和150nm的Al作为电极。使用激光将上述叠层电池分割为固定面积的子电池。

Claims (10)

1.一种由硅基子电池和有机子电池构成的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：
该电池由硅薄膜顶电池和有机太阳能电池底电池构成，在顶电池和底电池之间有透明导电的中间层，电池结构为：衬底（1）/透明导电薄膜电极（2）/p型硅薄膜层（3）/本征硅薄膜吸收层（4）/n型硅薄膜层（5）/中间层（6）/有机光敏层（7）/电极（8）。
2.权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：
衬底（1）是柔性衬底，包括不锈钢箔、铝箔、柔性玻璃、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)中的一种；
衬底（1）是玻璃衬底，为超薄超白玻璃，厚度在0.1-1毫米之间，透光率在92-100%。
3.权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：
透明导电薄膜电极（2）为铟锡氧化物半导体透明导电薄膜（ITO）、掺杂氟的氧化锡透明导电薄膜（FTO）、铝掺杂的氧化锌透明导电薄膜（AZO）、聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐透明导电薄膜（PEDOT:PSS）、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、金属纳米线组成的网状结构、纳米厚度金属薄膜中的一种，两种或两种以上材料构成。
4.权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：硅基子电池由p型硅薄膜层（3）、本征硅薄膜吸收层（4）与n型硅薄膜层（5）组成；
p型硅薄膜层（3）为p型非晶硅薄膜、p型碳化硅薄膜或p型纳晶硅薄膜中的一种；
所述p型纳晶硅薄膜，纳晶硅晶粒尺寸在1-50纳米之间；
本征型硅薄膜层（4）是非晶硅薄膜、纳晶硅薄膜或非晶硅锗合金薄膜中的一种；
所述纳晶硅薄膜，纳晶硅晶粒尺寸在1-50纳米之间；纳晶硅晶粒间用非晶硅网络联系起来；
所述非晶硅锗合金薄膜，其中锗硅比例为0-1:1。
5.权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：有机光敏层（7）为具有两种分子成分组成的光敏层，即电子给体与电子受体，以及具有在该光敏层上的电极（8），即阴极。
6.权利要求5所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：有机光敏层（7）的电子给体为PDPP3T、PDPP5T、PF10TBT、pBBTDPP2、PSBTBT、PBDTT-DPP、PBDTT-SeDPP、PDTP-DFBT、DCV6T、DPSQ中的一种，两种或两种以上材料构成。
7.权利要求5所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：有机光敏层（7）的电子受体为C60、PC61BM、PC71BM、IC60BA、IC70BA、Bis-PC61BM、Bis-PC71BM中的一种，两种或两种以上材料构成。
8.权利要求5所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：有机光敏层（7）构成材料包含配对的电子给体材料与受体电子受体材料的质量比为10：1-1：10。
9.权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：中间层（6）为单层或双层结构，厚度为1-200nm；单层透明中间层为石墨烯、氧化石墨烯、PEDOT:PSS、氧化钼、碳纳米管中的一种或两种以上材料组成；双层中间层材料为ITO/石墨烯、ITO/氧化石墨烯、ITO/PEDOT:PSS、ITO/氧化钼、ITO/碳纳米管、AZO/石墨烯、AZO/氧化石墨烯、AZO/PEDOT:PSS、AZO/氧化钼、或AZO/碳纳米管中的一种。
10.权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述电极（8）为铝、银、钙、氟化锂、碳酸铯、石墨烯、氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯衍生物、共轭聚电解质、离子液体、聚氨酯中的一种，两种或两种以上材料构成。所述阴极（8）在具有栅格结构时可朝向入射光。
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