CN105185912A - 一种双受体的三元太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双受体的三元太阳能电池，属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域。该电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；光活性层的重量百分比组成为：电子给体:40%，电子受体一:10~50%，电子受体二:10~50%。本发明采用双电子受体，能有效地覆盖光吸收波段，并利用受体之间的堆叠作用，优化薄膜表面的结晶，提高载流子传输，提高器件的短路电流密度，最终提升器件的光电转换性能。

Description

一种双受体的三元太阳能电池
技术领域
本发明属于有机聚合物光伏器件或有机半导体薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种有机薄膜太阳能电池。
背景技术
随着全球能源需求的爆炸式增长，能源问题己经成为各国经济发展所要面临的首要难题。由于太阳能具有洁净、分布广泛、取之不尽用之不竭等特点，研究光伏发电解决能源问题成为可再生能源领域研究的重点与热点。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机半导体材料不仅材料本身的合成条件和器件化工艺条件相对温和，其分子化学结构容易修饰，用其来制作电池时，可以满足成本低、耗能少、容易大面积制作的要求。从20世纪90年代起，随着薄膜技术的迅猛发展，采用新材料新结构新工艺制备的电池的性能得到大幅度的提高。
然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。传统的有机太阳能电池的光活性层是决定器件光电转换效率的关键。经典的体异质结结构替代了原有的双层异质结结构，使得电子给体与受体材料在光活性层中均匀的混合，从而增大了给体受体的接触面积，为载流子传输提供了大量的通道，从而极大的提高器件的光电转换效率。
然而，传统的体异质结太阳能电池存在以下两大问题：1，单受体的体异质结光吸收范围有限，其中，从而限制了器件的短路电流密度；2，基于富勒烯衍生物的受体由于其分子结构，在一定程度上不能有效地与给体聚合物充分结合，导致光活性层中不能有效地形成给体受体相分离，从而限制了载流子的传输效率。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种双受体的三元太阳能电池，目的是通过在光活性层中加入第二种受体，以实现：（1）提升光活性层的光吸收范围；（2）提高光活性层的给体受体相分离程度，及薄膜的结晶性，提高载流子传输效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；光活性层的重量百分比组成为：电子给体:40%，电子受体一:10~50%，电子受体二:10~50%，光活性层厚度为50~300nm；所述电子受体1材料为PC61BM，所述电子受体2材料为PC71BM。
进一步地，所述光活性层中，电子给体材料为P3HT或PTB7的一种。
进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15～50nm。
进一步地，所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1～20nm。
进一步地，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100～300nm。
进一步地，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过引入第二种电子受体材料，从而提升光活性层中的光吸收范围，最终提升器件的短路电流密度；
通过引入第二种电子受体材料，来填充原给体受体之间的空隙，并提高给体受体之间的相分离程度，提高光活性层的薄膜结晶性，提高载流子传输速度。
附图说明：
图1是本发明所涉及的一种双受体的三元太阳能电池结构，从下到上依次为：1表示衬底，2表示透明导电阴极ITO，3表示阴极缓冲层，4表示光活性层，5表示阳极缓冲层，6表示金属阳极。
图2是本发明涉及的光活性层的AFM图，其中a)为对照组，b)为双受体的光活性层表面，从图中可以明显看出，在加入双受体后，薄膜表面相分离程度提高了，结晶性也得到提高。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明的技术方案是提供一种双受体的三元太阳能电池，如图1、图2所示，一种双受体的三元太阳能电池，该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；光活性层组分为：电子给体：40%，电子受体一：10~50%，电子受体二：10~50%，光活性层厚度为50~300nm；所述电子受体一材料为PC61BM；所述电子受体二材料为PC71BM；所述光活性层中，电子给体材料为P3HT或PTB7的一种；所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15～50nm；所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1～20nm；所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100～300nm；所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
实施例1（对照组）：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM(40%:60%)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行烘烤(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56V，短路电流(JSC)=8.2mA/cm2，填充因子(FF)=0.53，光电转换效率(PCE)=2.43%。
实施例2：(对照组)
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC61BM(40%:60%)光活性层(1200rpm,60s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.70V，短路电流(JSC)=13mA/cm2，填充因子(FF)=0.63，光电转换效率(PCE)=5.73%。
实施例3：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:PC71BM(40%:10%:50%)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行烘烤(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56V，短路电流(JSC)=9.2mA/cm2，填充因子(FF)=0.55，光电转换效率(PCE)=2.83%。
实施例4：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:PC71BM(40%:20%:40%)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行烘烤(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.56V，短路电流(JSC)=10.5mA/cm2，填充因子(FF)=0.56，光电转换效率(PCE)=3.29%。
实施例5：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备P3HT:PC61BM:PC71BM(40%:50%:10%)光活性层(1000rpm,25s,220nm)，并进行烘烤(140℃,5min)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.57V，短路电流(JSC)=8.7mA/cm2，填充因子(FF)=0.53，光电转换效率(PCE)=2.63%。
实施例6：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC61BM:PC71BM(40%:10%:50%)光活性层(1200rpm,60s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.70V，短路电流(JSC)=15.2mA/cm2，填充因子(FF)=0.65，光电转换效率(PCE)=6.92%。
实施例7：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC61BM:PC71BM(40%:50%:10%)光活性层(1200rpm,60s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.71V，短路电流(JSC)=14.2mA/cm2，填充因子(FF)=0.63，光电转换效率(PCE)=6.35%。
实施例8：
对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆ZnO(5000rpm,40s,15nm)制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行烘烤(200℃,60min)；在阴极缓冲层上采用旋涂制备PTB7:PC61BM:PC71BM(40%:30%:20%)光活性层(1200rpm,60s,100nm)；在光活性层表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液制备阳极缓冲层(3000rpm,60s，30nm)；将基板采用恒温热台加热退火的方式进行退火(150℃,5min)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)=0.75V，短路电流(JSC)=15.6mA/cm2，填充因子(FF)=0.65，光电转换效率(PCE)=7.61%。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (6)

1.一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：该太阳能电池采用反型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电阴极ITO，阴极缓冲层，光活性层，阳极缓冲层，金属阳极；光活性层的重量百分比组成为：电子给体:40%，电子受体一:10~50%，电子受体二:10~50%，光活性层厚度为50~300nm；所述电子受体1材料为PC61BM，所述电子受体二材料为PC71BM。
2.根据权利要求1所述的一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：所述光活性层中，电子给体材料为P3HT或PTB7的一种。
3.根据权利要求1所述的一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS，阳极缓冲层厚度为15～50nm。
4.根据权利要求1所述的一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层材料为TPBi、BCP、Bphen、Alq3、ZnO或TiO2的一种或多种，阴极缓冲层厚度范围为1～20nm。
5.根据权利要求1所述的一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极厚度为100～300nm。
6.根据权利要求1所述的一种双受体的三元太阳能电池，其特征在于：所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。
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