CN105374938A - 一种场效应有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏技术领域，提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括步骤一：在衬底上分别刻蚀阳电极、阴电极、以及独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通；步骤二：在所述门电极上利用原子层沉积法生长介电层；步骤三：在所述介电层上通过气相聚合的方法原位生长阳极材料；然后对所述阳极材料进行刻蚀，形成具有若干通孔的网状阳极层；步骤四：在所述网状阳极层上形成活性层，退火处理；所述活性层通过所述通孔与所述介电层连接；步骤五：然后在所述活性层上形成阴极层。本发明用外加门控电压调控器件内部电场以提升载流子分离、输运、收集效率，降低复合，从而同时提高V_oc、J_sc，FF值。

Description

一种场效应有机太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池等光伏器件的技术领域，尤其是一种场效应太阳能电极及其制备方法。

背景技术

有机太阳能电池具有柔性、价格低廉、可大面积制备等优点，具有巨大的市场前景，成为学术研究与产业开发所关注的热点。从实际应用角度考虑，实验室有机太阳能电池的光电转换效率至少需要达到10％，且寿命超过7年才有可能尝试批量生产和商业应用。近年来有机太阳能电池效率的提升取得了非常鼓舞人心的成果，多个研究组报导了>8％的效率，2012年更有小组已经达到了10％这一器件效率门槛。从研究角度看，热力学理论分析认为有机太阳能电池的效率极限可以达到22–27％，因此有机太阳能电池的效率还有很大的上升空间。目前，提高有机太阳能电池效率的手段主要有两个：(1)设计新型活性材料分子结构，包括降低给体分子带隙宽度、降低给体材料HOMO能级、设计二维给体聚合物分子骨架以及调节给体分子的分子量等；(2)优化器件制备工艺：包括调控器件中材料界面，材料形貌等。这些研究的目的是为了提高器件的三个参数：开路电压V_oc、短路电流J_sc和填充因子FF。然而研究发现，V_oc与J_sc相互制约，提升V_oc的同时往往以降低J_sc为代价，反之亦然，而影响FF的因素多而复杂，因此难以同时提高这三个性能参数。

现有的传统有机太阳能电池的光电转换效率普遍偏低，为了提高有机太阳能电池的光电转换效率，研究者(1)从材料合成角度进行了活性材料分子结构设计包括降低给体分子带隙宽度、降低给体材料HOMO能级、设计二维给体聚合物分子骨架以及调节给体分子的分子量等；这个方面的研究费时，费力，昂贵，目的性不强，而且还受制于器件的制备工艺，不确定性因素很多。(2)从器件物理的角度出发，研究者对器件的制备工艺进行了一系列的研究。然而研究发现，V_oc与J_sc相互制约，提升V_oc的同时往往以降低J_sc为代价，反之亦然，而影响FF的因素多而复杂，因此难以同时提高这三个性能参数。这类研究得到的工艺参数只适用于某种或某类材料，并没有普适性，因此这种方法也有很多不确定性因素。

在2012年“纳米快讯”上，研究者发表了用Cu₂O和硅作为活性材料，用几十到几百纳米宽的半透明的金属作为太阳能电池的一个电极，在电极上方盖上绝缘层和门电极。用来调控器件的光电转换效率。这种设计的缺陷在于:(1)器件能够利用的光能会很少(半透明电极的透光率只有40％)；(2)由于电极大小的限制，使得器件的内阻增加，从而导致器件的开路电压很小，没有实用价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一：在衬底上分别刻蚀阳电极、阴电极、以及独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通；

步骤二：在所述门电极上利用原子层沉积法生长介电层；

步骤三：在所述介电层上通过气相聚合的方法原位生长阳极材料；然后对所述阳极材料进行刻蚀，形成具有若干通孔的网状阳极层；

步骤四：在所述网状阳极层上形成活性层，退火处理；所述活性层通过所述通孔与所述介电层连接；

步骤五：然后在所述活性层上形成阴极层。

其中，所述门电极还还包括：开设于所述衬底中心的第一部分；以及开设于所述第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。

其中，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述第一部分通过所述桥接部连通。

其中，所述门电极占所述衬底面积的10～20％。

其中，所述网状阳极层的占空比为1:1.5；所述网状阳极层的材料为高分子聚合物、金属材料或导电氧化物；

所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度为10～10000纳米。

其中，所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。

本发明还提供这种场效应有机太阳能电池，其从下至上依次包括：刻蚀有阳电极、阴电极的衬底、介电层、网状阳极层，活性层以及阴极层；所述衬底还刻蚀有独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通。

其中，所述门电极还还包括：开设于所述衬底中心的第一部分；以及开设于所述第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。

其中，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述第一部分通过所述桥接部连通。

其中，所述门电极占所述衬底面积的10～20％。

其中，所述网状阳极层的占空比为1:1.5；所述网状阳极层的材料为高分子聚合物、金属材料或导电氧化物；

所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度为10～10000纳米。

其中，所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。

本发明提供一种场效应增强有机太阳能电池，其对现有场效应太阳能电池的结构进行改进，将栅极引出衬底形成门电极，用外加门控电压调控器件内部电场以提升载流子分离、输运、收集效率，降低复合，从而从同时提高V_oc、J_sc，FF值，最终提高太阳能电池的效率。该器件的实现不仅有望获得较高的光电转换效率，而且将进一步验证电场提升载流子传输和光伏性能机理的设想。

附图说明

图1为现有场效应有机太阳能电池的衬底俯视结构示意图。

图2为本发明场效应有机太阳能电池的衬底俯视结构示意图。

图3为本发明场效应有机太阳能电池沿图2中PP’线纵向剖切示意图。

图4为本发明场效应有机太阳能电池在施加门电压后的电流-电压曲线图。

具体实施方式

下面，将结合实施例对本发明做详细介绍。

实施例1

现有的场效应有机太阳能电池，如图1所示，包括在衬底210刻蚀出的阳电极220,、阴电极230和栅电极240。其中栅电极240一般位于衬底210的中心部分。这种结构不利于开路电压V_oc、短路电流J_sc和填充因子FF的提高。

本实施例提供一种场效应有机太阳能电池，如图2所示，其包括在衬底刻蚀出的阳电极120,、阴电极130和门电极140，其中门电极140是对现有技术栅电极240的改进，为了与现有的栅电极240区别，本发明命名为“门电极”。这样，本发明的太阳能电池从下至上依次包括：刻蚀有阳电极120、阴电极130的衬底110、介电层150、网状阳极层160，活性层170以及阴极层180。其中，所述门电极140是独立于所述阳电极120、阴电极130在衬底110形成，所述门电极140与所述衬底110至少一边缘连通，用于将门电极140引出。

在本实施例中，优选的方案可以是：门电极140还包括开设于所述衬底中心的第一部分141；以及开设于所述第一部分141与所述衬底110边缘之间的桥接部143，用于连通所述第一部分141以及所述衬底110边缘。

进一步地，所述门电极140还包括与所述衬底110边缘连通的第二部分142，所述第二部分142与所述第一部分141通过所述桥接部143连通。第二部分142的开设是为了方便器件的测试，占有面积越小越好。

下面，结合图2介绍这种太阳能电池的制备方法。

本实施例提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一：本实施例采用的衬底110为导电玻璃，即在钠钙基或硅硼基基片玻璃111的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡(俗称ITO)膜112加工制作成的。用氩气离子束刻蚀的方法(例如，离子束刻蚀的功率为350瓦，刻蚀时间为10～15分钟)在金属掩模板的辅助下，在3*3cm²透明氧化铟锡导电玻璃上刻蚀出阳电极120、阴电极130、以及独立于所述阳电极120、阴电极130的门电极140，使所述门电极140与所述衬底110至少一边缘连通(参见图1)。其中，所述门电极140的形状还有进一步优化，具体包括与所述衬底110边缘连通的第二部分142以及开设于所述衬底110中心区域的第一部分141，所述第二部分142与所述第一部分141通过桥接部143相连。

进一步地，门电极140所在区域占整个衬底的面积较佳方案为10％。若门电极140太大，介电层150的针孔密度会增加，起不到用外加电场调控器件性能的作用；门电极140太小，电池电流密度较小，很难实现器件的实用化。并且，桥接部也属于门电极的一部分，占用门电极的面积，为了使门电极的实用面积最大化，同时又能保证将门电极引出衬底，优选将桥接部开设得越细窄、越短小，越好。

步骤二：如图2所示，通过掩膜的方法在门电极140对应区域，利用原子层沉积的方法在150℃生长48小时，得到80nm厚的致密的三氧化二铝层，作为本实施例的介电层150。该介电层150在10V偏压下，漏电流仅为10^-9A。

步骤三：在介电层150上通过气相聚合的方法在55℃下原位生长出100nm厚、具有稳定高导性的、透明的、聚(3,4-亚乙二氧基)噻吩(PEDOT)作为器件的阳极材料。然后，再通过光刻方法在PEDOT上刻蚀出方形孔状(在其他实施例中还可以是六边形、圆形孔)，并用离子束刻蚀的方法在350瓦的功率下刻蚀10分钟，将PEDOT材料刻蚀形成具有若干通孔(图中未示出)的网状阳极层160。其中，网状阳极层160较优化的占空比为1：1.5，通孔孔径为20*20微米。

步骤四：得到的网状阳极层160上蒸镀上约10nm厚的氧化钼作为空穴传输材料，然后采用旋涂、蒸镀、或刮涂的方法在所述空穴传输材料上制作活性材料(例如为P3HT(聚3-己基噻吩)和富勒烯衍生物[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethylester(PCBM)的共混物)，最后在110℃退火10分钟。上述的空穴传输材料与活性材料共同构成活性层170，通过网状阳极层160上的通孔与介电层150连接。

步骤五：在形成有所述活性层170的衬底110上，通过蒸镀的方法用掩膜版镀上LiF和Al分别作为电子传输材料和收集材料，电子传输材料和收集材料即构成本发明的阴极层180。

对通过本实施例方法获得的场效应有机太阳能电池进行器件性能测试，其结果表明：结合图4所示，5V门电压下器件的开路电压(V_oc)，短路电流(I_sc)以及FF值都分别比0伏电压下提高了85％，43％，8％，如表1所示。

表1不同门电压下器件的开路电压(V_oc)，短路电流(I_sc)以及FF值

实施例2

本实施例与实施例1所不同的是，用光刻的方法在衬底上制备出各个电极图案。然后用HCl和Zn粉对没有光刻胶保护的地方进行湿法刻蚀。或者用氩离子束刻蚀(IBE)的方法对没有光刻胶保护的衬底进行干法刻蚀。在门电极对上部分通过原子沉积的方法生长出80nm厚的三氧化二铝作为器件的介电层。将生长在其他衬底上的PEDOT膜剥离下来，在乙醇中转移到所述介电层上。

其他工序和实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1所不同的是，用氩离子束刻蚀(IBE)在掩膜板的辅助下刻蚀出各个电极图案。在门电极对上旋涂800nm厚的聚酰亚胺(PI)作为器件的介电层。通过光刻方法在介电层上光刻出网格状图案，然后溅射一层200纳米厚的ITO电极材料制得网状阳极层。

其他工序和实施例1相同。

Claims (10)

1.一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一：在衬底上分别刻蚀阳电极、阴电极、以及独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通；

步骤二：在所述门电极上利用原子层沉积法生长介电层；

步骤三：在所述介电层上通过气相聚合的方法原位生长阳极材料；然后对所述阳极材料进行刻蚀，形成具有若干通孔的网状阳极层；

步骤四：在所述网状阳极层上形成活性层，退火处理；所述活性层通过所述通孔与所述介电层连接；

步骤五：然后在所述活性层上形成阴极层。

2.根据权利要求1所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述门电极还包括：

开设于所述衬底中心的第一部分；以及

开设于所述第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。

3.根据权利要求2所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述第一部分通过所述桥接部连通。

4.根据权利要求1或2或3所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述门电极占所述衬底面积的10％～20％。

5.根据权利要求1所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述网状阳极层的占空比为1:1.5；所述网状阳极层的材料为高分子聚合物、金属材料或导电氧化物；

所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度为10～10000纳米；

所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。

6.一种场效应有机太阳能电池，其从下至上依次包括：刻蚀有阳电极、阴电极的衬底、介电层、网状阳极层，活性层以及阴极层；其特征在于，所述衬底还刻蚀有独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通。

7.根据权利要求6所述场效应有机太阳能电池，其特征在于，所述门电极还包括：

开设于所述衬底中心的第一部分；以及

开设于所述第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。

8.根据权利要求7所述场效应有机太阳能电池，其特征在于，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述第一部分通过所述桥接部连通。

9.根据权利要求6或7所述场效应有机太阳能电池，其特征在于，所述门电极占所述衬底面积的10％～20％。

10.根据权利要求6所述场效应有机太阳能电池，其特征在于，所述网状阳极层的占空比为1:1.5；所述网状阳极层的材料为高分子聚合物、金属材料或导电氧化物；

所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度为10～10000纳米；

所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。