CN105576130B - 一种有机光电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机光电池，包括至少一个反式单层元件，所述反式单层元件包括第一电极、第二电极以及位于二者之间的电子传递层、光活性层和电洞传递层，其中所述第一电极和第二电极中至少一个具有光学透明性；所述第一电极为银金属电极，所述第二电极为ITO电极。所述光活性层由PV2000材料制备而成。反式单层元件热稳定性可达110℃以上，于80℃/65％RH大气测试环境下，无明显劣化现象发生；模拟光源元件稳定性测试大于20000小时，相当于七年使用寿命。即该电池在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上较传统的电池获得了显著的提升。

Description

一种有机光电池
技术领域
本发明涉及光伏电池技术领域，具体地是涉及一种有机光电池。
背景技术
有机太阳能电池是20世纪90年代发展起来的新型太阳能电池，它是以有机半导体作为实现光电转换的活性材料。与无机太阳能电池相比，它具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，具有广阔的发展和应用前景，已成为当今新材料和新能源领域最富活力和生机的研究前沿之一。
有机太阳能电池是成分全部或部分为有机物的太阳能电池，他们使用了导电聚合物或小分子用于光的吸收和电荷转移。有机物的大量制备、相对价格低廉，柔软等性质使其在光伏应用方面很有前途。通过改变聚合物等分子的长度和官能团可以改变有机分子的能隙，有机物的摩尔消光系数很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。但是相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池的主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差。
因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。
发明内容
本发明旨在提供一种有机光电池，其可以具有较高的能量转换效率和稳定性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种有机光电池，包括至少一个反式单层元件，所述反式单层元件包括第一电极、第二电极以及位于二者之间的电子传递层、光活性层和电洞传递层，其中所述第一电极和第二电极中至少一个具有光学透明性；所述第一电极为银金属电极，所述第二电极为ITO电极，所述光活性层由P型高分子半导体材料制备而成。
优选地，所述光活性层由PV2000材料制备而成。
优选地，所述光活性层由PV2000:PC60BM材料制备而成。
优选地，所述光活性层由PV2000:PC70BM材料制备而成。
优选地，还包括基板，所述反式单层元件设置在所述基板上。
优选地，还包括阻水氧保护层，其设置在所述第一电极上。
优选地，所述基板为PET软性塑料基板。
优选地，所述第一电极和所述第二电极均具有光学透明性。
优选地，所述反式单层元件的厚度在250-300nm之间。
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
本发明所述的有机光电池，反式单层元件热稳定性可达110℃以上，于80℃/65％RH大气测试环境下，无明显劣化现象发生；模拟光源元件稳定性测试大于20,000小时，相当于七年使用寿命。即该电池在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上较传统的电池获得了显著的提升，也将促使有机薄膜光伏电池成为迎向绿色环保能源的新一扇窗。
附图说明
图1为本发明所述的有机光电池的结构示意图；
图2为反式单层元件的热稳定性测试结果图；
图3为反式单层元件于80℃/65％RH稳定性测试结果图；
图4为反式单层元件的光浸泡老化测试结果图。
其中：1.第一电极，2.第二电极,3.电子传递层,4.光活性层，5.电洞传递层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，为符合本发明的一种有机光电池，包括至少一个反式单层元件，所述反式单层元件包括第一电极1、第二电极2以及位于二者之间的电子传递层3、光活性层4和电洞传递层5，其中所述第一电极1和第二电极2中至少一个具有光学透明性；所述第一电极1为银金属电极，所述第二电极2为ITO电极，所述光活性层4由P型高分子半导体材料制备而成。其基本原理在于：吸收光能后产生激子(电洞和电子对)，而后电洞和电子对分离，传送至相应的电极。
优选地，所述光活性层4由PV2000材料制备而成。PV2000具有良好的大气制程稳定性，可采用各种湿式印刷制程技术，涂布在软性PET塑胶基材上，由于达成最佳性能表现的薄膜厚度可达到250-300nm，在溶液涂布制程上具有良好的均匀性控制及再现性。PV2000所制作的单层元件热稳定性可达110℃以上，于80℃/65％RH大气测试环境下，无明显劣化现象发生；模拟光源(1,000W/m2)元件稳定性测试大于20,000小时，相当于七年使用寿命。以狭缝涂布方式所完成PV2000:PC70BM的元件模组(有效面积23.7cm2)，经美国Newport认证可达7.56％。由于在光电转换效率、制程加工性、制程可靠性及操作稳定性上获得显著的提升，PV2000无论在产品性能、价格及普遍应用性均可得到全方位的竞争优势，也将促使有机薄膜光伏电池成为迎向绿色环保能源的新一扇窗。PV2000是现有技术中的一种材料，该材料已经投放市场，如美商Polyera公司已经在销售该材料。
优选地，还包括基板，所述反式单层元件设置在所述基板上。
优选地，还包括阻水氧保护层，其设置在所述第一电极1上。
优选地，所述基板为PET软性塑料基板。软性塑料基板的使用也使得电池整体的柔韧性更强，适合各种弯曲场合的需要。
优选地，所述第一电极1和所述第二电极2均具有光学透明性。两面透光在保证光能充分吸收的前提下，对于一些光照需求较高的场合尤为适用。
优选地，所述反式单层元件的厚度在250-300nm之间。
为了提高光电转换效率，本实施例采用P型及N型有机半导体混掺方式，借以提高吸收光能量后所产生的激子(电子-电洞对)更容易扩散至界面形成电荷分离，来克服有机半导体电子-电洞对低生命期的问题。为了提高元件稳定性，主要以反式单层元件结构为主，以ITO为阴极，加上电子传递层3后，然后涂上光活性层4及电洞传递层5，最后再镀上较稳定的银金属作为阳极；相较于正型元件以钙金属或铝金属作为电极，反式元件具有更佳的元件寿命及效率稳定性。
为了实现真正绿色环保，并且提高元件制作再现性，天光材料科技公司以低能隙P型高分子半导体材料技术为主体，开发出一系列新颖性P型高分子半导体材料，其中PV2000(是现有技术中的已知材料，该材料已经投放市场，如美商Polyera公司、德国Belectric公司已经在销售和使用该材料)搭配PC60BM或PC70BM，即PV2000:PC60BM或PV2000:PC70BM材料，采用不含氯溶剂所制作的反式单层元件，本实施例优选使用。其经美国Newport认证光电转换效率可达10.36％(Voc 0.81V、Jsc 17.1mA/cm2、FF 0.75)，可在大气下进行元件制作，墨水及基材均不需加热，可适用于旋转涂布(spin coating)，刮涂(blade coating)，狭缝涂布(slot die coating)等制程，因采用相对较厚的薄膜250-300nm，在薄膜制程控制上更具有可靠性及竞争力；特别是PV2000可使用的分子量分布范围特别宽广，且在材料合成制造上可采用连续式生产流程，所生产的材料及元件具备极佳再现性及稳定性，整体而言更具成本竞争性。
在稳定性方面，图2系PV2000:PC60BM材料所制作的反式单层元件，使用加热板在空气中加热(湿度约60-70％RH)，在目标温度下稳定5分钟后，在STC 1sun光照条件下所收集的数据，由测试结果显示，所制作的反式元件可耐热达100℃以上。图3系PV2000:PC60BM所制作的反式元件于80℃/65％RH大气测试环境下，在STC 1sun光照条件下所收集的数据，由测试结果显示，经10小后仍无明显的劣化现象发生。图4为PV2000:PC70BM所制作反式元件经上下玻璃封装后，在金属卤化物灯100mW/cm2连续照射下，所完成的光浸泡老化(lightsoaking)试验，由测试结果显示，经20,000小时仅衰减约10％，以一天7-8小时照射时间来计算，相当于七年使用寿命。
在一实施例中，在PET软性基板上所完成的PV2000:PC60BM半透明软性有机薄膜光电池，有效面积29.25cm2，光电转换效率可达5％。
有机薄膜光电池是唯一在形状、颜色和透明度表现上，可自由变换的光伏电池技术，尤其在室内光源可有效运用的情况下，不仅可取代高污染性的一次性干电池和钮扣电池，成为消费电子的绿色环保能源，同时能够结合物联网及无线充电装置，作为智能家居及办公室装置应用，是一种更能贴近消费者的永续洁净能源技术。本实施例所述的高效率光活性主动层材料，因合成步骤较少、再现性佳及产率高，因此特别具有竞争力，同时具有高溶解性及易加工性，在大气及室温下以卷对卷湿式印刷制程，在PET基材上所制作的大面积软性有机薄膜光伏电池，不仅在性能表现领先全球，更可以满足工业制程上对环保及低成本的要求。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的任何等同变化，均应仍处于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种有机光电池，其特征在于：包括至少一个反式单层元件和基板，所述反式单层元件设置在所述基板上，所述基板为PET软性塑料基板；所述反式单层元件包括第一电极、第二电极以及位于二者之间的电子传递层、光活性层和电洞传递层，所述第一电极和所述第二电极中至少一个具有光学透明性；所述第一电极为银金属电极，所述第二电极为ITO电极；还包括阻水氧保护层，其设置在所述第一电极上；所述反式单层元件的厚度在250-300nm之间；所述光活性层由PV2000:PC70BM材料以狭缝涂布方式制备而成，采用P型及N型有机半导体混掺方式，借以提高吸收光能量后所产生的激子更容易扩散至界面形成电荷分离，来克服有机半导体电子-电洞对低生命期的问题；以狭缝涂布方式所完成PV2000:PC70BM的有效面积为23.7cm2的元件模组，其光电转化效率达7.56％；PV2000:PC70BM所制作反式单层元件经上下玻璃封装后，在金属卤化物灯100mW/cm2连续照射下，所完成的光浸泡老化试验，由测试结果显示，经20000小时仅衰减10％。
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