CN105720199A - 一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法；该电池从下到上包括衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层、金属阳极，所述透明导电阴极为ZnO/MUA/Ag复合薄膜。本发明的ZnO和MUA可以增强Ag和基板之间的附着性，改善Ag的生长，解决了Ag薄膜表面粗糙、方阻大、透过率低的问题。相比于传统的ITO透明阴极，复合薄膜的导电性明显提高，柔韧性增强，使得大面积器件的串联电阻大大降低，有效地提高了大面积器件的能量转换效率和柔韧性，降低大面积器件的生产成本。

Description

一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子元器件中的有机光电技术领域，具体涉及一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
进入二十一世纪，随着化石能源的日益枯竭和全球变暖速度的加快，寻找清洁的可再生能源成为人类面临的一个重要问题。太阳能作为一种无污染、取之不尽、不受地域限制的可再生能源，相比于水力发电、风力发电、生物能发电等其他可再生能源具有巨大潜力。如何利用太阳能有效地转换成电能成为近年来的热点问题。有机太阳能电池(organicsolarcells，OSCs)由于具有柔性、轻便、制备工艺简单、易于大面积成膜和成本低廉等优点，成为最具发展潜力的下一代光伏发电技术。为了实现商业化，大面积、高效率、高稳定性以及低成本的OSCs成为国际上竞争最激烈的前沿科学领域之一。
在过去的十年中，有机太阳能电池的器件性能得到了长足的进展，目前最高效率已达到11％左右。随着对电池工作机理的认识加深以及新材料的出现，在接下来的两年中，有机太阳能电池的效率有望突破13％。然而，由于器件效率仍然受到面积的限制，大部分文章中报道的高效率器件的面积都小于0.15cm2，远不能满足光伏模组商业化的要求。同时，面积对器件性能的限制导致生产成本提高，成为限制OSC器件进入市场的一个重要因素。因此，随着电池效率的不断提高，必须加快OSC器件大面积化的研究。
大面积器件转换效率低的主要原因在于作为透明阳极材料的ITO方阻较大，导致器件的串联电阻随着面积的增加显著提高，填充因子和短路电流减小。此外，ITO电极还存在其他一些缺点，如易碎、柔韧性较差、价格昂贵等。因此，为了获得高效率的大面积柔性器件，必须寻找具有高导电率、高透过率的新型透明电极材料以取代ITO。由于超薄金属薄膜具有较高的导电性和在可见光范围内较低的消光系数使其成为最前途的取代ITO作为透明电极的材料。与其他金属材料相比，Ag具有导电性好(电导率高达1.62μΩcm)、透过率高、并且具有很好的延展性能(仅次于Au)等优点，使其成为制备透明电极的首选材料。然而，超薄金属薄膜的导电性和光学特性强烈依赖于Ag薄膜的粗糙度、晶粒的大小以及薄膜的连续性等。由于在不同基板上金属薄膜的成核过程和生长动力学不同，因此金属薄膜的性质很大程度上受基板种类和真空沉积速率的影响。例如，Ag在绝缘基板上的浸润性较差，往往导致所制备的Ag薄膜表面粗糙、电阻较大且光学性能较差。因此，改善Ag的形貌，形成连续光滑的Ag薄膜，进而制备出导电率高、柔韧性好的透明导电电极对提高大面积有机薄膜太阳能电池器件的性能、降低大面积器件的生产成本起到至关重要的作用。
发明内容
本针对现有技术的不足，提出了一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
一种大面积有机薄膜太阳能电池，从下到上包括衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层、金属阳极，所述透明导电阴极为ZnO/MUA/Ag复合薄膜。
进一步地，所述透明导电阴极中ZnO的厚度为10～100nm，MUA的厚度为1～5nm，Ag的厚度为1～20nm。
进一步地，所述阴极缓冲层材料为TiO2或ZnO，厚度为10～100nm。
进一步地，所述光活性层为P3HT:PCBM、PTB7:PC71BM或者PBDTT-F-TT:PC71BM，厚度为50～300nm。
进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO3，厚度为1～80nm。
进一步地，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu，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包括聚乙烯、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。
进一步地，所述有机薄膜太阳能电池的面积为1～100cm2。
本发明还公开了一种上述所述的大面积有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤二：在衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO和MUA，在MUA上通过
真空热蒸镀法制备Ag，从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；
步骤三：在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100～200℃，退火时间为1～2小时；
步骤四：在阴极缓冲层上旋涂、印刷或喷涂有机溶液制备光活性层；
步骤五：在光活性层表面蒸镀、旋涂或喷涂阳极缓冲层；
步骤六：在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。
进一步地，旋涂法制备MUA的具体过程为：
步骤一：将MUA溶解在甲醇溶剂中，MUA浓度为1～2mmol/L，制备在ZnO上；
步骤二：在MUA上旋涂甲醇溶剂。
进一步地，蒸镀Ag的真空度优于1×10-6Torr，蒸镀速率为
本发明的优点在于：ZnO和MUA可以增强Ag和基板之间的附着性，改善Ag的生长，解决了Ag薄膜表面粗糙、方阻大、透过率低的问题。相比于传统的ITO透明阴极，复合薄膜的导电性明显提高，柔韧性增强，使得大面积器件的串联电阻大大降低，有效地提高了大面积器件的能量转换效率和柔韧性，降低大面积器件的生产成本。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种大面积有机薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2(a)是在玻璃衬底上生长的Ag薄膜的表面粗糙度曲线；
图2(b)是在玻璃/ZnO/MUA衬底上生长的Ag薄膜的表面粗糙度曲线；从图2(a)与图2(b)的对比看出，在玻璃衬底上生长的Ag薄膜的表面粗糙度大，高低落差为26nm；而在玻璃/ZnO/MUA衬底上生长的Ag薄膜的表面粗糙度大大下降，高低落差仅为2nm。
图3是大面积有机薄膜太阳能电池电流电压特性曲线。采用高导电性的ZnO/MUA/Ag复合薄膜取代ITO作为透明导电阴极，提高了大面积器件的光电转换效率和柔韧性，同时降低了大面积器件的制作成本。
具体实施方式
本发明器件的具体结构如图1所示，包括衬底(1)，ZnO薄膜(2)，MUA薄膜(3)，Ag薄膜(4),阴极缓冲层(5)，光活性层(6)，阳极缓冲层(7)，金属阳极(8)；所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、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；所述透明导电阴极中ZnO的厚度为10～100nm，MUA的厚度为1～5nm，Ag的厚度为1～20nm；所述阴极缓冲层材料为TiO2或ZnO，厚度为10～100nm；所述光活性层为P3HT:PCBM、PTB7:PC71BM或者PBDTT-F-TT:PC71BM，厚度为50～300nm；所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO3，厚度为1～80nm；所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu，厚度为100～300nm，所述有机薄膜太阳能电池的面积为1～100cm2。测量时，太阳光从衬底面入射，电极阴阳极与测试电路阴阳极相连，测试器件的电压电流曲线。
实施例1
对玻璃衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(50nm)和MUA(3nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(15nm)，蒸镀Ag的真空度为5×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极，复合电极的表面粗糙度曲线如图2(b)；为了进行对比，在玻璃基板上直接制备Ag薄膜，其表面粗糙度如图2(a)所示；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层TiO2(30nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150℃，退火时间为1小时；在阴极缓冲层上旋涂PBDTT-F-TT:PC71BM有机溶液制备光活性层(100nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为1cm2。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.80V，短路电流(JSC)＝12.60mA/cm2，填充因子(FF)＝0.69，光电转换效率(PCE)＝6.96％。
实施例2
对聚甲基丙烯酸甲酯衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在聚甲基丙烯酸甲酯衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(50nm)和MUA(3nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(15nm)，蒸镀Ag的真空度为6×10-7Torr，蒸镀速率为 从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层TiO2(30nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150℃，退火时间为1小时；在阴极缓冲层上旋涂PBDTT-F-TT:PC71BM有机溶液制备光活性层(100nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为5cm2。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.81V，短路电流(JSC)＝10.29mA/cm2，填充因子(FF)＝0.65，光电转换效率(PCE)＝5.42％。器件的电流电压特性曲线如图3所示。
实施例3
对聚碳酸酯衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在聚碳酸酯衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(10nm)和MUA(1nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1.5mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(1nm)，蒸镀Ag的真空度为4×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层ZnO(10nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100℃，退火时间为1.5小时；在阴极缓冲层上喷涂PTB7:PC71BM有机溶液制备光活性层(50nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层MoO3(1nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Al(200nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为100cm2。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.69V，短路电流(JSC)＝2.43mA/cm2，填充因子(FF)＝0.30，光电转换效率(PCE)＝0.50％。
实施例4
对聚乙烯衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在聚乙烯衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(50nm)和MUA(3nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为2mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(15nm)，蒸镀Ag的真空度为5×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层ZnO(30nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150℃，退火时间为1小时；在阴极缓冲层上旋涂PBDTT-F-TT:PC71BM有机溶液制备光活性层(100nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为1cm2。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.80V，短路电流(JSC)＝12.14mA/cm2，填充因子(FF)＝0.58，光电转换效率(PCE)＝5.63％。
实施例5
对聚氨基甲酸酯衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在聚氨基甲酸酯衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(50nm)和MUA(3nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(15nm)，蒸镀Ag的真空度为5×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层ZnO(30nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150℃，退火时间为1小时；在阴极缓冲层上旋涂P3HT:PCBM有机溶液制备光活性层(150nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层MoO3(8nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为1cm2。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)＝5.13mA/cm2，填充因子(FF)＝0.59，光电转换效率(PCE)＝1.73％。
实施例6
对聚酰亚胺衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在聚酰亚胺衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(50nm)和MUA(3nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(15nm)，蒸镀Ag的真空度为5×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层ZnO(30nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150℃，退火时间为1小时；在阴极缓冲层上旋涂P3HT:PCBM有机溶液制备光活性层(150nm)；在光活性层表面喷涂阳极缓冲层PEDOT:PSS(80nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为5cm2。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)＝4.76mA/cm2，填充因子(FF)＝0.57，光电转换效率(PCE)＝1.55％。
实施例7
对氯醋树脂衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在氯醋树脂衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(100nm)和MUA(5nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(20nm)，蒸镀Ag的真空度为5×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层ZnO(100nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为200℃，退火时间为2小时；在阴极缓冲层上印刷P3HT:PCBM有机溶液制备光活性层(300nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层PEDOT:PSS(80nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Cu(300nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为10cm2。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.58V，短路电流(JSC)＝4.84mA/cm2，填充因子(FF)＝0.46，光电转换效率(PCE)＝1.29％。
实施例8
对聚丙烯酸衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；在聚丙烯酸衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO(100nm)和MUA(5nm)(旋涂法制备MUA的具体过程为：将MUA溶解在甲醇溶剂中，浓度为1mmol/L，制备在ZnO上，在MUA上旋涂甲醇溶剂)，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag(20nm)，蒸镀Ag的真空度为5×10-7Torr，蒸镀速率为从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层ZnO(100nm)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为200℃，退火时间为2小时；在阴极缓冲层上印刷P3HT:PCBM有机溶液制备光活性层(300nm)；在光活性层表面蒸镀阳极缓冲层PEDOT:PSS(80nm)；在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)，有机薄膜太阳能电池的面积为20cm2。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)＝0.51V，短路电流(JSC)＝3.12mA/cm2，填充因子(FF)＝0.39，光电转换效率(PCE)＝0.62％。
表1：基于不同衬底和光活性层的大面积器件性能参数表

Claims (10)

1.一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：从下到上包括衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层、金属阳极，所述透明导电阴极为ZnO/MUA/Ag复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电阴极中ZnO的厚度为10～100nm，MUA的厚度为1～5nm，Ag的厚度为1～20nm。
3.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阴极缓冲层材料为TiO2或ZnO，厚度为10～100nm。
4.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光活性层为P3HT:PCBM、PTB7:PC71BM或者PBDTT-F-TT:PC71BM，厚度为50～300nm。
5.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO3，厚度为1～80nm。
6.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu，厚度为100～300nm。
7.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，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包括聚乙烯、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。
8.根据权利要求1所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池，其特征在于：所述有机薄膜太阳能电池的面积为1～100cm2。
9.一种大面积有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：对衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤二：在衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO和MUA，在MUA上通过真空热蒸镀法制备Ag，从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；
步骤三：在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100～200℃，退火时间为1～2小时；
步骤四：在阴极缓冲层上旋涂、印刷或喷涂有机溶液制备光活性层；
步骤五：在光活性层表面蒸镀，旋涂或喷涂阳极缓冲层；
步骤六：在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极；
其中蒸镀Ag的真空度优于1×10-6Torr，蒸镀速率为
10.根据权利要求9所述的一种大面积有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，旋涂法制备MUA的具体过程为：
步骤一：将MUA溶解在甲醇溶剂中，MUA浓度为1～2mmol/L，制备在ZnO上；
步骤二：在MUA上旋涂甲醇溶剂。
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