CN106299134A - 一种图案化的组合太阳能电池及其彩色太阳能电池模块 - Google Patents

一种图案化的组合太阳能电池及其彩色太阳能电池模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种图案化的组合太阳能电池及其彩色太阳能电池模块。所述组合太阳能电池由多个彩色太阳能电池模块串联而成，包括第一彩色太阳能电池模块、第二彩色太阳能电池模块、……、以及第N彩色太阳能电池模块，N≥3；所述彩色太阳能电池模块依次包括阴极层、光活性层以及阳极层，所述阳极层的厚度为5nm～500nm，所述阳极层由层数为1层～100层的PEDOT:PSS薄膜组成；在所述第一彩色太阳能电池模块至第N彩色太阳能电池模块中，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或层数不同。本发明通过以PEDOT:PSS薄膜作为阳极层，使太阳能电池模块呈现不同的颜色，从而获得丰富多彩的图案化的组合太阳能电池。

Description

一种图案化的组合太阳能电池及其彩色太阳能电池模块
技术领域
本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种图案化的组合太阳能电池及其彩色太阳能电池模块。
背景技术
近年来，为解决能源危机和环境问题，新能源的开发和利用成为当前研究的热点。在各种绿色清洁能源技术中，可实现光电转换效应的光伏技术无疑是最具有前景的方向之一。太阳能电池在实现它的基础发电功能的同时，也被人们应用到各个新的领域。其中，彩色太阳能电池不仅能适应美观的需要，还提高了人们的购买意愿，增加了产品的市场竞争力，从而在光伏建筑一体化、可穿戴设备、彩色的玻璃和墙面以及衣物方面有更大的应用潜力。
由于对环境以及视觉上的美观需求，图案化的彩色太阳能电池应运而生。然而，现有技术的图案化彩色太阳能电池需要通过镀膜，形成不同颜色的彩色图案，色彩调制膜本身会影响太阳能电池的光伏性能，从而导致图案化的太阳能电池效率偏低；或者通过激光刻蚀或丝网印刷形成图案，这不仅需要较为精密的设备，对技术要求高，同时形成的图案往往只有双色图案，颜色较为单一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种图案化的组合太阳能电池及其彩色太阳能电池模块，该彩色太阳能电池模块以PEDOT:PSS薄膜作为阳极层，结合使用不同的阳极界面层，使太阳能电池呈现不同的颜色，从而解决图案化的组合太阳能电池颜色单一的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种图案化的组合太阳能电池，所述组合太阳能电池由多个彩色太阳能电池模块串联而成，所述多个彩色太阳能电池模块包括颜色各不相同的第一彩色太阳能电池模块、第二彩色太阳能电池模块、……、以及第N彩色太阳能电池模块，N≥3；所述每个彩色太阳能电池模块包括从底层至顶层依次设置的阴极层、光活性层以及阳极层，所述阳极层的厚度为5nm～500nm，所述阳极层由层数为1层～100层的PEDOT:PSS薄膜组成；在所述第一彩色太阳能电池模块至第N彩色太阳能电池模块中，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或层数不同。
优选地，所述阳极层的厚度为30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的层数为1层～4层。
优选地，所述阴极层与光活性层之间，和/或所述阳极层与光活性层之间，还包括界面层，所述界面层用于实现阴极层与光活性层之间的电子传输，或者实现阳极层与光活性层之间的空穴传输。
作为进一步优选地，所述界面层为阳极界面层，所述界面层位于所述阳极层与光活性层之间，用于实现阳极层与光活性层之间的空穴传输。
作为更进一步优选地，在所述第一彩色太阳能电池模块至第N彩色太阳能电池模块中，所述阳极界面层的材料相同，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或层数依次递增。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于上述图案化的组合太阳能电池的彩色太阳能电池模块，所述彩色太阳能电池模块包括从底层至顶层依次设置的阴极层、光活性层以及阳极层，所述阳极层的厚度为5nm～500nm，所述阳极层由层数为1层～100层的PEDOT:PSS薄膜组成。
优选地，所述阳极层的厚度为30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的层数为1层～4层。
优选地，所述阳极层的电导率为500S/cm～4000S/cm。
作为进一步优选地，所述阳极层的电导率为500S/cm～1000S/cm。
优选地，所述阴极层的厚度为5nm～1μm，所述阴极层的材料为纳米铟锡、氟掺杂锡氧化物、银或钛。
优选地，所述彩色太阳能电池模块还包括界面层，所述界面层设置于所述阴极层与光活性层之间，和/或所述阳极层与光活性层之间。
作为进一步优选地，所述界面层为阴极界面层，所述界面层位于所述阴极层与光活性层之间，用于实现阴极层与光活性层之间的电子传输。
作为进一步优选地，所述界面层为阳极界面层，所述界面层位于所述阳极层与光活性层之间，用于实现阳极层与光活性层之间的空穴传输。
作为进一步优选地，所述界面层的厚度为5nm～200nm，材料为金属氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有机半导体。
作为更进一步优选地，所述界面层的厚度为5nm～50nm，材料为金属氧化物。
优选地，所述光活性层为有机半导体吸光层或无机半导体吸光层。
作为进一步优选地，所述彩色太阳能电池模块为聚合物太阳能电池，所述有机半导体吸光层的厚度为50nm～500nm，其材料为有机共轭聚合物或小分子。
作为进一步优选地，所述彩色太阳能电池模块为钙钛矿太阳能电池，所述无机半导体吸光层的厚度为200nm～500nm，其材料为钙钛矿。
总体而言，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过以PEDOT:PSS薄膜作为阳极层，结合使用不同的阳极界面层，使太阳能电池模块呈现不同的颜色，从而获得了颜色更为丰富的图案化的组合太阳能电池；经验证，改变PEDOT:PSS薄膜的层数和厚度，或与不同的阳极界面层以及光活性层配合；可制备获得紫红色、粉红色、土黄色、蓝绿色等多种颜色的太阳能电池，获得覆盖整个可见光范围内的彩色化太阳能电池，从而获得丰富多彩的图案化的组合太阳能电池；
2、由于不通过镀膜而形成彩色图案，从而提高了图案化的组合太阳能电池的效率；经验证本申请所用彩色太阳能电池模块的效率比现有技术的其它彩色太阳能电池提高了13％以上；
3、PEDOT:PSS薄膜为柔性材料，使得现有技术的图案化的组合太阳能电池在可穿戴设备以及衣物方面具有更大的应用潜力；
4、由于PEDOT:PSS薄膜为透明材料，当彩色太阳能电池模块的阴极同时使用FTO等透明材料时，其两极兼具有光电效应，从而使得本发明的图案化的组合太阳能电池可灵活应用于室内和室外；
5、PEDOT:PSS薄膜的制备过程相对简单，厚度易于控制，从而简化了图案化的组合太阳能电池的整体制备工艺。
附图说明
图1是本发明彩色太阳能电池模块的结构示意图；
图2是本发明实施例15的图案化的组合太阳能电池的图案组成；
图3是本发明实施例1-4中彩色有机太阳能电池的反射光谱图；
图4是本发明实施例5-8中彩色钙钛矿太阳能电池的反射光谱图；
图5是本发明实施例9-11中彩色钙钛矿太阳能电池的反射光谱图；
图6是本发明实施例6和7中彩色钙钛矿太阳能电池的电流-电压图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明内容进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种彩色太阳能电池模块，所述彩色太阳能电池模块从底层至顶层依次包括阴极层、光活性层以及阳极层，所述阳极层的厚度为5nm～500nm，所述阳极层由1层～100层PEDOT:PSS薄膜组成，其电导率为500S/cm～4000S/cm；为保证界面层与电极之间接触以及PEDOT:PSS较高的透过率(平均透过率超过75％)，所述阳极层的厚度优选为30nm～192nm，所述阳极层的层数优选为1层～4层；
其中，所述阴极层的厚度为5nm～1μm，所述阴极层的材料为纳米铟锡、氟掺杂锡氧化物、银或钛；
在所述阴极层与光活性层之间，和/或所述阳极层与光活性层之间，还包括界面层，分别用于实现阴极层与光活性层之间的电子传输，以及阳极层与光活性层之间的空穴传输，同时与PEDOT:PSS薄膜配合，使彩色太阳能电池模块呈现不同的颜色，如图1所示；当界面层的材料为金属氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有机半导体时，其厚度为5nm～200nm；当界面层的材料为金属氧化物时，其厚度为5nm～50nm；
所述光活性层为有机半导体吸光层或无机半导体吸光层，当采用有机共轭聚合物或小分子作为光活性层时，该光活性层即为有机半导体吸光层，其厚度为50nm～500nm，该彩色太阳能电池模块为有机太阳能电池，有机太阳能电池具有质轻、柔性以及可采用溶液法实现大面积制备的优点；当采用钙钛矿作为光活性层时，该光活性层即为无机半导体吸光层，其厚度为200nm～500nm，该彩色太阳能电池模块为钙钛矿太阳能电池，无机钙钛矿太阳能电池效率具有低成本及光电转换效率高的优点。
在上述彩色太阳能电池模块的制备过程中，可在阳极界面层相同的情况下，通过调整PEDOT:PSS薄膜的厚度和/或层数，形成一种至多种不同颜色的彩色太阳能电池模块，例如，当采用Spiro-OMeTAD作为阳极界面层，PEDOT:PSS薄膜的厚度分别为75nm、95nm以及105nm时，可获得颜色分别为紫红色、天蓝色以及草绿色的彩色太阳能电池模块；这些颜色各不相同的彩色太阳能电池模块分别为第一彩色太阳能电池模块至第N彩色太阳能电池模块，N≥3；再将这些彩色太阳能电池模块切割为预定形状后，排列为图案并进行串联，既可获得图案化的组合太阳能电池，该组合太阳能电池包括至少3种不同的颜色的彩色太阳能电池模块形成的图案，从而具有更加丰富的颜色和图案。
为了进一步说明本发明，故下面列实施例1-实施例15进一步说明。
在本申请实施例1～实施例14中，PEDOT:PSS薄膜均以以下方法制备：
(1)在PH1000(聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐混合物水分散液)溶液中添加5％(质量比)乙二醇溶液和表面活性剂0.5％(质量比)PEG-TmDD(聚乙二醇2,5,8,11-四甲基-6-十二炔-5,8-二醇醚)作为电极溶液；
(2)在PDMS(聚二甲基硅氧烷)基底上旋涂上述溶液，通过控制转速调节PEDOT:PSS薄膜的厚度。
转速为400rpm，600rpm，800rpm，1000rpm，2000rpm，3000rpm，4000rpm，对应PEDOT:PSS薄膜厚度为250nm，160nm，105nm，95nm，75nm，45nm，30nm，PEDOT:PSS薄膜的电导率约为600S/cm。
实施例1彩色有机太阳能电池
彩色有机太阳能电池的器件结构为
glass/ITO/PEI/P3HT:ICBA/PEDOT:PSS，其中，ITO玻璃为衬底，PEI作为阴极，P3HT:ICBA作为光活性层，PEDOT:PSS作为阳极层；实施例1的具体制备方法如下：
(1)ITO玻璃(氧化铟锡导电玻璃)经去离子水、丙酮、异丙醇超声波清洗，再经Plasma清洗，在上述ITO玻璃上旋涂聚醚酰亚胺PEI(～10nm)作为阴极界面修饰层，然后将P3HT:ICBA(～200nm，P3HT为聚3-己基噻吩，ICBA为茚双加成C60衍生物)给受体材料共混的溶液旋涂到PEI层上(P3HT和ICBA质量比为1:1，溶液总浓度为40mg/mL，溶剂为邻二氯苯，转速为600rpm)作为光活性层，后置于热台上150℃加热5分钟。
(2)将实施例1中的高导电性的PEDOT:PSS薄膜通过层压转移方法转移到P3HT:ICBA层上，通过此方法得到48nm的PEDOT:PSS电极，该有机太阳能电池器件的颜色为红色。
实施例2
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，PEDOT:PSS电极的厚度为95nm，该有机太阳能电池器件的颜色为蓝绿色。
实施例3
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，PEDOT:PSS电极的厚度为105nm，该有机太阳能电池器件的颜色为绿色。
实施例4
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，PEDOT:PSS电极的厚度为160nm，该有机太阳能电池器件的颜色为黄色。
实施例5彩色钙钛矿太阳能电池I
彩色钙钛矿太阳能电池I的器件结构为glass/FTO/c-TiO2(40nm)/m-TiO2(200nm)/CH3NH3PbI3-xClx(280nm)/Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene)(160nm)/PEDOT:PSS，其中，FTO玻璃为衬底，c-TiO2作为阴极，m-TiO2作为阴极界面层，CH3NH3PbI3-xClx作为光活性层，Spiro-OMeTAD作为阳极界面层，PEDOT:PSS作为阳极层；实施例1的具体制备方法如下：
(1)FTO玻璃(氟掺杂氧化铟锡导电玻璃)经去离子水、丙酮、异丙醇超声波清洗，首先喷涂一层40nm的致密TiO2(c-TiO2)，然后旋涂一层200nm的介孔型TiO2(m-TiO2)，550℃加热30分钟，然后将CH3NH3PbI3-xClx(MAI、PbI2和PbCl2的摩尔比为 1.3:1.26:0.14，溶剂为GBL:DMSO混合溶液，体积比为7:3，转速为1000rpm，时间10s，转速4500rpm，时间20s，旋涂至25s时滴加甲苯溶液)钙钛矿溶液旋涂到m-TiO2层作为光活性层，100℃加热5分钟，将现配置的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD，溶剂为氯苯，浓度为80mg/mL，添加剂为28.8μL 4-叔丁基吡啶溶液和17.5μL双(三氟甲磺酰亚胺)锂)的乙腈溶液)溶液旋涂到钙钛矿层上作为阳极界面层。
(2)将高导电性的PEDOT:PSS薄膜通过层压转移方法转移到Spiro-OMeTAD层上，通过此方法得到厚度为75nm的PEDOT:PSS电极，该太阳能电池器件的颜色为紫红色。
实施例6
以所述的相同步骤重复实施例5，区别在于，PEDOT:PSS电极的厚度为95nm，该太阳能电池器件的颜色为天蓝色。
实施例7
以所述的相同步骤重复实施例5，区别在于，PEDOT:PSS电极的厚度为105nm，该太阳能电池器件的颜色为蓝绿色。
实施例8
以所述的相同步骤重复实施例5，区别在于，PEDOT:PSS电极层数为4层，每层的厚度为48nm，该太阳能电池器件的颜色为粉红色。
实施例9彩色钙钛矿太阳能电池II
彩色钙钛矿太阳能电池II的器件结构为glass/FTO/c-TiO2(40nm)/m-TiO2(200nm)/CH3NH3PbI3-xClx(280nm)/P3HT(30nm)/PEDOT:PSS，其中glass/FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3-xClx和PEDOT:PSS电极同实施例3中的步骤制备，区别在于，采用聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)替代小分子Spiro-OMeTAD，通过此方法得到厚度为48nm的PEDOT:PSS电极，该太阳能电池器件的颜色为紫蓝色。
实施例10
以所述的相同步骤重复实施例9，区别在于，PEDOT:PSS电极的层数为2层，每层厚度为40nm，该太阳能电池器件的颜色为深蓝色。
实施例11
以所述的相同步骤重复实施例9，区别在于，PEDOT:PSS电极的厚度为95nm，该太阳能电池器件的颜色为天蓝色。
为了简化描述，故将实施例12～实施例14列表如下，表中未列的参数均与实施例5相同。
表1实施例12～实施例14的相关参数
实施例12 实施例13 实施例14
阳极的总厚度 5nm 30nm 500nm
阳极的层数 1 1 100
阳极界面层 Spiro-OMeTAD Spiro-OMeTAD Spiro-OMeTAD
阳极界面层的厚度 5nm 100nm 200nm
光活性层 CH3NH3PbI3-xClx CH3NH3PbI3-xClx CH3NH3PbI3-xClx
阴极层的厚度 5nm 100nm 1μm
颜色 淡红色 土黄色 蓝色
实施例15
将实施例5～实施例8制备的太阳能电池器件切割为相同的形状和大小的不同颜色的子模块，并按照预定设计排列为图案，然后利用丝印银栅线将所有子模块进行串联，其形成的图案示意图如图2所示，该图案包括紫红色、天蓝色、蓝绿色和粉红色四种颜色。
实验结果分析
图3～图5为实施例1～实施例11的反射光谱图，从图中可以看出，器件反射峰与颜色是一致的，例如实施例1的反射峰位于634nm，对应红色；实施例2的反射峰位于505nm，对应蓝绿色，实施例5的反射峰位于699nm和466nm，对应为紫红色，实施例6的反射峰位于504nm，对应为天蓝色，实施例7的反射峰位于548nm，对应为蓝绿色，实施例8对应的反射峰位于677nm，对应为粉红色，实施例10的反射峰位于408nm，对应为深蓝色，实施例9的反射峰位于401nm，对应为紫蓝色，实施例11的反射峰位于474nm，对应为天蓝色。
彩色太阳能电池器件的光伏性能是在100mW/m2的AM 1.5模拟太阳光照射下测量得到。实施例6～实施例7的光伏性能参数如表2所示，从FTO端光照射的器件电流-电压曲线如图6所示。
表2彩色太阳能电池的光伏性能参数
从表2中可以看出，从FTO端照射，基于PEDOT:PSS彩色器件的光电转换效率超过了15％，相比于现有的彩色钙钛矿电池，其性能得到提高；另一方面，由于PEDOT:PSS为半透明电极，从PEDOT:PSS端照射，相应器件的光电转换效率可以超过13％。这种彩色太阳能电池由于阳极和阴极都为透明材料，而两端兼具有光电效应可灵活应用于室内和室外。
总体而言，本发明提供的采用PEDOT:PSS薄膜作为彩色太阳能电池的电极的技术方案不仅工艺简单、可控性好，同时展现了优异的光电转换效率，有望在彩色光电器件中得到广泛的应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图案化的组合太阳能电池，其特征在于，所述组合太阳能电池由多个彩色太阳能电池模块串联而成，所述多个彩色太阳能电池模块包括颜色各不相同的第一彩色太阳能电池模块、第二彩色太阳能电池模块、……、以及第N彩色太阳能电池模块，N≥3；所述每个彩色太阳能电池模块包括依次设置的阴极层、光活性层以及阳极层，所述阳极层的厚度为5nm～500nm，所述阳极层由层数为1层～100层的PEDOT:PSS薄膜组成；在所述第一彩色太阳能电池模块至第N彩色太阳能电池模块中，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或层数不同。
2.如权利要求1所述的组合太阳能电池，其特征在于，所述阳极层的厚度为30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的层数为1层～4层。
3.如权利要求1所述的组合太阳能电池，其特征在于，所述阳极层与光活性层之间，还包括阳极界面层，所述阳极界面层用于实现阳极层与光活性层之间的空穴传输。
4.如权利要求3所述的组合太阳能电池，其特征在于，在所述第一彩色太阳能电池模块至第N彩色太阳能电池模块中，所述阳极界面层的材料相同，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或层数依次递增。
5.一种用于如权利要求1-4中任意一项所述组合太阳能电池的彩色太阳能电池模块，其特征在于，所述彩色太阳能电池模块包括依次设置的阴极层、光活性层以及阳极层，所述阳极层的厚度为5nm～500nm，所述阳极层由层数为1层～100层的PEDOT:PSS薄膜组成。
6.如权利要求5所述的彩色太阳能电池模块，其特征在于，所述阳极层的厚度为30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的层数为1层～4层。
7.如权利要求5所述的彩色太阳能电池模块，其特征在于，所述光活性层为有机半导体吸光层或无机半导体吸光层。
8.如权利要求5所述的彩色太阳能电池模块，其特征在于，所述阴极层的厚度为5nm～1μm，所述阴极层的材料为纳米铟锡、氟掺杂锡氧化物、银或钛。
9.如权利要求5所述的彩色太阳能电池模块，其特征在于，所述彩色太阳能电池模块还包括界面层，所述界面层设置于所述阴极层与光活性层之间，和/或所述阳极层与光活性层之间，所述界面层用于实现阴极层与光活性层之间的电子传输，或者实现阳极层与光活性层之间的空穴传输。
10.如权利要求9所述的彩色太阳能电池模块，其特征在于，所述界面层的厚度为5nm～200nm，所述界面层的材料为金属氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有机半导体。
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