CN106654018A - 一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法，属于有机半导体薄膜太阳能电池领域，解决光活性层光电转换效率的问题。该太阳能电池包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层、阴极修饰层、光活性层、阳极缓冲层、透明导电阳极层和衬底层，光活性层为凸台盲孔结构。通过单晶硅盲孔模板压制电子给体层，形成带有圆柱形凸台的电子给体层，然后在电子给体层上喷涂电子受体材料，形成带有圆柱盲孔的电子受体层，最终形成凸台盲孔光活性层。本发明提出的凸台盲孔光活性层，一方面增加了材料的接触面层，能够产生更多的载流子，另一方面能减少载流子在迁徙中的湮灭，最终提高了太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池领域，特别涉及一种有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
自从太阳能电池商业应用以来，以无机半导体为主要材料制成的太阳能电池，单晶硅、多晶硅和非晶硅系列应用最为广泛。经过最近几年的发展，硅基太阳能电池相关的技术已有了长足的进步，但提纯硅的方法依然是氧化还原法，这种氧化还原过程必然导致晶体硅太阳能电池制造能耗大、污染高、工艺复杂且生产设备昂贵。与此相比有机半导体太阳能电池由于其制作成本低廉、工艺简单、轻便便携、可以弯曲等特点，引起越来越多的关注。有机太阳能电池的实现主要通过于有机半导体材料中的空穴和电子的迁移实现光电转换功能，但是，目前的薄膜有机太阳能电池吸收太阳能的光电转化率低，结构不够合理，不能大规模生产，因此，导致有机薄膜太阳能利用率成本比较高，制约着有机薄膜太阳能行业的发展。
2014年，IBM研究院发明了一款微观（microscopic）3D打印机，可以在柔软的聚合物雕刻上纳米级分辨率图案，随后扩展在硅，III-V(砷化镓)，或是石墨烯基板等材料进行雕刻。它可以像纳米级分辨率的铣床一样运作，在有机化合物上雕刻出纳米级的沟槽。
目前有机薄膜太阳能中常见的两种光活性层的结构形式为：平面异质结构和体相异质结构。平面异质结接触面积很有限，光电转化效率低，而体相异质结构，虽然接触面积得到很大提高，但是，电子和空穴在运动过程中大量湮灭，光电转化效率也较低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种有机薄膜太阳能电池，通过优化光活性层的结构，能够加大P型材料和N型材料的接触面积，激发更多的空穴和电子；同时这样的结构可以降低电子和空穴运动过程中的湮灭，具有光电转化效率高的特点。
一种有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层1、阴极修饰层2、光活性层3、阳极缓冲层4、透明导电阳极层5和衬底层6；
所述的光活性层3包括电子受体7、盲孔8、凸台9和电子给体10；
所述的盲孔8为圆柱形，凸台9为圆柱形；
所述的盲孔8与凸台9轴线重合；
所述金属阴极层1的厚度为1-5μm；
所述阴极修饰层2的厚度为1-5nm；
所述光活性层3的厚度为130-180nm；
所述阳极缓冲层4的厚度为120-250nm；
所述衬底层6和透明导电阳极层5的厚度为0.3-2.0mm；
所述光活性层3中电子受体为材料为富勒烯衍生物，电子受体7厚度为110-130nm；最为优选的厚度为120nm。
所述光活性层3中盲孔8的直径为40-60nm，盲孔深度为100nm。
所述光活性层3中电子给体材料为3-己基噻吩的聚合物，电子给体材料基座10厚度为20-50nm，最为优选的厚度为30nm。
所述光活性层3中凸台9的直径为40-60nm，凸台高度为100nm。
所述金属阴极层1为厚度为2μm 的镀铝层，所述阴极修饰层2为2nm 的氟化锂，所述光活性层3为包括3-己基噻吩和料富勒烯衍生物的凸台盲孔结构，厚度为150 nm，所述凸台8的直径为50nm，凸台高度为100nm, 所述盲孔7的直径为50nm，孔深为100nm，所述阳极缓冲层4为200nm 的3，4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物: 聚苯乙烯磺酸盐，所述衬底层6和透明导电阳极层5的总厚度为0.7mm。
铝的元素符号为Al，3-己基噻吩的聚合物符号为P3HT，氟化锂符号为LiF，富勒烯衍生物符号为PC60BM, 4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物符号为PEDOT，聚苯乙烯磺酸盐符号为PSS，导电氧化铟锡薄膜符号为ITO。
本发明所提供的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤:
衬底层6和透明导电阳极层5的处理:
衬底层6材料选用ITO导电玻璃(珠海凯为电子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透过率85% ，厚度为0.3-2.0mm)，将其蚀刻电极图案后，先清洗干净，然后依次用去离子水、无水乙醇、丙酮和异丙醇各超声清洗l0min,氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
阳极缓冲层4的制备:
在ITO表面旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，厚度为120-250nm。在150℃下，退火l0min。
光活性层3的制备:
（1）用微观3D打印机在单晶硅板（宁波保税区捷迅国际贸易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直径为40-60nm，深度为100nm的盲孔11，盲孔横向间距为80-120nm，纵向间距为80-120nm,盲孔底端开直径为30nm的通气孔12，得到盲孔模板13。
（2）称取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在阳极缓冲层4表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，P3HT层厚度为120-150nm，在160℃下，热处理10min，得到固化的P3HT层。
（3）用（1）中得到的单晶硅盲孔模板13在P3HT层上挤压，施力大小5N, 在50℃下，热处理2min，移除单晶硅盲孔模板13，得到带有圆柱凸台的P3HT层。
(4)称取12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0. 5h，在70℃条件下磁力搅拌4h。在(3)中得到的带有圆柱凸台的P3HT层上喷涂PC60BM，控制厚度为110-130nm，得到电子受体7和盲孔8。在160℃下处理10min，得到光活性层3。
阴极修饰层2的制备:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性层表面真空蒸镀厚度为1-5nm的LiF薄膜，形成阴极修饰层。
金属阴极1的制备:
在1X10-4Pa真空度下，在阴极修饰层表面真空蒸镀厚度为1-5μm的Al膜，形成金属阴极层。
与现有技术相比，本发明的优点在于:
本发明提供的一种有机薄膜太阳能电池，通过构建一个凸台盲孔形式的光活性层，能够有效的增加两种材料的接触面积，而且还能够减少空穴和电子迁移过程中猝灭数量，有效提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2电子受体结构示意图。
图3电子给体结构示意图。
图4为单晶硅盲孔模板结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例详述本发明。
如图1所示：一种有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层1、阴极修饰层2、光活性层3、阳极缓冲层4、透明导电阳极层5和衬底层6；
所述的光活性层3包括电子受体7、电子给体10；
所述的光活性层3，制备完成时，凸台9与盲孔8轴线重合。
一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)对由衬底及透明导电阳极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
(2)在透明导电阳极ITO表面旋转涂覆阳极缓冲层PEDOT:PSS溶液，并进行烘烤；
(3)用微观3D打印技术制造单晶硅盲孔模板；
(4)在阳极缓冲层上采用旋涂方式制备P3HT层；
(5)用盲孔模板在P3HT层上挤压出均匀分布的圆柱凸台；
(6)在P3HT层上采用喷涂的方式制备PC60BM层，并进行烘烤，从而制成光活性层；
(7)在光活性层表面蒸发、旋转涂覆或喷涂极性溶剂缓冲层；
(8)在极性溶剂缓冲层上蒸镀LiF溶液，并将所形成的薄膜进行烘烤；
(9)在阴极缓冲层上蒸镀金属阴极。
实施例1
衬底层6和透明导电阳极层5的处理:
衬底6材料选用ITO导电玻璃(珠海凯为电子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透过率85%，厚度为0.3mm)，将其蚀刻电极图案后，先清洗干净，然后依次用去离子水、无水乙醇、丙酮和异丙醇各超声清洗l0min,氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
阳极缓冲层4:
在ITO表面旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，厚度为120nm。在150℃下，退火l0min。
光活性层3的制备:
（1）用微观3D打印机在单晶硅板（宁波保税区捷迅国际贸易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直径为40 nm，深度为100 nm的盲孔11，盲孔横向间距为80nm，纵向间距为80nm, 盲孔底端开直径为30nm的通气孔12，得到盲孔模板13。
（2）称取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在阳极缓冲层4表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，P3HT层厚度为120nm。
（3）用（1）中得到的单晶硅盲孔模板13在P3HT层上挤压，施力大小5N, 在50℃下，热处理2min，移除单晶硅盲孔模板13，得到带有圆柱凸台的P3HT层。
(4)称取12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0. 5h，在70℃条件下磁力搅拌4h。在(3)中得到的带有圆柱凸台的P3HT层上喷涂PC60BM，控制厚度为110nm，得到电子受体7和盲孔8。在160℃下处理10min，得到厚度为130nm的光活性层。
阴极修饰层2的制备:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性层表面真空蒸镀厚度为1nm的LiF薄膜，形成阴极修饰层。
金属阴极1的制备:
在1X10-4Pa真空度下，在阴极修饰层表面真空蒸镀厚度为1μm的Al膜，形成金属阴极层。
实施例2
衬底层6和透明导电阳极层5的处理:
衬底层材料选用ITO导电玻璃(珠海凯为电子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透过率85% ，厚度为2.0mm)，将其蚀刻电极图案后，先清洗干净，然后依次用去离子水、无水乙醇、丙酮和异丙醇各超声清洗l0min,氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
阳极缓冲层4的制备:
在ITO表面旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，厚度为250nm。在150℃下，退火lOmin。
光活性层3的制备:
（1）用微观3D打印机在单晶硅板（宁波保税区捷迅国际贸易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直径为60nm，深度为100 nm的盲孔11，盲孔横向间距为120nm，纵向间距为120nm, 盲孔底端开直径为30nm的通气孔12，得到盲孔模板13。
（2）称取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在阳极缓冲层4表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，P3HT层厚度为150nm。
（3）用（1）中得到的单晶硅盲孔模板13在P3HT层上挤压，施力大小5N, 在50℃下，热处理2min，移除单晶硅盲孔模板13，得到带有圆柱凸台的P3HT层。
(4)称取12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0. 5h，在70℃条件下磁力搅拌4h。在(3)中得到的带有圆柱凸台的P3HT层上喷涂PC60BM，控制厚度为130nm，得到电子受体7和盲孔8。在160℃下处理10min，得到厚度为180nm的光活性层。
阴极修饰层2的制备:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性层表面真空蒸镀厚度为5nm的LiF薄膜形成阴极修饰层。
金属阴极1的制备:
在1X10-4Pa真空度下，在阴极修饰层表面真空蒸镀厚度为5μm的Al膜形成金属阴极。
实施例3
衬底层6和透明导电阳极层5的处理:
衬底层材料选用ITO导电玻璃(珠海凯为电子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透过率85%，厚度为0.7mm)，将其蚀刻电极图案后，先清洗干净，然后依次用去离子水、无水乙醇、丙酮和异丙醇各超声清洗l0min,氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
阳极缓冲层4的制备:
在ITO表面旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，厚度为235nm。在150℃下，退火l0min。
光活性层3的制备:
（1）用微观3D打印机在单晶硅板（宁波保税区捷迅国际贸易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直径为50 nm，深度为100 nm的盲孔11，盲孔横向间距为100nm，纵向间距为100nm, 盲孔底端开直径为30nm的通气孔12，得到盲孔模板13。
（2）称取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在阳极缓冲层4表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，P3HT层厚度为120nm。
（3）用（1）中得到的单晶硅盲孔模板13在P3HT层上挤压，施力大小5N, 在50℃下，热处理2min，移除单晶硅盲孔模板13，得到带有圆柱凸台的P3HT层。
(4)称取12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0. 5h，在70℃条件下磁力搅拌4h。在(3)中得到的带有圆柱凸台的P3HT层上喷涂PC60BM，控制厚度为120nm，得到电子受体7和盲孔8。在160℃下处理10min，得到厚度为150nm的光活性层。
阴极修饰层2的制备:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性层表面真空蒸镀厚度为3nm的LiF薄膜，形成阴极修饰层。
金属阴极1的制备:
在1X10-4Pa真空度下，在阴极修饰层表面真空蒸镀厚度为3μm的Al膜，形成金属阴极层。
以上所述仅为本发明的具有代表性的实施例，不以任何方式限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层（1）、阴极修饰层（2）、光活性层（3）、阳极缓冲层（4）、透明导电阳极层（5）和衬底层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光活性层包括电子受体（7）和电子给体（10）。
3.根据权利要求2所述的光活性层，其特征在于，所述光活性层电子给体材料为P3HT，电子给体的基座厚度为20-50nm，最为优选的厚度为30nm。
4.根据权利要求2所述的光活性层，其特征在于，所述凸台（9）直径为40-60nm，最为优选的直径为50nm，高度为100nm。
5.根据权利要求2所述的光活性层，其特征在于，所述的光活性层（3）中电子受体材料为PC60BM，电子受体（7）厚度为110-130nm，最为优选的厚度为120nm。
6.根据权利要求2所述的光活性层，其特征在于，所述的光活性层（3）中电子受体（7）上盲孔（8）直径为40-60nm，最为优选的直径为50nm，孔深为100nm。
7.根据权利要求1所述的一种有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属阴极层（1）为厚度为2μm的镀铝层，所述阴极修饰层（2）为2nm 的LiF，所述光活性层（3）为包括电子给体材料P3HT和电子受体材料PC60BM，厚度为150nm 的P3HT：PC60BM，所述阳极缓冲层（4）为200nm 的PEDOT:PSS，所述衬底（6）和透明导电阳极层（5）的总厚度为0.7mm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）衬底层和透明导电阳极层的处理:
衬底6材料选用ITO导电玻璃(珠海凯为电子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透过率85% ，厚度为0.3-2.0mm)，将其蚀刻电极图案后，先清洗干净，然后依次用去离子水、无水乙醇、丙酮和异丙醇各超声清洗l0min,氮气吹干，紫外/臭氧处理20min。
2）阳极缓冲层的制备:
在ITO表面旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层，匀胶机转速3000rpm，旋涂30s，厚度为120-250nm。在150℃下，退火l0min。
3）光活性层的制备:
用微观3D打印机在单晶硅板（宁波保税区捷迅国际贸易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直径为40-60nm，深度为100nm的盲孔（11），盲孔横向间距为80-120nm，纵向间距为80-120nm,盲孔底端开直径为30nm的通气孔（12），得到盲孔模板（13）。
称取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0.5h，在70℃条件下磁力搅拌4h，然后混合液用匀胶机在阳极缓冲层（4）表面旋涂成膜。匀胶机转速1000rpm，旋涂40s，P3HT层厚度为120-150nm。
用中得到的单晶硅盲孔模板（13）在P3HT层上挤压，施力大小5N, 在50℃下，热处理2min，移除单晶硅盲孔模板（13），得到带有圆柱凸台的P3HT层。
称取12mg PC60BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超声处理0. 5h，在70℃条件下磁力搅拌4h。在中得到的带有圆柱凸台的P3HT层上喷涂PC60BM，控制厚度为110-130nm，得到电子受体（7）和盲孔（8），在160℃下处理10min，得到光活性层。
4）阴极修饰层的制备:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性层表面真空蒸镀厚度为1-5nm的LiF薄膜，形成阴极修饰层。
5）金属阴极的制备:
在1X10-4Pa真空度下，在阴极修饰层表面真空蒸镀厚度为1-5μm的Al膜，形成金属阴极层。
9.根据权利要求6中所述的一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，3）光活性层的制备中得到带有圆柱凸台的电子给体（10）上的凸台（9）是用单晶硅盲孔模板（13）压制而成。
10.根据权利要求6中所述的一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，3）光活性层的制备中得到电子受体（7）上的盲孔（8）是在固化的P3HT层喷涂材料形成的，盲孔（8）与凸台（9）轴线重合。
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