CN106654019A - 基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其能解决现有聚合物太阳能电池存在的由于光谱利用不充足而光电转化效率低的问题。为此，本发明还提供了制备方法。基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其为多层层状结构，其特征在于：其依次包括层状复合的透明基板、透明电极、有源层、氟化锂层、金属电极，所述透明电极包括依次层叠复合的三氧化钨、金、三氧化钨而成的复合薄膜，其中与所述有源层复合的三氧化钨作为空穴传输层、金作为阳极，所述有源层为以二氯苯为有机溶剂的PCDTBT与PCBM的共混物，所述金属电极为铝。

Description

基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物太阳能电池领域，具体为基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池及其制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池因为其具有的低成本、易于加工、可大面积制作等特点，近年来受到广泛关注。传统的聚合物太阳能电池的结构包括透明电极、金属电极以及夹装于透明电极与金属电极之间的半导体聚合物材料，其中一侧的透明电极使得光最大可能地透过并被聚合物材料吸收，另外一侧为金属电极则通过光的反射提高聚合物材料对光的二次吸收。但是由于半导体聚合物材料存在禁带宽度，这就导致吸收光谱难以覆盖整个可见光波段，使得由于光谱利用不充足导致光电转化效率低始终是电池性能的短板。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其能解决现有聚合物太阳能电池存在的由于光谱利用不充足而光电转化效率低的问题。为此，本发明还提供了制备方法。
基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其为多层层状结构，其特征在于：其依次包括层状复合的透明基板、透明电极、有源层、氟化锂层、金属电极，所述透明电极包括依次层叠复合的三氧化钨（WO3）、金（Au）、三氧化钨（WO3）而成的复合薄膜，其中与所述有源层复合的三氧化钨作为空穴传输层、金（Au）作为阳极，所述有源层为以二氯苯为有机溶剂的PCDTBT与PCBM的共混物，所述金属电极为铝。
进一步的，所述有源层的厚度为60nm～80nm。
优选的，所述有源层的厚度为70nm。
进一步的，所述透明电极中的金（Au）的厚度为10-15nm，与所述透明基板接触复合的三氧化钨的厚度为20-40nm，与所述有源层接触复合的三氧化钨的厚度为10-20nm。
进一步的，所述氟化锂层的厚度为0.5-1nm。
进一步的，所述金属电极铝的厚度为80-100nm。
进一步的，所述透明基板为透明导电玻璃。
基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：其依次包括以下步骤，
步骤1，清洗并干燥透明导电玻璃：依次用丙酮、乙醇、去离子水擦拭玻璃片，然后对透明导电玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中；
步骤2，在经步骤1清洗干燥后的透明导电玻璃表面采用蒸发法制备透明电极：在 6-8×10-4 pa气压下，以0.1-0.5 nm/s的速率依次在蒸发20-40 nmWO3，10-15 nm Au和10-20nm WO3薄膜；
步骤3，制备PCDTBT与PCBM混合溶液；
步骤4，在经步骤2制备好的透明电极的表面以1000-1200rpm的转速旋涂步骤2制备好的PCDTBT与PCBM混合溶液形成有源层厚度为60nm～80nm或者厚度为120nm～140nm的器件样品，再将器件样品放入真空烘箱中，100℃下退火30min。
步骤5，将器件样品取出，在样品器件的所述有源层的表面通过热蒸发的方法生长一层厚度为0.5-1nm氟化锂材料；再在氟化锂材料表面生长一层厚度为80-100nm 的金属铝材料。
进一步的，所述步骤3中PCDTBT与PCBM混合溶液的制备过程，在室温下，将PCDTBT在100～500rpm搅拌速度下边搅拌边溶于有机溶剂二氯苯中并持续搅拌12-24小时，配成15-20毫克/毫升的溶液，再向溶液中加入PCBM并在1500-2000 rpm的搅拌速度下持续搅拌36-72小时配制成质量比为1：4的PCDTBT:PCBM混合溶液。
本发明的有益效果在于：其以依次层叠复合的三氧化钨、金、三氧化钨而成的复合薄膜作为透明电极替代传统的ITO（氧化铟锡），并且以其中的金层作为阳极，从而作为阳极的金层与作为阴级的铝层之间能够实现多次反射，既而能有效增强有源层即对光的吸收，进而提高太阳能电池的能量转化效率；另外，其以与有源层复合的三氧化钨作为空穴传输层，而三氧化钨作为一种有机P型半导体材料，可以有效地传导激子分离后的空穴，从而进一步能提高电池的转化效率；同时由于三氧化钨薄膜非常均匀致密，与透明导电玻璃表面接触良好，可以有效减小太阳能电池的串联电阻，从而提高太阳能电池的容量并提升其充放电性能。
附图说明
图1为本发明基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的结构示意图；
图2为有源层厚度为70nm的ITO单反射镜的太阳能电池与本发明的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池分别在100mw/cm2的氙灯光照下测得了V-I特性曲线图；
图3为有源层厚度为130nm的的ITO单反射镜的太阳能电池与本发明的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池分别在100mw/cm2的氙灯光照下测得了V-I特性曲线图；
图4是有源层厚度为70nm的ITO单反射镜的太阳能电池与本发明的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电转化效率光谱；
图5为有源层厚度为130nm的ITO单反射镜的太阳能电池与本发明的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电转化效率光谱。
附图标记：10-透明基板；20-透明电极；21-三氧化钨；22-金；23-三氧化钨；30-有源层；40-氟化锂层；50-金属电极。
具体实施方式
见图1，本发明基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其为多层层状结构，其依次包括层状复合的透明基板10、透明电极20、有源层30、氟化锂层40、金属电极50，其中透明电极20包括依次层叠复合的三氧化钨21、金22、三氧化钨23而成的复合薄膜，其中与有源层复合的三氧化钨23作为空穴传输层、金22作为阳极，活动材料层30为以二氯苯为有机溶剂的PCDTBT与PCBM的共混物，金属电极50为铝，透明基板10为透明导电玻璃。
实施例一：
上述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池中，透明电极20中的金22厚度为10nm，与透明基板10接触复合的三氧化钨21的厚度为30nm，与有源层30接触复合的三氧化钨的厚度为20nm；氟化锂层40的厚度为0.5nm；金属电极50铝的厚度为90nm；有源层30的厚度为60nm。
上述基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的制备方法，其依次包括以下步骤：
步骤1，清洗并干燥透明导电玻璃：依次用丙酮、乙醇、去离子水擦拭玻璃片，然后对透明导电玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中；
步骤2，在经步骤1清洗干燥后的透明导电玻璃表面采用蒸发法制备透明电极：在 6×10-4 pa气压下，以0.3 nm/s的速率依次在透明导电玻璃表面蒸发厚度为30 nm的三氧化钨21、厚度为10 nm 的金22以及厚度为20 nm 的三氧化钨23薄膜；
步骤3，制备PCDTBT与PCBM混合溶液，在室温下，将PCDTBT在100rpm搅拌速度下边搅拌边溶于有机溶剂二氯苯中并持续搅拌18小时，配成15毫克/毫升的溶液，再向溶液中加入PCBM并在2000 rpm的搅拌速度下持续搅拌54小时配制成质量比为1：4的PCDTBT:PCBM混合溶液；
步骤4，在经步骤2制备好的透明电极的表面以1500rpm的转速旋涂步骤2制备好的PCDTBT与PCBM混合溶液形成有源层30并制成有源层为60nm的器件样品，再将器件样品放入真空烘箱中，100℃下退火30min；
步骤5，将器件样品取出，在样品器件的所述有源层的表面通过热蒸发的方法生长一层厚度为0.5nm的氟化锂材料40；再在氟化锂材料40表面生长一层厚度为90nm 的金属铝材料。
实施例二：
上述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池中，透明电极20中的金22厚度为15nm，与透明基板10接触复合的三氧化钨21的厚度为20nm，与有源层30接触复合的三氧化钨23的厚度为10nm；氟化锂层40的厚度为1nm；金属电极50铝的厚度为100nm；有源层30的厚度为70nm。
上述基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的制备方法，其依次包括以下步骤：
步骤1，清洗并干燥透明导电玻璃：依次用丙酮、乙醇、去离子水擦拭玻璃片，然后对透明导电玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中；
步骤2，在经步骤1清洗干燥后的透明导电玻璃表面采用蒸发法制备透明电极：在 7×10-4 pa气压下，以0.1 nm/s的速率依次在透明导电玻璃表面蒸发厚度为20 nm的三氧化钨21、厚度为15nm 的金22以及厚度为10 nm 的三氧化钨23薄膜；
步骤3，制备PCDTBT与PCBM混合溶液，在室温下，将PCDTBT在300rpm搅拌速度下边搅拌边溶于有机溶剂二氯苯中并持续搅拌24小时，配成18毫克/毫升的溶液，再向溶液中加入PCBM并在1750 rpm的搅拌速度下持续搅拌36小时配制成质量比为1：4的PCDTBT:PCBM混合溶液；
步骤4，在经步骤2制备好的透明电极的表面以2000rpm的转速旋涂步骤2制备好的PCDTBT与PCBM混合溶液形成有源层30并制成有源层为70nm的器件样品，再将器件样品放入真空烘箱中，100℃下退火30min；
步骤5，将器件样品取出，在样品器件的所述有源层的表面通过热蒸发的方法生长一层厚度为1nm的氟化锂材料40；再在氟化锂材料40表面生长一层厚度为100nm 的金属铝材料。
实施例三：
上述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池中，透明电极20中的金22厚度为13nm，与透明基板10接触复合的三氧化钨21的厚度为40nm，与有源层30接触复合的三氧化钨23的厚度为15nm；氟化锂层40的厚度为0.75nm；金属电极50铝的厚度为80nm；有源层30的厚度为80nm。
上述基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的制备方法，其依次包括以下步骤：
步骤1，清洗并干燥透明导电玻璃：依次用丙酮、乙醇、去离子水擦拭玻璃片，然后对透明导电玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中；
步骤2，在经步骤1清洗干燥后的透明导电玻璃表面采用蒸发法制备透明电极：在 8×10-4 pa气压下，以0.5nm/s的速率依次在透明导电玻璃表面蒸发厚度为40 nm的三氧化钨21、厚度为13nm 的金22以及厚度为15 nm 的三氧化钨23薄膜；
步骤3，制备PCDTBT与PCBM混合溶液，在室温下，将PCDTBT在500rpm搅拌速度下边搅拌边溶于有机溶剂二氯苯中并持续搅拌12小时，配成20毫克/毫升的溶液，再向溶液中加入PCBM并在1500 rpm的搅拌速度下持续搅拌72小时配制成质量比为1：4的PCDTBT:PCBM混合溶液；
步骤4，在经步骤2制备好的透明电极的表面以1000rpm的转速旋涂步骤2制备好的PCDTBT与PCBM混合溶液形成有源层30并制成有源层为80nm的器件样品，再将器件样品放入真空烘箱中，100℃下退火30min；
步骤5，将器件样品取出，在样品器件的所述有源层的表面通过热蒸发的方法生长一层厚度为0.75nm的氟化锂材料40；再在氟化锂材料40表面生长一层厚度为80nm 的金属铝材料。
当本发明的太阳能电池中LiF为1nm和铝电极为100nm时，有源层为70nm和130nm的ITO-Free双反射镜结构器件和ITO单反射镜器件的短路电流、开路电压、填充因子和能量转换效率的比较详见下表：
将本发明中有源层为70nm的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池与有源层同为70nm的传统ITO单反射镜的太阳能电池分别在100mw/cm2的氙灯光照下测得V-I特性曲线（见图2）以及光电转化效率光谱（见图4），检测采用Keithley，SMU2601数字源表，图2中曲线a表示有源层为70nm时ITO单反射镜的太阳能电池的光电流曲线，曲线b表示有源层为70nm时ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电流曲线；从图2中我们可以清晰的比较，本发明制备ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池使用有效地提高了太阳能电池的性能；图4中，曲线a表示有源层为70nm时ITO单反射镜的太阳能电池的光电转化效率光谱，曲线b表示本发明有源层为70nm时ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电转化效率光谱，从图4可以清晰地看出本发明制备的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电转化效率明显高于传统ITO单反射镜的太阳能电池。
将本发明中有源层为130nm的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池与有源层同为130nm的传统ITO单反射镜的太阳能电池分别在100mw/cm2的氙灯光照下测得V-I特性曲线（见图3）以及光电转化效率光谱（见图5），检测采用Keithley，SMU2601数字源表，图3中曲线a表示有源层为130nm时ITO单反射镜的太阳能电池的光电流曲线，曲线b表示有源层为130nm时ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电流曲线；从图3中我们可以清晰的比较，在有源层为130mm的情况下，本发明制备ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的性能较ITO单反射镜的太阳能电池的性能略低；图5中，曲线a表示有源层为130nm时ITO单反射镜的太阳能电池的光电转化效率光谱，曲线b表示本发明有源层为13nm时ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电转化效率光谱，从图5可以清晰地看出本发明制备的ITO-Free双反射镜结构的太阳能电池的光电转化效率也低于传统ITO单反射镜的太阳能电池。
综上，本发明基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池仅在有源层厚度为60-80nm情况下性能较佳，当有源层厚度过大时则性能减弱。

Claims (7)

1.基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其为多层层状结构，其特征在于：其依次包括层状复合的透明基板、透明电极、有源层、氟化锂层、金属电极，所述透明电极包括依次层叠复合的三氧化钨、金、三氧化钨而成的复合薄膜，其中与所述有源层复合的三氧化钨作为空穴传输层、金作为阳极，所述有源层为以二氯苯为有机溶剂的PCDTBT与PCBM的共混物，所述金属电极为铝。
2.根据权利要求1所述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述有源层的厚度为60nm～80nm。
3.根据权利要求2所述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述有源层的厚度为70nm。
4.根据权利要求1～3中任一所述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述透明电极中的金的厚度为10 nm～15nm，与所述透明基板接触复合的三氧化钨的厚度为20 nm～40nm，与所述有源层接触复合的三氧化钨的厚度为10 nm～20nm。
5.根据权利要求4所述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池，其特征在于：所述氟化锂层的厚度为0.5-1nm；所述金属电极铝的厚度为80-100nm；透明基板为透明导电玻璃。
6.权利要求1～3或5中任一所述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：其依次包括以下步骤，
步骤1，清洗并干燥透明导电玻璃：依次用丙酮、乙醇、去离子水擦拭玻璃片，然后对透明导电玻璃进行超声清洗，清洗后，用干燥氮气吹干，放入培养皿中；
步骤2，在经步骤1清洗干燥后的透明导电玻璃表面采用蒸发法制备透明电极：在 6-8×10-4 pa气压下，以0.1-0.5 nm/s的速率依次在蒸发20-40 nmWO3，10-15 nm Au和10-20nm WO3薄膜；
步骤3，制备PCDTBT与PCBM混合溶液；
步骤4，在经步骤2制备好的透明电极的表面以1000-1200rpm的转速旋涂步骤2制备好的PCDTBT与PCBM混合溶液形成所述有源层并制成有源层为70nm的器件样品，再将器件样品放入真空烘箱中，100℃下退火30min；
步骤5，将器件样品取出，在样品器件的所述有源层的表面通过热蒸发的方法生长一层厚度为0.5-1nm氟化锂材料；再在氟化锂材料表面生长一层厚度为80-100nm 的金属铝材料。
7.根据权利要求6所述的基于双反射镜金属电极的聚合物太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3中PCDTBT与PCBM混合溶液的制备过程，在室温下，将PCDTBT在100～500rpm搅拌速度下边搅拌边溶于有机溶剂二氯苯中并持续搅拌12-24小时，配成15-20毫克/毫升的溶液，再向溶液中加入PCBM并在1500-2000 rpm的搅拌速度下持续搅拌36-72小时配制成质量比为1：4的PCDTBT:PCBM混合溶液。
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