CN106711332A - 一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种双球活性层有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层、阳极修饰层、双球光活性层、阴极缓冲层、透明导电阴极层和衬底层。通过优化电池的光活性层结构，电子给体，第一电子受体和第二电子受体中有两种采用纳米球形态的材料。将两种纳米球嵌入由第三种材料制成的薄膜中，构建双球光活性层。该太阳能电池的制备方法为：对以衬底进行清洗烘干待用，在上依次制备透明导电阴极层、阴极缓冲层、双球光活性层、阳极修饰层、金属阳极层，最后得到有机太阳能电池。本发明提出的双球光活性层，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

一种双球光活性层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，特别涉及一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
因为日益严重的环境污染问题，传统能源面临逐步枯竭的困境，光伏发电作为替代能源已经人们关注的重点，特别是有机太阳能电池。这种太阳能电池具有环境友好，质量轻、可弯曲等诸多优点，因而成为过去十年间人们研究的重点。有机太阳能电池是典型的三明治结构:透明导电材料作为阳极，低功函数的金属作为阴极，中间则是共轭聚合物给体和受体的混合层。近年来，有机三元太阳能电池引起人们越来越浓厚的兴趣，相比于二元电池，三元电池在光吸收能力上的增强使得它们的能量转换效率较高。
有机三元光活性层主要有结构形式，是将一种电子给体材料和两种电子受体材料混合后制成薄膜，这种体相异质光活性层，虽然接触面积较大，但是空穴和电子在向电极迁徙中容易湮灭，影响电池的光电转换效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池，该电池与传统三元有机薄膜电池的区别是，电子给体，第一电子受体和第二电子受体中有两种材料为纳米球形态，将两种纳米球嵌入第三种材料中，构建双球光活性层。降低空穴和电子在向电极迁徙中相互湮灭的比例，能够提高提高光电转换效率。
一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层1、阳极修饰层2、双球光活性层3、阴极缓冲层4、透明导电阴极层5和衬底层6。
所述金属阳极层1的材料是：金属银，其薄膜厚度为1-5μm。
所述阳极修饰层2的材料是：聚(3, 4-亚乙二氧基曝吩):聚(苯乙烯磺酸)，其薄膜厚度为80-150nm。
所述的双球光活性层3的材料是：聚苯并二噻吩：富勒烯衍生物：Bis(1-3-[(甲氧羰基)丙基]-1-苯基)-[6,6]-C70，其厚度为70-230nm。
所述阴极缓冲层4的材料是：氧化钛，其薄膜厚度为120-250nm。
所述透明导电阴极层5的材料是：导电氧化铟锡薄膜，其薄膜厚度为120-250nm。
所述衬底层6的材料是：聚对苯二甲酸乙二脂，其薄膜厚度为0.1-1.0mm。
银的元素符号为Ag，聚(3, 4-亚乙二氧基噻吩)符号为PETDOT，聚(苯乙烯磺酸)符号为PSS，聚苯并二噻吩符号为PTB7，富勒烯衍生物符号为PC70BM,Bis(1-3-[(甲氧羰基)丙基]-1-苯基)-[6,6]-C70符号为Bis-PC70BM，氧化钛符号为TiO2，导电氧化铟锡薄膜符号为ITO，聚对苯二甲酸乙二脂符号为PET。
所述金属阳极层1为厚度为2μm 的Ag，所述阳极修饰层2为100nm 的PETDOT：PSS，所述光活性层3为包括电子给体8,第一电子受体7和第二电子受体9组成的双双球光活性层,厚度为120nm；所述阴极缓冲层4为150nm的TiO2，所述透明导电阴极层5和衬底层6总厚度为0.125mm的PET-ITO。
所述的双球光活性层，电子给体8，第一电子受体7和第二电子受体9中有两种材料为纳米球形态，将两种纳米球嵌入第三种材料中。
所述的双球光活性层，电子给体8的材料为PTB7，第一电子受体7的材料为PC70BM，第二电子受体9的材料为Bis-PC70BM。
本发明所提供的双球光活性层有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤:
(1)在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的Ti02纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为120-250nm的Ti02薄膜层，并在200°C下加热30min固化，冷却，得到厚度为120-250nm的Ti02层；
(3)在Ti02层上滴加含PTB7，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，匀胶时间为30s，得到50-200nm的PTB7薄膜层；
(4)按照10mg/m2的比例，将直径为70-230nm的PC70BM纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中；
(5)按照4mg/m2的比例，将直径为70-230nm的Bis-PC70BM纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中，并置于手套箱中在120 °C下加热15min固化，冷却，得到厚度为70-230nm的双球光活性层；
(6)在光活性层上面喷涂一层PEDOT:PSS，使膜厚80-150nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却，得到厚度为80-150nm的PEDOT:PSS层；
(7)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为1μm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为1-5μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化，得到1-5μm厚度的Ag电极；
(8)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池，通过优化电池的光活性层结构，电子给体8，第一电子受体7和第二电子受体9中有两种材料采用纳米球形态。将两种材料以纳米球形态嵌入第三种材料中，构建双球光活性层。这种结构可以有效增加电子给体材料和电子受体材料的接触面积，减少空穴和电子在迁徙过程中的相互湮灭比例，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为双球光活性层结构示意图。
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：一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层1、阳极修饰层2、双球光活性层3、阴极缓冲层4、透明导电阴极层5和衬底层6。
本发明所提供的双球光活性层有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤:
(1)在 PET-ITO基板上刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的Ti02的溶液旋涂在ITO透明导电薄膜上，形成阴极缓冲层；
(3) 三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种，在阴极缓冲层上制备薄膜层；
(4)在（3）中除制成薄膜的材料，剩下的两种材料选用纳米球形态的材料，把两种纳米球均匀压入（3）中得到的未固化薄膜层中，构成双球光活性层，并置于手套箱中在120 °C下加热15min固化，冷却；
(5)在光活性层上面制备PEDOT:PSS薄膜。在150 °C下，加热 30min固化，冷却；
(6)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，形成薄膜，并置于手套箱中在100 °C下，加热40min固化；
(7)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
实施例1:
(1) 在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的Ti02纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为120nm的Ti02薄膜层，并在200°C下加热30min固化，冷却；
(3)在Ti02层上滴加含PTB7，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，匀胶时间为30s，得到厚度为50nm的PTB7层；
(4)按照10mg/m2的比例，将直径为70nm的PC70BM纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中；
(5)按照4mg/m2的比例，将直径为70nm的Bis-PC70BM纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中,并置于手套箱中在120 °C下加热15min固化，冷却，得到厚度为70nm的双球光活性层；
(6)在光活性层上面喷涂一层PEDOT:PSS，使膜厚80nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却，得到厚度为80nm的PEDOT:PSS层；
(7)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为1μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化，得到1μm厚度的Ag电极；
(8)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
实施例2：
(1) 在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，PET-ITO基板清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的Ti02纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为250nm的Ti02的薄膜层，并在180 °C下加热35min固化，冷却；
(3)在Ti02层上滴加含PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为3500rpm，匀胶时间为35s，得到200nm的PC70BM薄膜层；
(4)按照10mg/m2的比例，将直径为230nm的PTB7纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中；
(5)按照4mg/m2的比例，将直径为230nm的Bis-PC70BM纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中,并置于手套箱中在120 °C下加热15min固化，冷却，得到厚度为230nm的双球光活性层；
(6)在光活性层上面喷涂一层PEDOT:PSS，使膜厚250nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却, 得到厚度为250nm的PEDOT:PSS层；
(7)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为5μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化，得到5μm厚度的Ag电极；
(8)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
实施例3:
(1)在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，PET-ITO基板清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的Ti02纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为150nm的Ti02薄膜层，并在180 °C下加热35min固化，冷却；
(3)在Ti02层上滴加含Bis-PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4500rpm，匀胶时间为15s，得到厚度为100nm的Bis-PC70BM层，
(4)按照10mg/m2的比例，将直径为120nm的PTB7纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中；
(5)按照10mg/m2的比例，将直径为120nm的PC70BM纳米球均匀压入（3）中得到的未固化PTB7层中，并置于手套箱中在120 °C下加热15min固化，冷却，得到厚度为120nm的双球光活性层；
(6)在光活性层上面喷涂一层PEDOT:PSS，使膜厚200nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却，得到厚度为200nm的PEDOT:PSS层；
(7)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为3μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热50min固化，得到3μm厚度的Ag电极；
(8)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
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)

1.一种双球活性层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阳极层（1）、阳极修饰层（2）、双球光活性层（3）、阴极缓冲层（4）、透明导电阴极层（5）和衬底层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种双球光活性层有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述双球光活性层由电子给体（8），第一电子受体（7）和第二电子受体（9）构成。
3.根据权利要求2所述的双球光活性层，特征在于，所述电子给体（8），第一电子受体（7）和第二电子受体（9）中，有两种是以纳米球形式存在的。
4.根据权利要求2所述的双球光活性层，特征在于，所述电子给体（8），第一电子受体（7）和第二电子受体（9）中，有一种是以薄膜形式存在的。
5.根据权利要求3所述的双球光活性层，特征在于，纳米球的直径大于光活性层中薄膜层厚度，并且纳米球的直径小于光活性层中薄膜层厚度与阴极缓冲层厚度之和。
6.根据权利要求3所述的双球光活性层，特征在于，纳米球均匀分布在给体材料薄膜层中。
7.根据权利要求3所述的双球光活性层，特征在于，纳米球在薄膜层固化之前压入。
8.根据权利要求1所述的双球光活性层有机薄膜太阳能电池，特征在于，双球光活性层（3）固化后，在其表面制备阴极缓冲层（4）。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种有篦齿结构光活性层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)在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
2)将利用溶胶-凝胶法制备的Ti02纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为120-250nm的Ti02薄膜层，并在200°C下加热30min固化，冷却，得到厚度为120-250nm的Ti02层；
3) 三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种，在阴极缓冲层上制备薄膜层，得到50-200nm的薄膜层；
4)在3）中除制成薄膜的材料，剩下的两种材料选用直径为70-230nm纳米球形态的材料，把两种纳米球均匀压入3）中得到的未固化薄膜层中，构成双球光活性层，并置于手套箱中在120 °C下加热15min固化，冷却，得到厚度为70-230nm的双球光活性层；
5)在光活性层上面喷涂一层PEDOT：PSS层，使膜厚80-150nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却，得到厚度为80-150nm的PEDOT：PSS层；
6)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为1μm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为1-5μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化，得到厚度为1-5μm的金属Ag电极；
7)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的一种双球光活性层机薄膜太阳能电池的制备方法第5）条，其特征在于，在光活性层上面用喷涂法制备PEDOT：PSS层。
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