CN107623071A - 低温Si与有机叠层的太阳能电池及制备方法 - Google Patents

低温Si与有机叠层的太阳能电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温Si与有机的叠层太阳能电池，主要解决现有太阳能电池能量转换效率低的问题。其包括阴极(1)、n型硅片基体(2)、p型有机导电薄膜(3)、p型缓冲层(4)、电子传输层(5)、界面修饰层(6)、有机活性层(7)、空穴传输层(8)以及阳极(9)。其中阴极、n型硅片基体和p型有机导电薄膜自下而上构成Si杂化太阳能电池；电子传输层、界面修饰层、有机活性层、空穴传输层以及阳极自下而上构成有机太阳能电池，这两种结构的太阳能电池通过p型缓冲层叠加构成叠层结构，使电荷能够有效的向电极传输。本发明提高了能量转换效率并且整个制备工艺低于200℃，减少了能源消耗，可用于便携式能源及可穿戴电子设备。

Description

低温Si与有机叠层的太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明属于光能技术领域，特别是一种叠层的太阳能电池，可用于光伏发电。
现有技术
由于资源短缺、环境污染等问题，太阳能光伏发电已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。其中，太阳能电池是一种最直接的光能利用方法，因此对于太阳能电池的深入研究和利用是十分必要的。
目前，Si电池已经进行部分商业化应用，新型太阳能电池，如有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，也在进行广泛研究。但是限制太阳能电池大规模应用的重要问题是其居高不下的成本，特别是在Si电池制造过程中的复杂工艺和高温环节。因此，降低Si电池的制造成本，同时提升电池性能是研究的关键。有机太阳能电池作为最近迅速发展的一种新型低温工艺太阳能电池，其缺点是能量转换效率较低，所以在研究的过程中希望能够大幅度提升有机太阳能电池的能量转换效率。由于有机材料吸收系数高，柔性好，可制备在任意衬底上，十分适应于与其他类型电池制备叠层电池，采用这种结构能够大大提升电池的能量转换效率。
叠层太阳能电池的研究是由于太阳光光谱的能量分布较宽，目前的任何一种半导体材料都只能吸收太阳能光谱中一定波长范围内的光子。而叠层太阳能电池是将禁带宽度不同的电池按照由大到小的顺序从下到上叠合起来，让波长较短的光被上面的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去被窄禁带宽度的材料吸收，使光能能够最大程度的被利用来转换产生电能。
现有的叠层太阳能电池有两种制备方法，一种是将两种太阳能电池分别制备出来后再在测试时将两个电池重叠在一起，另一种是将两种结构制备在一个器件中。其中：
第一种方法是分别按照两种电池的制造流程将两个电池制备出来，包括每个电池的衬底和电极，然后在测试的过程中直接将两个电池按阴极和阳极重叠在一起。
第二种方法是将两个电池的结构融合在一个器件中，去掉下层电池的顶电极以及上层电池的衬底和衬底电极，使两个电池的光吸收层形成一个整体，并对两个吸收层的界面进行优化处理，提高器件的电荷收集能力，从而改善电池的能量转换效率。
上述第二种方法虽然可通过光吸收层之间的界面优化能够得到更高、更准确的能量转换效率以及其他性能参数，但由于需要对器件结构进行实验优化，一般很少使用。而上述第一种方法由于前期制备和单个电池制备过程一致，较简单，因此，目前实验中大多数使用第一种将两个电池重叠在一起的制备方法，但是这种方法得到的叠层太阳能电池的能量转换效率会受到上层电池的衬底和衬底电极的影响而偏小。
发明目的
本发明的目的在于这对上述现有技术的不足，提供一种低温Si与有机叠层的太阳能电池结构及其制备工艺方法，以实现两个子电池能够直接在内部结构上有效串联，简化制备工艺过程，提高器件的能量转换效率。
发明内容
为实现上述目的，本发明的低温Si与有机叠层的太阳能电池，其自下而上依次为阴极，n型硅片基体，p型有机导电薄膜，电子传输层，有机活性层,空穴传输层和阳极，其特征在于：
在p型有机导电薄膜与电子传输层之间增设有p型缓冲层，用于改善空穴到阳极的传输；
在电子传输层与有机活性层之间增设有界面修饰层，用于优化电子传输层性能；
阳极采用透明导电材料或网状金属结构，以使太阳光能照射到器件内部的光吸收层。
为实现上述目的，本发明制作低温Si与有机叠层的太阳能电池的方法，包括如下步骤：
1)对n型硅片基体进行RCA标准清洗；
2)将清洗后的n型硅片基体置于质量分数为5％的HF溶液中反应30s，去除其正面氧化物；
3)在反应后的n型硅片基体背面淀积厚度为100～200nm金属Al作为阴极；
4)将PH 1000，DMSO和FS31Capston这三种溶液，按体积比为1000:50:1比例配置成PEDOT:PH 1000溶液；
5)在n型硅片基体正面旋涂PEDOT:PH 1000溶液，以1500～2000rpm的转速旋转10～20s，然后在130～150℃的温度下退火10～15min，形成厚度为110～115nm的p型有机导电薄膜；
6)对商购的PEDOT:4083溶液进行过滤，并以3000～5000rpm的转速将过滤后的PEDOT:4083溶液旋涂在p型有机导电薄膜表面，持续30～45s，再在110～140℃的温度下退火3～5min，形成厚度为30～50nm的p型缓冲层；
7)以3000～4000rpm的转速在已经制备好的p型缓冲层上旋涂10mg/ml的ZnO溶液40～50s，然后在150～170℃的温度下退火15～20min，形成ZnO薄膜作为电子传输层；
8)在电子传输层上面旋涂0.1-0.3wt％的PEIE水溶液，以4000～5000rpm的转速旋转30～40s，作为界面修饰层，以使电子能够更好的从有机活性层传输到电子传输层；
9)配置质量比为1：1.5，浓度为10％的PTB-7：PC71BM氯苯溶液，以1000～1200rpm的转速旋涂在界面修饰层的表面，形成有机活性层；
10)将有机活性层放置在避光处阴干至少3h；
11)在阴干后的有机活性层表面淀积厚度为8～10nm的MoO3作为空穴传输层，再在空穴传输层之上淀积透明导电材料或网状金属结构作为阳极，完成叠层电池的制作。
本发明具有如下有益效果：
本发明由于将Si杂化太阳能电池与有机太阳能电池结构融合在一个器件结构之中，增设p型缓冲层和界面修饰层，并采用透明导电材料或网状金属结构作为阳极，使太阳光的利用更充分、电荷传输和收集性能更优。
本发明由于整个制备工艺都在不超过200℃的温度为低温下进行，使得这种叠层太阳能电池结构的能量转换效率与单个电池相比有了较大的提升。
附图说明
图1为本发明的低温Si与有机叠层的太阳能电池结构示意图
图2为低温Si与有机叠层的太阳能电池制备工艺流程图
具体实施方式
参照图1，本发明的低温Si与有机叠层的太阳能电池，其结构自下而上为阴极1、n型硅片基体2、p型有机导电薄膜3、p型缓冲层4、电子传输层5、界面修饰层6、有机活性层7、空穴传输层8和阳极9。其中:
阴极1设在n型硅片基体2背面，其厚度为100～200nm的金属Al；
p型有机导电薄膜3采用厚度为110～115nm的PEDOT:PH 1000材料；该p型有机导电薄膜3与n型硅片基体2和阴极1自上而下构成Si杂化的太阳能电池。
电子传输层5采用ZnO材料，界面修饰层6采用PEIE材料，有机活性层7采用PTB-7：PC71BM材料，空穴传输层8采用厚度为8～10nm的MoO3材料，阳极9采用透明导电材料或网状金属结构，这些部分以阳极9为顶层自上而下构成有机太阳能电池。
上述这两种结构的太阳能电池通过p型缓冲层4叠加，其为厚度30～50nm的PEDOT:4083材料，构成最终的叠层太阳能电池，其能量转换效率明显提高。该缓冲层4采用厚度30～50nm的PEDOT:4083材料。
参照图2，本发明制备上述Si与有机叠层的太阳能电池的方法，给出以下三个实例：
实施例1，制备阳极为透明导电材料的叠层太阳能电池。
步骤1：n型硅片基体表面的预处理。
1a)对n型硅片衬底进行RCA标准清洗；
1b)将清洗后的n型硅片基体置于质量分数为5％的HF溶液中反应30s，去除其正面氧化物；
步骤2：制备阴极。
在反应后的n型硅片基体背面淀积厚度为100nm金属Al作为阴极。
步骤3：制备p型有机导电薄膜。
3a)将商购的PH1000，DMSO和FS31Capston溶液按照体积比为1000:50:1配置混合溶液PEDOT:PH1000；
3b)在n型硅片基体正面旋涂PEDOT:PH 1000溶液，以1500rpm的转速旋转10s，然后在130℃的温度下退火15min，形成厚度为115nm的p型有机导电薄膜。
步骤4：制备p型缓冲层。
对商购的PEDOT:4083溶液用0.45μm的滤头进行过滤，并以3000rpm的转速将过滤后的PEDOT:4083溶液旋涂在p型有机导电薄膜表面，持续30s，再在110℃的温度下退火5min，形成厚度为50nm的p型缓冲层。
步骤5：制备电子传输层。
以3000rpm的转速在已经制备好的p型缓冲层上旋涂10mg/ml的ZnO溶液40s，然后在150℃的温度下退火20min，形成ZnO薄膜作为电子传输层。
步骤6：制备界面修饰层。
在电子传输层上面旋涂0.1wt％的PEIE水溶液，以4000rpm的转速旋转30s，形成界面修饰层。
步骤7：制备有机活性层。
配置质量比为1：1.5，浓度为10％的PTB-7：PC71BM氯苯溶液，以1000rpm的转速旋涂在界面修饰层的表面，形成有机活性层，并将其放置在避光处阴干至少3h。
步骤8：制备阳极。
在阴干后的有机活性层表面淀积厚度为8nm的MoO3作为空穴传输层，再在空穴传输层之上淀积透明导电材料作为阳极，完成叠层电池的制作。
实施例2，制备阳极为网状金属Ag结构的叠层太阳能电池。
步骤一：n型硅片基体表面的预处理。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤1相同。
步骤二：制备阴极。
在反应后的n型硅片基体背面淀积厚度为200nm金属Al作为阴极。
步骤三：制备p型有机导电薄膜。
3.1)将商购的PH1000，DMSO和FS31Capston溶液按照体积比为1000:50:1配置混合溶液PEDOT:PH1000。
3.2)在n型硅片基体正面旋涂PEDOT:PH 1000溶液，以2000rpm的转速旋转20s，然后在150℃的温度下退火10min，形成厚度为110nm的p型有机导电薄膜。
步骤四：制备p型缓冲层。
对商购的PEDOT:4083溶液用0.45μm的滤头进行过滤，并以5000rpm的转速将过滤后的PEDOT:4083溶液旋涂在p型有机导电薄膜表面，持续45s，再在140℃的温度下退火3min，形成厚度为30nm的p型缓冲层。
步骤五：制备电子传输层。
以4000rpm的转速在已经制备好的p型缓冲层上旋涂10mg/ml的ZnO溶液50s，然后在170℃的温度下退火15min，形成ZnO薄膜作为电子传输层。
步骤六：制备界面修饰层。
在电子传输层上面旋涂0.2wt％的PEIE水溶液，以5000rpm的转速旋转40s，作为界面修饰层。
步骤七：制备有机活性层。
7.1)配置质量比为1：1.5，浓度为10％的PTB-7：PC71BM氯苯溶液，以1200rpm的转速旋涂在界面修饰层的表面，形成有机活性层。
7.2)将制备好有机活性层的硅片基体放置在避光处阴干至少3h。
步骤八：制备阳极。
8.1)根据制备的电池面积制作网状的金属掩膜版；
8.2)在阴干后的有机活性层表面淀积厚度为10nm的MoO3作为空穴传输层，再利用制作好的掩膜版，在空穴传输层之上淀积网状金属Ag结构作为阳极，完成叠层电池的制作。
实施例3，制备阳极为透明电极材料，p型有机导电薄膜为掺杂DMSO的PEDOT:PH1000材料的叠层太阳能电池。
步骤A：n型硅片基体表面的预处理。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤1相同。
步骤B：制备阴极。
在反应后的n型硅片基体背面淀积厚度为120nm金属Al作为阴极。
步骤C：制备p型有机导电薄膜。
首先，将商购的PH1000，DMSO和FS31Capston溶液按照体积比为1000:50:1配置混合溶液PEDOT:PH1000；然后在混合溶液中掺杂5vol％DMSO，形成掺杂的PEDOT:PH 1000溶液；接着在n型硅片基体正面旋涂掺杂后的PEDOT:PH 1000溶液，并以1700rpm的转速旋转15s，最后在140℃的温度下退火12min，形成厚度为112nm的p型有机导电薄膜。
步骤D：制备p型缓冲层。
对商购的PEDOT:4083溶液进行过滤，并以4000rpm的转速将过滤后的PEDOT:4083溶液旋涂在p型有机导电薄膜表面持续40s，再在130℃的温度下退火4min，形成厚度为35nm的p型缓冲层。
步骤E：制备电子传输层。
以3500rpm的转速在已经制备好的p型缓冲层上旋涂10mg/ml的ZnO溶液45s，然后在160℃的温度下退火18min，形成ZnO薄膜作为电子传输层。
步骤F：制备界面修饰层。
在电子传输层上面旋涂0.3wt％的PEIE水溶液，再以4500rpm的转速旋转45s，作为界面修饰层。
步骤G：制备有机活性层。
配置质量比为1：1.5，浓度为10％的PTB-7：PC71BM氯苯溶液，以1100rpm的转速旋涂在界面修饰层的表面，形成有机活性层；再将制备好的有机活性层硅片基体放置在避光处阴干至少3h。
步骤H：制备阳极。
在阴干后的有机活性层表面淀积厚度为9nm的MoO3作为空穴传输层，再在空穴传输层之上淀积透明导电材料作为阳极，完成叠层电池的制作。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温Si与有机叠层的太阳能电池，其自下而上依次为阴极(1)，n型硅片基体(2)，p型有机导电薄膜(3)，电子传输层(5)，有机活性层(7),空穴传输层(8)和阳极(9)，其特征在于：
在p型有机导电薄膜(3)与电子传输层(5)之间增设有p型缓冲层(4)，用于改善空穴到阳极的传输；
在电子传输层(5)与有机活性层(7)之间增设有界面修饰层(6)，用于优化电子传输层性能；
阳极(9)采用透明导电材料或网状金属结构，以使太阳光能照射到器件内部的光吸收层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：阴极(1)设在n型硅片基体(2)背面，采用金属Al，其厚度为100～200nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：p型有机导电薄膜(3)采用PEDOT:PH1000材料，其厚度为110～115nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：p型缓冲层(4)采用PEDOT:4083材料，其厚度为30～50nm。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：
电子传输层(5)采用ZnO材料；
界面修饰层(6)采用PEIE材料。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：空穴传输层(8)采用MoO3材料，其厚度为8～10nm。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：透明导电材料采用ITO材料。
8.低温Si与有机叠层的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)对n型硅片基体进行RCA标准清洗；
2)将清洗后的n型硅片基体置于质量分数为5％的HF溶液中反应30s，去除其正面氧化物；
3)在反应后的n型硅片基体背面淀积厚度为100～200nm金属Al作为阴极；
4)将PH 1000，DMSO和FS31Capston这三种溶液，按体积比为1000:50:1比例配置成PEDOT:PH 1000溶液；
5)在n型硅片基体正面旋涂PEDOT:PH 1000溶液，以1500～2000rpm的转速旋转10～20s，然后在130～150℃的温度下退火10～15min，形成厚度为110～115nm的p型有机导电薄膜；
6)对商购的PEDOT:4083溶液进行过滤，并以3000～5000rpm的转速将过滤后的PEDOT:4083溶液旋涂在p型有机导电薄膜表面，持续30～45s，再在110～140℃的温度下退火3～5min，形成厚度为30～50nm的p型缓冲层；
7)以3000～4000rpm的转速在已经制备好的p型缓冲层上旋涂10mg/ml的ZnO溶液40～50s，然后在150～170℃的温度下退火15～20min，形成ZnO薄膜作为电子传输层；
8)在电子传输层上面旋涂0.1-0.3wt％的PEIE水溶液，再以4000～5000rpm的转速旋转30～40s，作为界面修饰层，以使电子能够更好的从有机活性层传输到电子传输层；
9)配置质量比为1：1.5，浓度为10％的PTB-7：PC71BM氯苯溶液，以1000～1200rpm的转速旋涂在界面修饰层的表面，形成有机活性层；
10)将有机活性层放置在避光处阴干至少3h；
11)在阴干后的有机活性层表面淀积厚度为8～10nm的MoO3作为空穴传输层，再在空穴传输层之上淀积透明导电材料或网状金属结构作为阳极，完成叠层电池的制作。
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤11)中在空穴传输层之上淀积网状金属结构作为阳极，是先根据太阳能电池的面积制作一个网状掩膜版，然后在阳极淀积时将这个掩膜版放在空穴传输层上使形成网状金属结构。
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