CN108183118A - 一种垂直结构有机太阳能电池及制备方法 - Google Patents

一种垂直结构有机太阳能电池及制备方法 Download PDF

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林慧
陈全伊
陶斯禄
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    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
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Abstract

一种垂直结构有机太阳能电池及制备方法，属于有机太阳能电池领域，本发明包括纵向顺次排列的增透膜层、电池单元组部分、刚性衬底，所述电池单元组部分包括横向层叠设置的至少3个电池单元，各电池单元串联设置；所述电池单元包括顺次设置的ITO/PET衬底、PEDOT:PSS阳极缓冲层、有机活性层、LiF阴极电子传输层和阴极层，其中ITO/PET衬底作为阳极。本发明在阳光斜入射的条件下能够提供更大工作面积，有效提高了阳光的吸收效率，从而达到提高有机太阳能电池光电转换效率的目的。在阳光入射角不理想的情况下可以通过改变器件设置的角度来使器件达到最好的工作状态。

Description

一种垂直结构有机太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池领域。
背景技术
随着传统化石能源的不断消耗和太阳能发电技术的日益成熟，太阳能光伏发电技术变得越来越重要起来。可以预见到，太阳能光伏发电技术将会在世界能源方面占据重要地位，在化石能源枯竭的将来和核能及其他可再生能源成为世界能源的主要生产方式，太阳能电池市场前景广阔。
有机太阳能电池由于其效率转换不高的原因一直很难与晶体硅太阳能电池竞争，但有机太阳能电池由于其存在快速且廉价的制造大面积薄膜的可能，若能够将有机太阳能器件的性能提高，它将具有十分强的竞争力。在现有材料的条件下，改变器件的结构将是达到目的的重要方式。
本发明改变了传统器件横向膜的结构，采用垂直结构，在阳光斜入射的情况下提高了单位面积上器件的工作面积，在不改变器件所使用材料的情况下提高了太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高性能的垂直结构有机太阳能电池，及其制备方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，一种垂直结构有机太阳能电池，其特征在于，包括纵向顺次排列的增透膜层、电池单元组部分、刚性衬底，所述电池单元组部分包括横向层叠设置的至少3个电池单元，各电池单元为串联设置；
所述电池单元包括顺次设置的ITO/PET衬底、PEDOT:PSS阳极缓冲层、有机活性层、LiF阴极电子传输层和阴极层，其中ITO/PET衬底作为阳极。
ITO/PET衬底指在PET基底上溅射氧化铟锡导电薄膜后高温退火得到的透明导电衬底；PEDOT:PSS溶液是PEDOT和PSS两种物质的水溶液，PEDOT是EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。
电池单元中，各层的厚度为ITO层180nm；PEDOT:PSS层35nm；有机活性层160nm；LiF层80nm；Al电极150nm。
本发明还提供一种垂直结构有机太阳能电池制备方法，包括下述步骤：
1)ITO/PET衬底清洗；
2)在ITO/PET衬底上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层；
3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层上旋涂有机活性层；
4)以LiF作为阴极电子传输层材料，在经步骤3)处理后的衬底上蒸镀LiF；
5)以Al作为阴极的电极材料，在LiF层上蒸镀Al电极，蒸镀时气压低于3×10-4Pa，制得电池单元薄膜，其阳极为ITO/PET衬底；
5)横向层叠电池单元薄膜，使各电池单元形成串联结构，然后使用透光导电粘合剂使其形成整体；
6)按照预设厚度，横向切割步骤5)所得整体，得到电池单元组部分；
7)将电池单元组部分的下表面附着在刚性衬底上，在电池单元组部分上表面附着玻璃增透膜。
所述步骤6)中，切割形成的切面垂直于相邻电池单元薄膜的接触面。
本发明与现有单层结构器件相比，采用垂直结构，如图3所示，在阳光斜入射的条件下能够提供更大工作面积，有效提高了阳光的吸收效率，从而达到提高有机太阳能电池光电转换效率的目的。在阳光入射角不理想的情况下可以通过改变器件设置的角度来使器件达到最好的工作状态。
附图说明
图1为本发明电池单元的结构示意图。
图2为垂直结构有机太阳能电池的结构示意图。
图3为器件内部光路示意图。
图4为切割步骤的3D示意图。
具体实施方式
参见图1～4。
垂直结构有机太阳能电池，其特征在于，包括纵向顺次排列的增透膜层、电池单元组、刚性衬底，所述电池单元组包括横向重叠设置的至少3个电池单元，各电池单元串联设置；
所述电池单元包括顺次设置的ITO/PET衬底、PEDOT:PSS阳极缓冲层、有机活性层、LiF阴极电子传输层和阴极层，ITO/PET衬底作为阳极。ITO/PET衬底指在PET基底上溅射氧化铟锡导电薄膜后高温退火得到的透明导电衬底；PEDOT:PSS溶液是PEDOT和PSS两种物质的水溶液，PEDOT是EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。
电池单元中，各层的厚度为ITO层180nm(PET衬底无严格要求)；PEDOT:PSS层35nm；有机活性层160nm；LiF层80nm；Al电极150nm。
本发明提供垂直结构有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)ITO/PET衬底清洗。
2)旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层(空穴传输层)：在步骤1)处理后的ITO/PET衬底上旋涂PEDOT:PSS，旋涂时采用2000r/min，旋涂20s。
3)旋涂活性层：在步骤2)处理后的ITO/PET衬底上旋涂有机活性层
4)蒸镀LiF阴极电子传输层、Al电极：以LiF作为阴极电子传输层材料，在经步骤3)处理后的衬底上蒸镀LiF；以Al作为阴极的电极材料，处理后的衬底上蒸镀Al电极，蒸镀时气压低于3×10-4Pa。制得如图1所示的单元器件。
5)层叠步骤4)处理过的薄膜，使用透光导电粘合剂使其形成整体。各电池单元的阴极和阳极串联，方便最终电极的引出。
6)按预设的厚度横向切割层叠的薄膜，得到多个电池单元组部分，切割使用钢丝、金刚砂线或者激光切割进行。
7)将电池单元组部分的下表面附着在刚性衬底上，在上表面附着玻璃增透、保护膜，制得如图2所示的器件。
更具体的制备方法实施例如下：
1)ITO/PET衬底清洗
(1.1)设置好超声仪参数：温度30℃，时间20min，功率70w；
(1.2)用ITO清洗剂搓洗ITO/PET衬底，并用去离子水清洗；
(1.3)将清洗后的ITO/PET衬底放置在聚四氟乙烯基片架上，再分别放入装有去离子水的烧杯中进行第一步超声处理；
(1.4)取出基片架，依次用丙酮、乙醇对ITO/PET衬底进行超声处理；
(1.5)用氮气将ITO/PET衬底吹干；
(1.6)将ITO/PET衬底进行UV处理，待用。
2)旋涂PEDOT:PSS空穴传输层：在步骤1)处理后的ITO/PET衬底上旋涂PEDOT:PSS，旋涂时采用2000r/min，旋涂20s。
3)旋涂活性层：在步骤2)处理后的ITO/PET衬底上旋涂有机活性层，有机活性层采用PTB7-th:杂质材料:PC71BM的三元共混材料，其中杂质材料可以选择PBDTTT-C，F8BT，香豆素衍生物等有机小分子或聚合物材料来提高电池的效率。以杂质为香豆素7为例，三元共混材料的混合比例为PTB7-th:香豆素7:PC71BM＝9:1:15，此时电池能够达到同等条件下最高的效率。
4)蒸镀LiF阴极电子传输层、Al电极：以LiF作为阴极电子传输层材料，在经步骤3)处理后的衬底上蒸镀LiF；以Al作为阴极的电极材料，处理后的衬底上蒸镀Al电极，蒸镀时气压低于3×10-4Pa。制得如图1所示的单元器件。蒸镀Al电极时，在器件上放置掩膜使蒸镀的电极符合设计要求的形状。
5)叠放步骤4)处理过的薄膜，使用透光导电粘合剂使形成整体，其中粘合剂可以使用DITITE DT-8120等型号的导电胶水。
6)按预设的厚度横向切割层叠的薄膜，得到多个电池单元组部分，切割使用钢丝、金刚砂线或者激光切割进行。切割的示意图如图4所示。切割完成后对获得的电池单元组部分进行超声处理以保持表面清洁。
7)将电池单元组部分的下表面附着在刚性衬底上，在上表面附着玻璃增透、保护膜。
如图1所示是垂直结构有机太阳能电池所使用的单元器件的结构图，在有阳光照射时，活性层产生激子将混合异质结中的空穴和电子分别通过缓冲层送往作为阳极的ITO电极和作为阴极的Al电极，产生电动势。
如图2所示是垂直结构有机太阳能电池的总体结构图，其中：
1、玻璃增透膜；2、ITO/PET衬底；3、PETDOT:PSS空穴传输层；4、有机活性层；5、LiF阴极电子传输层；6、Al电极；7、刚性衬底。

Claims (4)

1.一种垂直结构有机太阳能电池，其特征在于，包括纵向顺次排列的增透膜层、电池单元组部分、刚性衬底，所述电池单元组部分包括横向层叠设置的至少3个电池单元，各电池单元为串联设置；
所述电池单元包括顺次设置的ITO/PET衬底、PEDOT:PSS阳极缓冲层、有机活性层、LiF阴极电子传输层和阴极层，其中ITO/PET衬底作为阳极。
2.如权利要求1所述的一种垂直结构有机太阳能电池，其特征在于，电池单元中，各层的厚度为：
ITO层180nm，PEDOT:PSS层35nm，有机活性层160nm，LiF层80nm，Al电极150nm。
3.一种垂直结构有机太阳能电池制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)ITO/PET衬底清洗；
2)在ITO/PET衬底上旋涂PEDOT:PSS阳极缓冲层；
3)在PEDOT:PSS阳极缓冲层上旋涂有机活性层；
4)以LiF作为阴极电子传输层材料，在经步骤3)处理后的衬底上蒸镀LiF；
5)以Al作为阴极的电极材料，在LiF层上蒸镀Al电极，蒸镀时气压低于3×10-4Pa，制得电池单元薄膜，其阳极为ITO/PET衬底；
5)横向层叠电池单元薄膜，使各电池单元形成串联结构，然后使用透光导电粘合剂使其形成整体；
6)按照预设厚度，横向切割步骤5)所得整体，得到电池单元组部分；
7)将电池单元组部分的下表面附着在刚性衬底上，在电池单元组部分上表面附着玻璃增透膜。
4.如权利要求3所述的一种垂直结构有机太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤6)中，切割形成的切面垂直于相邻电池单元薄膜的接触面。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4082570A (en) * 1976-02-09 1978-04-04 Semicon, Inc. High intensity solar energy converter
WO2004008553A1 (de) * 2002-07-10 2004-01-22 Fraunhofer Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E. V. Optoelektronisches bauelement mit elektrisch leitfähigem organischem material sowie verfahren zur herstellung des bauelementes
CN104185903A (zh) * 2009-12-21 2014-12-03 休斯敦大学 垂直堆叠的光伏和热太阳能电池

Patent Citations (3)

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