CN110544744B - 一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，属于太阳能电池技术领域，包括：依次设置的透明柔性衬底、透明前电极、第一传输层、光活性层，第二传输层和透明背电极；在透明柔性衬底上表面设置前像素层；在电子传输层、空穴传输层、光活性层和透明背电极上均设置背像素层。前像素层和背像素层可以同时实现相同或不同的像素颜色。本发明实现了柔性有机太阳能电池的彩色像素化，在绿色光伏建筑一体化、半透明的彩色窗户、室外装饰、便携式彩色太阳能帐篷户等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池
技术领域
本发明属于有机光伏太阳能电池技术领域，具体涉及一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池。
背景技术
有机太阳能电池是继无机光伏电池之后，一种新兴的非化石绿色能源。由于有机太阳能电池轻薄便携、成本低廉、工艺简单、易于大面积制备等诸多优点而被认为是具有可持续发展潜力的环保能源技术。其中，半透明的彩色柔性有机太阳能电池不仅具备光伏发电功能，而且因其柔性、彩色的独特优点可广泛应用于绿色光伏建筑一体化，还可用于半透明的彩色窗户、室外装饰、便携式彩色太阳能帐篷等领域。目前获得彩色半透明有机太阳能电池主要有两种方法：一是采用不同吸收光谱的有机物作为活性层；二是利用单层或多层光子晶体、或减反层来调节电池的透过率光谱，从而得到颜色不同的半透明电池器件。然而，尽管上述两类技术方案实现了彩色半透明有机太阳能电池的制备，但是调控的能力非常有限，仅仅针对透射光谱，两类方案均也不能实现彩色像素可调的半透明太阳能电池，也就是说不能实现红色、绿色和蓝色像素组合的透射图案化彩色。同样，更不能实现反射光谱的红色、绿色和蓝色像素组合的反射图案化彩色。综上所述，实现彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，能实现透射和反射光谱的彩色像素可控，是本技术领域亟待解决的技术难题，也具有非常重要和广阔的应用前景。
申请号201410122922.X公开了“柔性太阳能电池及其制备方法”采用金属网格薄膜层和石墨烯作为前电极，纳米金属层和石墨烯层作为透明背电极，实现柔性透明太阳能电池的制备，但是不能实现半透明彩色太阳能电池。
申请号201410245684.1公开了“彩色太阳能电池及其制作方法”在活性层上设置介质光栅滤波层，通过调节滤波层介质光栅的排布周期实现对电池表面的反射光在全色域内进行窄带调制，使电池表面呈现出不同颜色。然而，该专利仅能对电池表面的反射光在全色域进行调制，也就是说不能实现双面彩色半透明太阳能电池。
申请号201410677351.6公开了“彩色太阳能电池和含有所述电池的太阳能面板”在抗反射层上设置含钛的无机介电层，使多晶硅太阳能电池呈现出颜色均一的绿色、紫色和红色。然而，该结构仅适用于硅太阳能电池，不能实现彩色半透明有机太阳能电池。而且只能实现均一颜色，不能实现像素化彩色。
申请号为201310033982.X公开了“有机太阳能电池及其制作方法”，在光活性层，电子传输层、空穴传输层上通过软纳米压印技术制备凸起或凹陷状纳米结构，形成凸凹互补的陷光结构，从而提高有机太阳能电池的光电转换效率。然而，该电池结构仅能提高有机太阳能电池的光电转换效率，不能实现彩色半透明有机太阳能电池。
文献“Colored semitransparent polymer solar cells with powerconversion efficiencyof 9.36％by controlling optical tammstate”(Journal ofMaterials Chemistry A,2019,7,4102-4109.),采用具有不同吸收光谱的有机物做活性层，制备了彩色半透明有机太阳能电池。但是该方法实现的彩色是杂乱的，不能实现彩色像素。换言之，也就是不能实现像素化的可控的彩色图案。
发明内容
发明目的：本发明提供一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，使半透明有机太阳能电池在双侧均呈现相同或不同的像素颜色，对反射和透射颜色具有独立的、自由的调节度，从而为促进有机太阳能电池在光伏建筑一体化等领域的实际应用提供一种可借鉴的技术途径。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，包括依次设置的透明柔性衬底、透明前电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和透明背电极；在所述的透明柔性衬底的上表面设置一维或二维纳米金属/介质周期性光栅构成的前像素层，在所述的第一传输层、光活性层、第二传输层和透明背电极上均设置一维或二维纳米周期性光栅后共同构成背像素层，所述的前像素层和背像素层均包含子像素一，子像素二和子像素三；通过调节前像素层和背像素层周期性光栅的结构可同时在半透明有机太阳能电池的两面实现相同或不同的像素颜色；其中，当所述的第一传输层为空穴传输层时，第二传输层为电子传输层；当所述的第一传输层为电子传输层时，第二传输层为空穴传输层。
进一步地，所述透明背电极是金属铝或银。
进一步地，所述前像素层由一维或二维纳米金属/介质周期性光栅构成，金属是铝或银，介质是紫外胶；所述的透明柔性衬底选自聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的一种。
进一步地，所述的前像素层的子像素一、子像素二、和子像素三的具有相同的介质高度，介质高度为0.25-0.45μm。
进一步地，所述的前像素层的子像素一、子像素二、和子像素三的具有相同的金属高度，金属高度为0.01-0.02μm。
进一步地，所述的前素层和背像素层的子像素一、子像素二和子像素三的周期分别为0.24～0.28μm，0.32～0.38μm和0.45～0.55μm。
进一步地，所述的前素层的子像素一、子像素二和子像素三的占空比范围为0.4～0.55。
进一步地，所述的背像素层的子像素一、子像素二和子像素三的槽深相同，槽深范围为0.03～0.04μm。
进一步的，所述的前素子层和背像素层的子像素一、子像素二、和子像素三可以相同，也可不同。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，通过调节前像素层和背像素层周期性光栅的结构可同时调制透射和反射光谱，在半透明有机太阳能电池的两面呈现相同或不同的像素颜色，从而实现双面彩色像素半透明柔性有机太阳能电池。本发明为彩色半透明柔性有机太阳能电池提供了新的技术路径。
附图说明
图1是实施例1的彩色像素半透明柔性有机太阳能电池示意图；
图2是实施例1的像素半透明柔性有机太阳能电池前像素层俯视图；
图3是实施例2的彩色像素半透明柔性有机太阳能电池示意图；
图4是实施例2的彩色像素半透明柔性有机太阳能电池前像素层一侧反射光谱；
图5是实施例2的彩色像素半透明柔性有机太阳能电池后像素层一侧透射光谱；
图6是实施例3的彩色像素半透明柔性有机太阳能电池示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的彩色像素半透明柔性有机太阳能电池进行详细描述。此外，应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，包括依次设置的透明柔性衬底1、透明前电极2、第一传输层3、光活性层4、第二传输层5和透明背电极6；在所述的透明柔性衬底1的上表面设置一维或二维纳米金属/介质周期性光栅构成的前像素层7，第一传输层3、光活性层4、第二传输层5和透明背电极6上均设置一维或二维纳米周期性光栅，共同构成背像素层8，前像素层7和背像素层8均包含子像素一，子像素二和子像素三。通过调节前像素层7和背像素层8周期性光栅的结构可同时在半透明有机太阳能电池的两面实现相同或不同的像素颜色；其中当第一传输层3为空穴传输层时，第二传输层5为电子传输层；当第一传输层3为电子传输层时，第二传输层5为空穴传输层。
透明背电极6是金属铝或银。
前像素层7由一维或二维纳米金属/介质周期性光栅构成，金属是铝或银，介质是紫外胶、透明柔性衬底是聚对苯二甲酸乙二酯PET，或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的一种。
前像素层7的子像素一、子像素二、和子像素三的具有相同的介质高度，介质高度为0.25-0.45μm。前像素层7的子像素一、子像素二、和子像素三的具有相同的金属高度，金属高度为0.01-0.02μm。前素子层7和背像素层8的子像素一、子像素二、和子像素三可以相同，也可不同。前素层7和背像素层8的子像素一、子像素二和子像素三的周期分别为0.24～0.28μm，0.32～0.38μm和0.45～0.55μm。前素层7的子像素一、子像素二和子像素三的占空比范围为0.4～0.55。
背像素层8的子像素一、子像素二和子像素三的槽深相同，槽深范围为0.03～0.04μm。
实施例1
如图1-2所示，在本实施例中，透明柔性衬底1是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，透明前电极是氧化铟锡膜(ITO)，第一传输层3是空穴传输层是材料(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)dryre-dispersiblepellets](PEDOT:PSS)，光活性层4是Poly(3-hexylthiophene)：(6,6)-Phenyl-C61-butyric acidmethyl ester(P3HT:PCBM)的共混材料，第二传输层5是电子传输层是氟化锂，透明背电极6是银。
如图2所示，通过本领域公知的光刻技术和软纳米压印技术在空穴传输层PEDOT:PSS上制备二维纳米光栅结构的子像素一、子像素二和子像素三的周期P1、P2和P3分别为0.24μm、0.32μm和0.45μm，占空比为0.4，槽深H3为0.03μm，然后，采用本领域公知的旋涂法在已经具有子像素一的第一传输层3旋涂光活性层P3HT:PCBM。由于采用旋涂方法会导致俯视二维正方形纳米光栅侧壁出现平滑现象，因此子像素的剖面自然呈现出如图1所示的正弦形貌。然后，采用热蒸发材料分别为氟化锂和银的电子传输层5和背电极6。至此，第一传输层3、光活性层4、第二传输层5和背电极6共同构成了背像素层8。接着，在完成器件封装后，在透明柔性衬底上旋涂紫外胶，采用紫外软纳米压印技术制备周期和占空比与背像素层子像素一、子像素二、和子像素三完全相同的前像素层，槽深H1为0.25μm。最后热蒸发槽深H2为0.01μm的金属Al，完成前像素层7的制备。从而完成彩色像素半透明柔性有机太阳能电池的制备。电池的两侧分别呈现出相同像素化彩色，具体是子像素一呈现出蓝色，子像素二呈现出绿色，子像素三呈现出红色。在本实施例的基础上，可以通过子像素的不同排列，实现任意彩色图案化结构。
实施例2
如图3所示，在本实施例中，透明柔性衬底1是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，透明前电极是氧化铟锡膜(ITO)，第一传输层3为电子传输层，是氧化锌，光活性层4是P3HT:PCBM的共混材料，第二传输层5是空穴传输层，是三氧化钼，透明背电极6是银。采用本领域公知的光刻技术和软纳米压印技术在溶胶凝胶法制备的电子传输层氧化锌上制备二维纳米光栅结构的子像素的周期P1为0.38μm，槽深H3为0.04μm，占空比为0.5，然后，采用本领域公知的旋涂法在已经具有子像素的电子传输层氧化锌上旋涂材料为P3HT:PCBM的光活性层4。然后采用热蒸发材料分别为氧化钼和银的空穴传输层5和背电极6，从而完成背像素层8的制备。接着，在完成器件封装后，在透明柔性衬底上旋涂紫外胶，采用紫外软纳米压印技术制备周期分别为0.35μm和0.55μm的子像素一和子像素二。子像素一和子像素二的占空比均为0.45，槽深H1均为0.45μm。最后热蒸发金属Al背电极6，其槽深H2为0.03μm。至此，完成空前像素层7的制备。如图4所示，测试得到前像素层7归一化透射光谱呈现出深绿色(子像素一)和红色(子像素二)。如图5所示，测试得到背像素层8归一化光谱呈现出均一的绿色。在半透明柔性太阳能电池的两面分别呈现出了不同的色彩，在光伏建筑一体化化等领域有广阔应用前景。
实施例3
如图6所示，在本实施例中，透明柔性衬底1是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),透明前电极是银纳米线，空穴传输层PEDOT:PSS，光活性层4是poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl):indene-C60 bis-adduct(P3HT:ICBA)的共混材料，第二传输层5是电子传输层，是氟化锂，透明背电极6是银。采用本领域公知的光刻技术和软纳米压印技术在溶胶凝胶法制备的电子传输层氧化锌上制备二维纳米光栅结构的子像素的周期P1为0.50μm，槽深H3为0.035μm，占空比为0.45，然后，采用本领域公知的旋涂法在已经具有子像素的空穴传输层氧化锌上旋涂材料为P3HT:ICBA的光活性层4。然后，采用热蒸发材料分别为氟化锂和银的第二传输层5和背电极6，从而完成背像素层8的制备。接着，在完成器件封装后，在透明柔性衬底上旋涂紫外胶，采用紫外软纳米压印技术制备周期P1为0.50μm的均一的子像素，子像素占空比为0.45，槽深H1均为0.3μm。最后热蒸发金属Al背电极6，其槽深H2为0.02μm。至此，完成空前像素层7的制备。前像素层7和背像素层8均呈现出颜色均匀的红色。

Claims (8)

1.一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：包括由上到下依次设置的透明柔性衬底（1）、透明前电极（2）、第一传输层（3）、光活性层（4）、第二传输层（5）和透明背电极（6）；在所述的透明柔性衬底（1）的上表面设置一维或二维纳米金属/介质周期性光栅构成的前像素层（7），在所述的第一传输层（3）、光活性层（4）、第二传输层（5）和透明背电极（6）上均设置一维或二维纳米周期性光栅后共同构成背像素层（8），所述的前像素层（7）和背像素层（8）均包含子像素一，子像素二和子像素三；其中，当所述的第一传输层（3）为空穴传输层时，第二传输层（5）为电子传输层；当所述的第一传输层（3）为电子传输层时，第二传输层（5）为空穴传输层。
2.根据权利要求 1 所述的一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述透明背电极（6）是金属铝或银。
3.根据权利要求 1 所述的一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述前像素层（7）由一维或二维纳米金属/介质周期性光栅构成，金属是铝或银，介质是紫外胶；所述的透明柔性衬底（1）选自聚对苯二甲酸乙二酯或聚甲基丙烯酸甲酯的一种。
4.根据权利要求 1 所述一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述的前像素层（7）的子像素一、子像素二、和子像素三的具有相同的介质高度，介质高度为0.25-0.45μm。
5.根据权利要求 1 所述一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述的前像素层（7）的子像素一、子像素二、和子像素三的具有相同的金属高度，金属高度为0.01-0.02μm。
6.根据权利要求 1 所述一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述的前像素层（7）和背像素层（8）的子像素一、子像素二和子像素三的周期分别为 0.24～0.28μm，0.32～0.38μm 和 0.45～0.55μm。
7.根据权利要求 1 所述一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述的前像素层（7）的子像素一、子像素二和子像素三的占空比范围为 0.4～0.55。
8.根据权利要求 1 所述一种彩色像素半透明柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述的背像素层（8）的子像素一、子像素二和子像素三的槽深相同，槽深范围为 0.03～0.04μm。
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