CN111697139A - 有机太阳能电池的新型器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池包括：依次层叠设置的导电层、活性层、透明电极层和金属栅格电极层。本发明的太阳能电池兼顾高透光性和高导电性，性能优异，具有广泛的应用前景。

Description

有机太阳能电池的新型器件结构
技术领域
本发明涉及材料领域。具体地，本发明涉及有机太阳能电池的新型器件结构。
背景技术
早在上世纪50年代末，Kallmann和Pope等利用蒽单晶制备了第一个单层的有机光电转换器件，因输出功率极低(3×10-12W)[1]，在此后的多年间，有机光伏领域并未引动广泛的关注。直至，1986年柯达公司的邓青云等首次引入了电子给体和电子受体两种材料，制备出双层异质结结构的有机太阳电池，电池的光电转换效率约为1％[2]，在有机光伏领域实现了突破性的进展。此后，1995年加州大学圣巴巴拉分校Heeger研究组俞刚等人发明了本体异质结结构的有机太阳电池[3]，本体异质结结构中电子给/受体材料共混并均匀分布于整个活性层中，给/受体间的界面面积明显增大，这一创新型的器件结构为有机太阳电池的效率提升开辟了一条重要的途径。自此以后，以有机材料作为主体材料的有机光伏领域得到了长足的发展，尤其是进入21世纪以后，有机太阳电池的效率不断得到提升，目前实验室领域的电池效率已经高达14％[4]。
传统的有机太阳电池结构为“三明治”结构，即自下而上，电池分为三个部分：底层为透明导电电极、中间层为电子给/受体共混的活性层、顶层为不透光的金属电极，一般来说底层的透明导电电极是覆盖于透明的衬底基材上。但一般意义上的有机太阳电池仍然采用透明导电电极一侧即底层来收集太阳光以实现光电转换的目的。
目前的有机太阳能电池领域中底部的透明电极来源可分为以下几种：
1、在透明电极材料方面，占据主导地位的是ITO(氧化铟锡，In2O3:SnO2)电极，为了保证一定的透光率(大于80％)，ITO层的厚度大致在100～300纳米左右，在这种情况下，电导率在103S·cm-1量级。一方面，ITO透明电极在作为导电电极制备小面积电池时，因电池面积较小，电阻带来的损失基本是可以忽略不计；而当电池面积增加时，因电阻随之增加而导致的效率损失比较大。其二，ITO作为透明导电电极使用时一般是通过溅射工艺将其覆盖于硬质的玻璃或柔性的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯) 或PI(聚酰亚胺)等基底上，相对而言，制备工艺较为复杂，加工成本也略高。另一方面， ITO因含有元素铟，材料本身的成本也较为昂贵。
2、采用碳材料作为透明导电电极，包括高分散的碳纳米管、石墨烯等。在这方面，无论是碳纳米管还是石墨烯，材料本身的低成本、规模化生产的问题仍然存在诸多问题，目前并不是透明导电电极材料的首选项。
3、使用高分散的金属纳米线作为透明导电电极，比如银纳米线。采用金属纳米线作为透明导电电极目前的劣势与碳材料类似，同样存在制备工艺不成熟，难以规模化生产、面积增加会导致电阻变大等缺点。
4、其他材料制备的透明导电电极，如导电聚合物(PEDOT：PSS)、掺杂的金属氧化物(铝掺杂的ZnO，AZO)等。
综上所述，在兼顾透光率和高导电性的情况下，上述的透明导电电极材料均存在一些材料本身或是加工工艺方面的固有缺陷。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题至少之一。
为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种太阳能电池。根据本发明的实施例，所述太阳能电池包括：依次层叠设置的导电层、活性层、透明电极层和金属栅格电极层。根据本发明实施例的太阳能电池顶层的透明电极层承担太阳光入射和电荷收集功能，中间的活性层负责收集光子并将其转换为电荷，底层的导电层同样起到收集电荷的作用。由于为了提高透光性，透明电极层的厚度较低，进而导致其导电性差。通过在透明电极层表面添加金属栅格，以便提高导电性，从而兼顾高透光性和高导电性，赋予太阳能电池优异性能。
根据本发明的实施例，所述太阳能电池还可以具有下列附加技术特征：
根据本发明的实施例，形成所述透明电极层的材料选自下列的至少之一：金、银、铜、铝、ZnO和MoO3，优选金或银。上述材料具有透光性和导电性，从而赋予太阳能电池优异性能。并且，容易获得、价格低廉。
根据本发明的实施例，形成所述导电层的材料选自下列的至少之一：金、银、铜和铝，优选银或铝。上述材料具有较好的导电性，从而赋予太阳能电池优异性能。
根据本发明的实施例，形成所述金属栅格电极层的材料选自下列的至少之一：金、银和铝。由此，能够进一步提高透明电极层的导电性。
根据本发明的实施例，所述金属栅格电极层是由多个金属栅格间隔排列形成的，其中，每个所述金属栅格之间的间距为3～6毫米，每个所述金属栅格的宽度为300～600微米、厚度为1～5微米。
为了方便理解，图1显示了根据本发明一个实施例的太阳能电池，其中，金属栅格电极层400是由多个金属栅格410间隔排列形成的，每个金属栅格之间的间距为a，每个金属栅格的宽度为b，厚度为c。采用上述形成透明电极层的材料制成的透明电极层为了达到较好的透光性，需要将厚度设置得较薄些，但是，过薄的电极层会造成导电性差。因此，发明人在透明电极层表面形成金属栅格层，以便提高导电性。通过对金属栅格的尺寸以及间隔位置进行设置，以便在提高导电性的同时不影响透光性以及电池的性能，从而赋予太阳能电池以优异性能。
需要说明的是，本申请所使用的术语“间距”是指每个金属栅格的中心之间的距离。
根据本发明的实施例，形成所述活性层的材料选自共轭聚合物给体和富勒烯受体。由此，以便更好地吸收的光子并转换为电荷。
根据本发明的实施例，所述导电层的厚度为50～150纳米，所述透明电极层的厚度为 10～20纳米。由此，根据本发明实施例的太阳能电池兼具透光率高和导电性强，性能优异。
根据本发明的实施例，根据本发明实施例的太阳能电池进一步包括：依次层叠设置的衬底、导电层、P型界面修饰层、活性层、N型界面修饰层、透明电极层和金属栅格电极层。由此，可以进一步提高太阳能电池的性能。
根据本发明的实施例，形成所述衬底的材料选自下列的至少之一：金属薄板、金属薄膜、玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚醚砜和聚乳酸衍生物。由此，以便起到支撑作用，且不影响导电层的导电性。
根据本发明的实施例，形成所述P型界面修饰层的材料包括下列的至少之一：氧化锌或者PEDOT：PSS。由此，以便进一步提高太阳能电池的性能。
根据本发明的实施例，形成所述N型界面修饰层的材料包括下列的至少之一：三氧化钼、聚芴类阴极缓冲层材料(例如PFN、PFNBr)或者碱金属氟化物(例如LiF)。由此，以便进一步提高太阳能电池的性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述太阳能电池的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：依次层叠形成导电层、活性层、透明电极层和金属栅格电极层。由此，根据本发明实施例的方法所得到的太阳能电池兼具透光率高以及导电性强，从而赋予太阳能电池以优异性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的太阳能电池的结构示意图；
图2显示了根据本发明实施例1制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特性曲线；
图3显示了根据本发明实施例2制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特性曲线；
图4显示了根据本发明实施例3制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特性曲线。
附图标记：
100：导电层；200：活性层；300：透明电极层；400：金属栅格电极层；410：金属栅格；a：每个金属栅格之间的间距；b：每个金属栅格的宽度；c：每个金属栅格的厚度。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
以PTB7-Th为聚合物给体和PCBM71为富勒烯衍生物受体制备新型结构的有机太阳能电池。
制备流程如下：
1、将玻璃基片或柔性PET基片切成合适的大小并清洗干净。清洗流程为清水中加入适量表面活性剂超声清洗10～15分钟，重复1次；清水冲洗干净后，以去离子水超声清洗10～15分钟，重复1次；分析纯丙酮超声清洗10～15分钟，重复1次；分析纯异丙醇超声清洗10～15分钟，重复1次，待用。
2、基片以高纯氮气吹干或烘箱烘干后移入真空镀膜机中，蒸镀厚度为100纳米的金属银薄膜作为导电电极层。
3、在玻璃基片上采用匀胶甩膜的方式制备氧化锌薄膜层，并在200℃条件下热退火1 小时，之后将基片移入高纯氮气保护的手套箱中备用。
4、有机太阳能电池活性层共混溶液的配制：聚合物给体(PTB7-Th)和富勒烯受体(PC71BM)二者重量比(D/A)＝1:1.5，溶剂为超干氯苯，以PTB7-Th计算，其浓度为10 毫克/毫升(mg/ml)，整个溶液在60℃加热条件下磁力搅拌约5小时后，待给/受体材料完全溶解后备用。
PTB7-Th为聚[(4,8-双-(5-(2-乙基己基噻吩)-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基)-alt-(4-(2-乙基己基)-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-)-2-甲酸酯-2-6-二基]，PC71BM为[6,6]苯基 C71丁酸甲酯，具体结构式如下：
Figure BDA0001994092770000051
5、在共混溶液中加入体积比为3％的1,8-二碘辛烷作为添加剂，继续在60℃加热条件下磁力搅拌30分钟，转速为1700转/分钟，然后甩膜50秒，制备活性层薄膜。
6、制备完活性层薄膜的基片转移入真空镀膜机的真空腔室中抽真空，蒸镀N型界面修饰层。本实施例中选择三氧化钼作为N型界面层材料，蒸镀条件为：真空度约4e-4Pa，蒸镀速度约1埃/10秒；界面层厚度控制在5～8纳米。
7、取出蒸镀完三氧化钼的基片，以乙醇擦出电池阳极，之后再转移入真空镀膜机的真空腔室中抽真空，蒸镀透明导电电极层。本实施例中选择金作为透明导电电极层材料，蒸镀条件为：真空度约4e-4Pa，蒸镀速度约0.2纳米/10秒；透明导电电极层厚度控制在10～20纳米。
8、蒸镀栅格电极，本实施例中栅格的间距a为5毫米，栅格宽度b为500微米，厚度 c为2微米，栅格材料为金属铝。
实施例2
以PBDB-T为聚合物给体和ITIC为非富勒烯受体制备新型结构的有机太阳能电池。
制备流程如下：
1、将玻璃基片或柔性PET基片切成合适的大小并清洗干净。清洗流程为清水中加入适量表面活性剂超声清洗10～15分钟，重复1次；清水冲洗干净后，以去离子水超声清洗10～15分钟，重复1次；分析纯丙酮超声清洗10～15分钟，重复1次；分析纯异丙醇超声清洗10～15分钟，重复1次，待用。
2、基片以高纯氮气吹干或烘箱烘干后移入真空镀膜机中，蒸镀厚度为100纳米的银薄膜作为导电电极层。
3、以紫外臭氧清洁机(UVO)处理附着银薄膜层的基片15分钟。
4、在基片上采用匀胶甩膜的方式制备氧化锌薄膜层，并在200℃条件下热退火1小时，之后将基片移入高纯氮气保护的手套箱中备用。
5、有机太阳能电池活性层共混溶液的配制：聚合物给体(PBDB-T)和富勒烯受体(ITIC) 二者重量比(D/A)＝1:1，溶剂为超干氯苯，以聚合物PBDB-T计算，其浓度为10毫克/毫升(mg/ml)，整个溶液在40℃加热条件下磁力搅拌约5小时后，待给/受体材料完全溶解后备用。
PBDB-T为聚[(2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2基)苯并[1,2-b:4,5-b’]-二噻吩))-(1,3-二 (5-噻吩-2基)-5,7-双(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮)]，ITIC为双-(2-甲烯基-(3-1,1-甲烯丙二腈茚酮)-5,5,11,11-四-(4-己基苯))-噻吩[3,2-b]并噻吩吲哒省二噻吩，具体结构式如下：
Figure BDA0001994092770000061
6、在共混溶液中加入体积比为0.5％的1,8-二碘辛烷作为添加剂，继续在40℃加热条件下磁力搅拌30分钟，转速为2500转/分钟，然后甩膜50秒，之后基片在160℃条件下热退火10分钟，制备活性层薄膜。
7、退火完成后的活性层薄膜的基片转移入真空镀膜机的真空腔室中抽真空，蒸镀N 型界面修饰层。本实施例中选择三氧化钼作为N型界面层材料，蒸镀条件为：真空度约4e-4Pa，蒸镀速度约1埃/10秒；界面层厚度控制在5～8纳米。
8、取出蒸镀完三氧化钼的基片，以乙醇擦出电池阳极，之后再转移入真空镀膜机的真空腔室中抽真空，蒸镀透明导电电极层。本实施例中金作为透明导电电极层材料，蒸镀条件为：真空度约4e-4Pa，蒸镀速度约0.2纳米/10秒；透明导电电极层厚度控制在10～20纳米。
9、蒸镀栅格电极，本实施例中栅格的间距为5毫米，栅格宽度为500微米，厚度为2微米，栅格材料为金属铝。
实施例3
按照实施例2的方法制备有机太阳能电池，区别在于，步骤2中，将蒸镀100纳米厚度的金属银薄膜更换为蒸镀100纳米厚度的金属铝薄膜。
实施例4有机太阳能电池测试
在填充N2的手套箱中使用氙灯太阳模拟器的AM1.5G强度(100mW/cm2)下对实施例1～3所制备的太阳能电池器件的开路电压、短路电流以及填充因子这三个参数进行测试，氙灯太阳能模拟器在国家可再生能源实验室(NREL)中使用硅二极管(具有KG5可见滤光器)校正。根据实施例1～3的条件制备的具备新型结构的有机太阳能电池的测试结果参见表1～3。可以看出，本发明的有机太阳能电池可以采用对于基质材质的要求不高，柔性或刚性材质均适用，对于未来有机太阳能电池的批量化生产具备巨大的潜力优势，另一方面采用本发明制备的有机太阳能电池转换效率较高，性能优异。
表1实施例1所制备的太阳能电池
Figure BDA0001994092770000071
表2实施例2所制备的太阳能电池
Figure BDA0001994092770000072
表3实施例3所制备的太阳能电池
Figure BDA0001994092770000073
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
参考文献
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Claims (9)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：依次层叠设置的导电层、活性层、透明电极层和金属栅格电极层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，形成所述透明电极层的材料选自下列的至少之一：金、银、铜、铝、ZnO和MoO3，优选金或银。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，形成所述导电层的材料选自下列的至少之一：金、银、铜和铝，优选银或铝。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，形成所述金属栅格电极层的材料选自下列的至少之一：金、银和铝。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述金属栅格电极层是由多个金属栅格间隔排列形成的，
其中，每个所述金属栅格之间的间距为3～6毫米，每个所述金属栅格的宽度为300～600微米、厚度为1～5微米。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述导电层的厚度为50～150纳米，所述透明电极层的厚度为10～20纳米。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，进一步包括：依次层叠设置的衬底、导电层、P型界面修饰层、活性层、N型界面修饰层、透明电极层和金属栅格电极层。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，形成所述衬底的材料选自下列的至少之一：金属薄板、金属薄膜、玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚醚砜和聚乳酸衍生物；
任选地，形成所述P型界面修饰层的材料包括下列的至少之一：氧化锌或者PEDOT：PSS；
任选地，形成所述N型界面修饰层的材料包括下列的至少之一：三氧化钼、聚芴类阴极缓冲层材料或者碱金属氟化物。
9.一种制备权利要求1～8任一项所述太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
依次层叠形成导电层、活性层、透明电极层和金属栅格电极层。
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