CN113258004A - 基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池及其制备方法，由下至上依次包括玻璃衬底、ITO电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和背电极。所述的背电极上设有叠层复合分布布拉格反射器，所述的叠层复合分布布拉格反射器由复合分布布拉格反射器叠加构成，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器构成。通过设置分布布拉格反射器的结构参数，可以调节分布布拉格反射器的反射中心，从而扩大光活性层的吸收带宽。通过复合分布布拉格反射器的叠加，可以提高对光活性层的反射强度，增强光活性层对光子的再次反复利用，从而提高电池器件的吸收强度和光电转换效率，实现同时平衡光子的吸收和透射。
Description
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
进入21世纪，能源紧缺成为全世界面临的主要问题之一。随着世界经济的发展以及人口的增长，人类未来对能源的需求量会持续增加。预计到2050年，人类能源总消耗将会达到28-35TW，这对目前的能源生产量来说是一个极大的挑战。能源安全和供给作为社会稳定和可持续发展的动力已经越来越受到各国政府和科技界的重视。传统化石燃料能源的大量消耗以及不可再生性导致能源成本急速攀升，同时其燃烧锁排放的CO2是全球环境污染和气候变暖的主要原因。因此，从经济、环境和社会三个方面来看，减少对化石能源的依赖性，开发成本低廉、绿色无污染的可再生能源取代传统化石能源是解决能源危机的重要途经之一，其中，太阳能是资源最丰富的可再生能源。
因此随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭，新能源特别是太阳能电池成为国内外研究关注的一个热点。在太阳能电池这个大家族中，半透明有机太阳能电池由于其透光性良好的特点在发电窗户、建筑集成光伏、农业温室等领域的应用日益广泛，因此受到大家的广泛关注。但是，透光性又会使电池器件的光电转换效率、短路电流等性能参数大大降低。分布布拉格反射器可以使透过电池器件的光再次反射回光活性层，增强器件的性能，但是单一的分布布拉格反射器优化性能不明显，实际应用效果不佳。
发明内容
本发明为了提高半透明有机太阳能电池的吸收波长范围和光电转换率，提供一种基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池。通过在半透明有机太阳能电池的背电极上设有叠层复合分布布拉格反射器，所述的叠层复合分布布拉格反射器由复合分布布拉格反射器叠加构成，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射(DBR)构成。通过设置分布布拉格反射器的结构参数，可以调节分布布拉格反射器的反射中心，从而扩大光活性层的吸收带宽。通过复合分布布拉格反射器的叠加，可以提高对光活性层的反射强度，增强光活性层对光子的再次反复利用，从而提高电池器件的吸收强度和光电转换效率，实现同时平衡光子的吸收和透射。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池，由下至上依次包括玻璃衬底以及依次位于所述玻璃衬底上的ITO电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和背电极，其特征在于：所述的背电极上设有叠层复合分布布拉格反射器，所述的叠层复合分布布拉格反射器由复合分布布拉格反射器叠加构成，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器构成；所述的第一传输层为电子传输层或空穴传输层，当所述的第一传输层为电子传输层时，所述的第二传输层为空穴传输层；当所述的第一传输层为空穴传输层时，所述的第二传输层为电子传输层。
所述的叠层复合分布布拉格反射器替换为复合分布布拉格反射器。
优选地，所述的叠层复合分布布拉格反射器是由复合分布布拉格反射器叠加而成，叠加后的复合分布布拉格反射器层数为2～11层。
优选地，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器复合而成，复合的层数是3层，每一层代表一个反射中心波长。
优选地，所述的分布布拉格反射器是由高折射率的薄膜介质和低折射率的薄膜介质叠加而成，所述的低折射率的薄膜介质在底部，所述的高折射率的薄膜介质在顶部。
优选地，所述的低折射率的薄膜介质是LiF，所述的高折射率的薄膜介质是MoO3。
优选地，所述电子传输层材料为ZnO，所述的空穴传输层材料为MoO3或PEDOT。
优选地，所述的一层LiF薄膜的厚度为100nm～200nm，所述的一层MoO3薄膜的厚度为100nm～200nm。
优选地，所述的光活性层为电子给体和电子受体复合薄膜，电子给体为PTB7-Th,电子受体为IEICO-4F。
优选地，所述的背电极材料为Ag。
基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤一：提供玻璃衬底和ITO电极；
步骤二：在ITO电极上旋涂有机溶液，形成第一传输层，所述的有机溶液为ZnO溶液或PEDOT，有机溶液为ZnO溶液时第一传输层为电子传输层；有机溶液为PEDOT，第一传输层为空穴传输层；
步骤三：在第一传输层上旋涂有机混合溶液，形成光活性层；所述的有机混合溶液为PTB7-Th和IEICO-4F，质量比为1：1.5；
步骤四：将金属氧化物蒸镀在光活性层，形成第二传输层，然后将金属蒸镀在第二传输层，形成背电极；所述金属氧化物为ZnO或MoO3，当金属氧化物为ZnO时，第二传输层为电子传输层；当金属氧化物为MoO3，第二传输层为空穴传输层；背电极的金属为Ag；
步骤五：将低折射率薄膜介质蒸镀在背电极上，再将高折射率薄膜介质蒸镀在低折射率薄膜介质上，形成分布布拉格反射器；
步骤六：将步骤五进行重复制备，即可形成叠层复合分布布拉格反射器，即制得基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池；
所述的第一传输层为电子传输层或空穴传输层，当所述的第一传输层为电子传输层时，所述的第二传输层为空穴传输层；当所述的第一传输层为空穴传输层时，所述的第二传输层为电子传输层。
本发明的增益效果为：本发明设计的基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池，所述的叠层复合分布布拉格反射器由复合分布布拉格反射器叠加构成，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器复合而成。通过调节高折射率和低折射率的薄膜介质的厚度，可以调节分布布拉格反射器的反射中心波长，可以扩大光活性层的吸收带宽，使活性层吸收范围的光子反射回去，对透过的光子进行再次的利用，提升电池器件的光吸收率和光电流。通过调节复合分布布拉格反射器的叠加层数，可以提高对光活性层的反射强度，增加光活性层对光子的再次利用的效率。从而达到提高电池器件的吸收强度和光电转换效率，实现同时平衡光子的吸收和透射。
附图说明
图1为本发明的半透明有机太阳能电池器件结构示意图；
图2为本发明的半透明有机太阳能电池中的叠层复合分布布拉格反射器的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
图1为本发明的基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池结构示意图。如图1所示，半透明有机太阳能电池包括玻璃衬底，ITO电极，第一传输层，光活性层，第二传输层和背电极，背电极上设有叠层复合分布布拉格反射器。
图2为本发明的半透明有机太阳能电池中的叠层复合分布布拉格反射器的结构图。如图2所示，叠层复合分布布拉格反射器由复合分布布拉格反射器叠加构成，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器(DBR)构成，所述的DBR有高折射率的薄膜介质和低折射率的薄膜介质叠加而成，低折射率的薄膜介质在反射器的底部，高折射率的薄膜介质在反射器的顶部。
实施例1
该基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池为倒置型器件，此时第一传输层为电子传输层，而第二层传输层为空穴传输层，叠层复合分布布拉格反射器的叠加层数是1层，制备步骤如下。
(1)把镀有ITO电极的玻璃基底，依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
(2)采用旋涂法将ZnO溶液旋涂到ITO电极上，制作电子传输层，ZnO的厚度控制在20nm。
(3)在ZnO的表面旋涂PTB7-Th和IEICO-4F混合溶液，PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1：1.5，得到一层厚度为110nm的PTB7-Th和IEICO-4F混合膜(光活性层)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100℃，退火时间为10分钟。
(4)在PTB7-Th：IEICO-4F光活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的MoO3作为空穴传输层。
(5)在空穴传输层上真空蒸镀上一层150nm厚的Ag作为背电极。
(6)在背电极的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第一层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在138nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在112nm，对应的反射的是750nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第二层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在148nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在119nm，对应的反射的是800nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第三层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在157nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在126nm，对应的反射的是850nm的光波段。
制得基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池，其光电转换效率为8.82％，透射率为28.5％。
实施例2
该基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池为倒置型器件，此时第一传输层为电子传输层，而第二层传输层为空穴传输层，叠层复合分布布拉格反射器的叠加层数是3层，制备步骤如下。
(1)把镀有ITO电极的玻璃基底，依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
(2)采用旋涂法将ZnO溶液旋涂到ITO电极上，制作电子传输层，ZnO的厚度控制在20nm。
(3)在ZnO的表面旋涂PTB7-Th和IEICO-4F混合溶液，PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1：1.5，得到一层厚度为110nm的PTB7-Th和IEICO-4F混合膜(光活性层)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100℃，退火时间为10分钟。
(4)在PTB7-Th：IEICO-4F光活性层上真空蒸镀上一层8nm厚的MoO3作为空穴传输层。
(5)在空穴传输层上真空蒸镀上一层150nm厚的Ag作为背电极。
(6)在背电极的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第一层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在148nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在119nm，对应的反射的是800nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第二层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在157nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在126nm，对应的反射的是850nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第三层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在167nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在133nm，对应的反射的是900nm的光波段。
(7)在第一层复合分布布拉格反射器的表面制备第二层复合分布布拉格反射器，制备过程同步骤6。
(8)在第二层复合分布布拉格反射器的表面制备第三层复合分布布拉格反射器，制备过程同步骤6。
制得基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池，其光电转换效率为11.28％，透射率为22％。
实施例3
该基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池为正置型器件，此时第一传输层为电子传输层，而第二层传输层为空穴传输层，叠层复合分布布拉格反射器的叠加层数是10层，制备步骤如下。
(1)把镀有ITO电极的玻璃基底，依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
(2)采用旋涂法将PEDOT溶液旋涂到ITO电极上，制作空穴传输层，PEDOT的厚度控制在30nm。
(3)在PEDOT的表面旋涂PTB7-Th和IEICO-4F混合溶液，PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1：1.5，得到一层厚度为110nm的PTB7-Th和IEICO-4F混合膜(光活性层)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100℃，退火时间为10分钟。
(4)在PTB7-Th：IEICO-4F光活性层上真空蒸镀上一层20nm厚的ZnO作为电子传输层。
(5)在电子传输层上真空蒸镀上一层150nm厚的Ag作为背电极。
(6)在背电极的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第一层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在157nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在126nm，对应的反射的是850nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第二层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在167nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在133nm，对应的反射的是900nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第三层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在176nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在140nm，对应的反射的是950nm的光波段。
(7)在第一层复合分布布拉格反射器的表面制备第二层复合分布布拉格反射器，在第二层复合分布布拉格反射器的表面制备第三层复合分布布拉格反射器，如此同样的制备过程操作数次，直至制备完成第十层复合分布布拉格反射器为止。
制得基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池，其光电转换效率为11.4％，透射率为21.8％。
实施例4
该基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池为正置型器件，此时第一传输层为电子传输层，而第二层传输层为空穴传输层，制备步骤如下。
(1)把镀有ITO电极的玻璃基底，依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
(2)采用旋涂法将PEDOT溶液旋涂到ITO电极上，制作空穴传输层，PEDOT的厚度控制在30nm。
(3)在PEDOT的表面旋涂PTB7-Th和IEICO-4F混合溶液，PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1：1.5，得到一层厚度为110nm的PTB7-Th和IEICO-4F混合膜(光活性层)，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100℃，退火时间为10分钟。
(4)在PTB7-Th：IEICO-4F光活性层上真空蒸镀上一层20nm厚的ZnO作为电子传输层。
(5)在电子传输层上真空蒸镀上一层150nm厚的Ag作为背电极。
(6)在背电极的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第一层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在157nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在126nm，对应的反射的是850nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第二层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在167nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在133nm，对应的反射的是900nm的光波段；在MoO3的表面上制备第一层复合分布布拉格反射器的第三层分布布拉格反射器，制备LiF薄膜，LiF的厚度控制在176nm，在LiF的表面制备MoO3，MoO3的厚度控制在140nm，对应的反射的是950nm的光波段。
制得基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池，其光电转换效率为11.1％，透射率为21％。
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，由下至上依次包括玻璃衬底以及依次位于所述玻璃衬底上的ITO电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和背电极，其特征在于：所述的背电极上设有叠层复合分布布拉格反射器，所述的叠层复合分布布拉格反射器由复合分布布拉格反射器叠加构成，所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器构成；所述的第一传输层为电子传输层或空穴传输层，当所述的第一传输层为电子传输层时，所述的第二传输层为空穴传输层；当所述的第一传输层为空穴传输层时，所述的第二传输层为电子传输层。
2.根据权利要求1所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，其特征在于：所述的叠层复合分布布拉格反射器替换为复合分布布拉格反射器。
3.根据权利要求1所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，其特征在于：所述的叠层复合分布布拉格反射器是由复合分布布拉格反射器叠加而成，叠加后的复合分布布拉格反射器层数为2～11层。
4.根据权利要求1或3所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，其特征在于：所述的复合分布布拉格反射器是由不同反射中心的分布布拉格反射器复合而成，复合的层数是3层。
5.根据权利要求4所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，其特征在于：所述的分布布拉格反射器是由高折射率的薄膜介质和低折射率的薄膜介质叠加而成，所述的低折射率的薄膜介质在底部，所述的高折射率的薄膜介质在顶部。
6.根据权利要求5所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，其特征在于，所述的低折射率的薄膜介质是LiF，所述的高折射率的薄膜介质是MoO3。
7.根据权利要求6所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池，其特征在于，所述的一层LiF薄膜的厚度为100nm～200nm，所述的一层MoO3薄膜的厚度为100nm～200nm。
8.根据权力要求1所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤一：提供玻璃衬底和ITO电极；
步骤二：在ITO电极上旋涂有机溶液，形成第一传输层，所述的有机溶液为ZnO溶液或PEDOT，有机溶液为ZnO溶液时第一传输层为电子传输层；有机溶液为PEDOT，第一传输层为空穴传输层；
步骤三：在第一传输层上旋涂有机混合溶液，形成光活性层；所述的有机混合溶液为PTB7-Th和IEICO-4F，质量比为1：1.5；
步骤四：将金属氧化物蒸镀在光活性层，形成第二传输层，然后将金属蒸镀在第二传输层，形成背电极；所述金属氧化物为ZnO或MoO3，当金属氧化物为ZnO时，第二传输层为电子传输层；当金属氧化物为MoO3，第二传输层为空穴传输层；背电极的金属为Ag；
步骤五：将低折射率薄膜介质蒸镀在背电极上，再将高折射率薄膜介质蒸镀在低折射率薄膜介质上，形成分布布拉格反射器；
步骤六：将步骤五进行重复制备，即可形成叠层复合分布布拉格反射器，即制得基于分布布拉格反射器的半透明有机太阳能电池；
所述的第一传输层为电子传输层或空穴传输层，当所述的第一传输层为电子传输层时，所述的第二传输层为空穴传输层；当所述的第一传输层为空穴传输层时，所述的第二传输层为电子传输层。
9.根据权力要求7所述的基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的背电极的金属为Ag的厚度为150nm。
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