CN113285036A - 一种有机光伏器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种有机光伏器件及其制作方法，制作方法包括：在基板上镀设TCO并对TCO图案化，形成用于对TCO分节的多个间隙；在TCO上形成绝缘填充物，将TCO表面平坦化并抛光，使各间隙填充绝缘填充物；制作OPV有机层并在OPV有机层开孔，其中各间隙的上方均设有与其部分重叠且与OPV有机层部分重叠的开孔；在OPV有机层上方制作阴极。本发明中，OPV有机材料在平坦表面成膜，有利于膜厚控制，有利于减少材料浪费；基本杜绝PEDOT：PSS与TCO微短路，基本杜绝阴极与阳极TCO微短路，提升器件能量转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种有机光伏器件及其制作方法。
背景技术
在电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，且环境问题成为制约社会发展的主要因素下，以太阳能电池(solar cell)为代表的清洁能源技术日益受到世界各国的重视。OPV(organicphotovoltaic，有机光伏)器件作为太阳能电池的重要分支，具有能量转化效率高(室外环境下转化率大于18％)、成本低、可柔性化生产等优点。目前，OPV的商业化导入正如火如荼的展开，器件结构也已基本固定，如图1所示，透明导电氧化物2’(TransparentConductive Oxide，TCO)作为阳极，OPV3’包含有机层和阴极4’，有机层具体包括HIL31’、AL32’和ETL层33’，而PEDOT：DSS作为阳极修饰层及空穴传输层(HIL)，活性层(AL)及电子传输层(ETL)为OPV的核心，活性层(AL)及电子传输层(ETL)的研究结构会有所不同。
实际应用过程中，电池需要分节、制作成多节OPV3’串联的结构，典型结构如图2、图3所示。OPV3’有机层中的AL32’、ETL33’材料价格昂贵，因此OPV3’有机层需做到较薄，一般＜0.5μm。但是这样，如图4所示，制作在OPV3’的微凹坑处的阴极4’与阳极TCO2’线条侧面尖峰处的距离小于OPV3’有机层，容易形成微短路。特别地，作为导电聚合物的PEDOT：DSS(HTL层)与TCO2’可能发生导通，导致暗电流大，严重影响了OPV器件的能量转化效率。
发明内容
本发明公开一种有机光伏器件及其制作方法，用于解决现有技术中，有机光伏器件的能量转化效率较低的问题。
为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
提供一种有机光伏器件的制作方法，包括步骤：
步骤S10，在基板上镀设TCO并对TCO图案化，形成用于对TCO分节的多个间隙；
步骤S20，在TCO上形成绝缘填充物，将TCO表面平坦化并抛光，使各所述间隙填充所述绝缘填充物；
步骤S30，制作OPV有机层并在OPV有机层开孔，其中各所述间隙的上方均设有与其部分重叠且与所述OPV有机层部分重叠的开孔；
步骤S40，在OPV有机层上方制作阴极。
可选的，所述绝缘填充物为OC、PI、聚硅氧烷或硅酸盐，且所述绝缘填充物采用Spin或Slit方式涂布。
可选的，所述绝缘填充物在涂布过程中的溶液粘度小于10cps。
可选的，所述绝缘填充物为SiNx或SiO2，且所述绝缘填充物采用PECVD法成膜。
可选的，所述绝缘填充物的成膜厚度为TCO厚度的1.5～3倍。
可选的，所述开孔与TCO的重叠宽度不小于1μm，且所述开孔与所述绝缘填充物的重叠宽度不小于1μm。
可选的，所述开孔的形状为矩形或扇环形。
还提高一种根据上述中任一项所述方法制作的有机光伏器件，包括：
基板；
TCO，所述TCO镀设在所述基板且设有用于分节的多个间隙；
绝缘填充物，所述绝缘填充物填充在各所述间隙，且所述绝缘填充物的上表面与所述TCO的上表面平齐；
HIL，所述HIL镀设在所述TCO和所述绝缘填充物上；
OPV有机层，所述OPV有机层镀设在所述HIL和所述TCO上，设有部分与所述间隙重叠且部分与所述TCO重叠的开孔；
阴极，所述阴极镀设在所述OPV有机层上。
可选的，所述绝缘填充物为OC、PI、聚硅氧烷、硅酸盐、SiNx或SiO2。
可选的，所述开孔与TCO的重叠宽度不小于1μm，且所述开孔与所述绝缘填充物的重叠宽度不小于1μm。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
OPV材料在平坦表面(在TCO和绝缘填充物的表面)成膜，有利于膜厚控制，有利于减少材料浪费。
基本杜绝PEDOT:PSS与TCO微短路，提升器件能量转化效率。
基本杜绝阴极与阳极TCO微短路，提升器件能量转化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术公开的有机光伏器件的膜层结构示意图；
图2为现有技术公开的有机光伏器件的平面结构示意图；
图3为图2的A-A剖面图；
图4为图3的B部放大图；
图5为本发明实施例公开的有机光伏器件的方法流程图；
图6为本发明实施例公开的有机光伏器件的制作流程图。
其中，附图1-6中具体包括下述附图标记：
TCO-2’；OPV-3’；HIL-31’；AL-32’，ETL-33’；阴极-4’；
基板-1；TCO-2；间隙-21；OPV有机层-3；开孔-31；阴极-4；绝缘填充物-5。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的有机光伏器件的制作方法，如图5、图6a-6e所示，具体包括如下步骤：
步骤S10，在基板1上镀设TCO2并对TCO2图案化，形成用于对TCO2分节的多个间隙21；
步骤S20，在TCO2上形成绝缘填充物5，将TCO2表面平坦化并抛光，使各间隙21填充绝缘填充物5；
步骤S30，制作OPV有机层3并在OPV有机层3开孔31，其中各间隙21的上方均设有与其部分重叠且与OPV有机层3部分重叠的开孔31；
步骤S40，在OPV有机层3上方制作阴极4。
通过该方法制作的有机光伏器件，位于绝缘填充物5正上方的OPV有机层3，其上表面呈平整的平面，使在OPV有机层3上镀设阴极4时，位于绝缘填充物5正上方的阴极4，其下表面呈平整的平面，由OPV有机层3间隔阴极4和TCO2，使阴极4距离OPV有机层3凸尖的距离较远。TOC 2表面平坦化后，使昂贵的AL、ETL材料就不会因为填充到TOC2的间隙而浪费，增大AL、ETL的材料利用率，另外，平坦表面有利于成膜及膜厚控制。
抛光控制了TCO 2表面的粗糙度，即使得微尖峰的高度变小，阴阳极之间的短路概率大大降低。当电流从例如图6d中右侧流入，依次经各节的阴极4、TCO2和OPV有机层3流动时，减小了阴阳极短路概率，规避了不同节OPV有机层3所在的TCO2线条之间的短路，有利于提高OPV有机层3的能量转化效率。
在步骤S10中，基板1为透明材料，其材质可以为玻璃，也可以为透明绝缘聚合物，如PI(Polyimide，聚酰亚胺)、PET(Polyethylene terephthalate，聚苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMA(Polymethylmethacrylic聚甲基丙烯酸甲酯)或TAC(Triacetatecellulose，三醋酸纤维素)等。
TCO2的材质可以为ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)、IZO(Indium Zinc Oxide，氧化铟锌)或AZO(掺铝的氧化锌)。TCO2的成膜厚度可以与通常的相同，成膜方式也可以与通常的相同。TCO2的分节数量可以根据需求具体设定，例如4节或者4节以上。当TCO2的分节数量为例如4节时，在TCO2上形成3个间隙21。
步骤S20中，绝缘填充物5可以为OC(Overcoating)、PI、聚硅氧烷或硅酸盐等，该类绝缘填充物5可采用Spin、Slit等方式涂布，且涂布的溶液粘度优选小于10cps，成本低，成膜均匀。绝缘填充物5的材质还可以为SiNx或SiO2等，该类绝缘填充物5优选PECVD法镀膜，成膜均匀。
无论何种材质的绝缘填充物5，在TCO2上形成绝缘填充物5时，先在间隙21中填充绝缘填充物5，然后再整体在TCO2上方和绝缘填充物5上方继续形成绝缘填充物5，使形成的绝缘填充物5表面大致呈平面状。且无论何种材质的绝缘填充物5，其成膜膜厚为TCO2膜厚的1.5～3倍，即对TCO2表面平坦化之前，绝缘填充物5的整体厚度为TCO2膜厚的1.5～3倍，使绝缘填充物5的最低厚度大于TCO2的膜厚，从而保证抛光后的表面能形成平面。
TCO2可以经化学机械平坦化(Chemical-Mechanical Planarization，CMP)法将使其表面平坦化，基本完全研磨掉TCO2表面的绝缘填充物5，仅保留间隙21中的绝缘填充物5。然后对TCO2进行抛光。其中，抛光垫选择饱和的聚亚胺的聚酯垫和多孔性PU(polyurethane，聚氨酯)垫依次抛光，聚酯垫的抛光均匀性好，PU垫的抛光平坦度好。抛光剂可以为含10～30％粒径在100nm左右的SiO2颗粒的水溶液。抛光后TCO2的表面粗糙度优选小于1nm，但随着OPV有机层3厚度的加厚，TCO2的表面粗糙度要求可适当降低，比如OPV有机层3厚度达到0.6μm，TCO2的表面粗糙度可要求小于3nm。
步骤S30中，OPV有机层3包括HIL、AL和ETL层。OPV有机层3未开孔31前，HIL层从一节TCO2，经绝缘填充物5后，延伸至相邻节TCO2。HIL层的厚度及在各节TCO2上方的长度可以根据需求具体设定。
OPV有机层3开孔31位于TCO2线条边缘并延伸到间隙21，且不到达间隙21的另一端，以保证阴极4与OPV有机层3开孔31处的TCO2完全搭接，并保证OPV有机层3不与TCO2搭接。考虑实际应用时的导通及绝缘效果，如图6d所示，优选开孔31与TCO2的重叠宽度m不小于1μm，且开孔31与绝缘填充物5的重叠宽度n不小于1μm。
开孔31的形状可以为矩形或扇环形，结构简单，便于加工制造。矩形开孔31的上端可以倒圆角，也可以不倒圆角。扇环形的弯曲方向朝向TCO2多个间隔排布方向中两个相反的其中一个方向。开孔31方法优选物理表面划线，即用一定宽度的刀头将软质OPV有机层3划断，使TCO2裸露，该方法成本低，操作简单。当然，开孔31方法也可以为激光烧蚀。
步骤S40中，阴极4可以是Al或Ag等高反射率金属，也可以是Mg:Ag合金或Mg:Ag/A的复合结构。
本发明的根据上述方法制作的有机光伏器件，如图6e所示，包括基板1、TCO2、绝缘填充物5、HIL、OPV有机层3和阴极4，其中TCO2镀设在基板1且设有用于分节的多个间隙21，绝缘填充物5填充在各间隙21且绝缘填充物5的上表面与TCO2上表面基本平齐，HIL镀设在TCO2和绝缘填充物5上，OPV有机层3镀设在HIL和TCO2上，设有部分与间隙21重叠且部分与TCO2重叠的开孔31，阴极4镀设在OPV有机层3上。
在该有机光伏器件中，位于绝缘填充物5正上方的OPV有机层3，其上表面呈平整的平面，使在OPV有机层3上镀设阴极4时，位于绝缘填充物5正上方的阴极4，其下表面呈平整的平面，由OPV有机层3间隔阴极4和TCO2，使阴极4距离OPV有机层3凸尖的距离较远。
TOC 2表面平坦化后，使昂贵的AL、ETL材料就不会因为填充到TOC 2的间隙而浪费，增大AL、ETL的材料利用率，另外，平坦表面有利于成膜及膜厚控制。
抛光控制了TCO2表面的粗糙度，即使得微尖峰的高度变小，阴阳极之间的短路概率大大降低。当电流从例如图6e中右侧流入，依次经各节的阴极4、TCO2和OPV有机层3流动时，减小了阴阳极短路概率，规避了不同节OPV有机层3所在的TCO2线条之间的短路，有利于提高OPV有机层3的能量转化效率。
基板1为透明材料，其材质可以为玻璃，也可以为透明绝缘聚合物，如PI(Polyimide，聚酰亚胺)、PET(Polyethylene terephthalate，聚苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMA(Polymethylmethacrylic聚甲基丙烯酸甲酯)或TAC(Triacetatecellulose，三醋酸纤维素)等。
TCO2的材质可以为ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)、IZO(Indium Zinc Oxide，氧化铟锌)或AZO(掺铝的氧化锌)。TCO2的成膜厚度可以与通常的相同，成膜方式也可以与通常的相同。TCO2的分节数量可以根据需求具体设定，例如4节或者4节以上。当TCO2的分节数量为例如4节时，在TCO2上形成3个间隙21。
绝缘填充物5可以为OC、PI、聚硅氧烷、硅酸盐、SiNx或SiO2等，成本低，成膜均匀性较好。绝缘填充物5为OC、PI、聚硅氧烷或硅酸盐时，该类绝缘填充物5可采用Spin、Slit等方式涂布，且涂布的溶液粘度优选小于10cps，成本低，成膜均匀。绝缘填充物5的材质为SiNx或SiO2时，该类绝缘填充物5优选PECVD法镀膜，成膜均匀。
无论何种材质的绝缘填充物5，其成膜膜厚为TCO2膜厚的1.5～3倍，即对TCO2表面平坦化之前，绝缘填充物5的整体厚度为TCO2膜厚的1.5～3倍，使绝缘填充物5的最低厚度大于TCO2的膜厚，从而保证抛光后的表面能形成平面。
OPV有机层3包括HIL、AL和ETL层。OPV有机层3未开孔31前，HIL层从一节TCO2，经绝缘填充物5后，延伸至相邻节TCO2。HIL层的厚度及在各节TCO2上方的长度可以根据需求具体设定。OPV有机层3开孔31与TCO2的重叠宽度m不小于1μm，且开孔31与绝缘填充物5的重叠宽度n不小于1μm，以保证导通及绝缘效果。开孔31的形状可以为矩形或扇环形，结构简单，便于加工制造。矩形开孔31的上端可以倒圆角，也可以不倒圆角。扇环形的弯曲方向朝向TCO2多个间隔的两个相反排布方向中的其中一个方向。开孔31方法优选物理表面划线，即用一定宽度的刀头将软质OPV有机层3划断，使TCO2裸露，该方法成本低，操作简单。当然，开孔31方法也可以为激光烧蚀。
阴极4可以是Al或Ag等高反射率金属，也可以是Mg:Ag合金或Mg:Ag/A的复合结构。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种有机光伏器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S10，在基板上镀设TCO并对TCO图案化，形成用于对TCO分节的多个间隙；
步骤S20，在TCO上形成绝缘填充物，将TCO表面平坦化并抛光，使各所述间隙填充所述绝缘填充物；
步骤S30，制作OPV有机层并在OPV有机层开孔，其中各所述间隙的上方均设有与其部分重叠且与所述OPV有机层部分重叠的开孔；
步骤S40，在OPV有机层上方制作阴极。
2.根据权利要求1所述的有机光伏器件的制作方法，其特征在于，所述绝缘填充物为OC、PI、聚硅氧烷或硅酸盐，且所述绝缘填充物采用Spin或Slit方式涂布。
3.根据权利要求2所述的有机光伏器件的制作方法，其特征在于，所述绝缘填充物在涂布过程中的溶液粘度小于10cps。
4.根据权利要求1所述的有机光伏器件的制作方法，其特征在于，所述绝缘填充物为SiNx或SiO2，且所述绝缘填充物采用PECVD法成膜。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的有机光伏器件的制作方法，其特征在于，所述绝缘填充物的成膜厚度为TCO厚度的1.5~3倍。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的有机光伏器件的制作方法，其特征在于，所述开孔与TCO的重叠宽度不小于1μm，且所述开孔与所述绝缘填充物的重叠宽度不小于1μm。
7.根据权利要求6所述的有机光伏器件的制作方法，其特征在于，所述开孔的形状为矩形或扇环形。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述方法制作的有机光伏器件，其特征在于，包括：
基板；
TCO，所述TCO镀设在所述基板且设有用于分节的多个间隙；
绝缘填充物，所述绝缘填充物填充在各所述间隙，且所述绝缘填充物的上表面与所述TCO的上表面平齐；
HIL，所述HIL镀设在所述TCO和所述绝缘填充物上；
OPV有机层，所述OPV有机层镀设在所述HIL和所述TCO上，设有部分与所述间隙重叠且部分与所述TCO重叠的开孔；
阴极，所述阴极镀设在所述OPV有机层上。
9.根据权利要求8所述的有机光伏器件，其特征在于，所述绝缘填充物为OC、PI、聚硅氧烷、硅酸盐、SiNx或SiO2。
10.根据权利要求8所述的有机光伏器件，其特征在于，所述开孔与TCO的重叠宽度不小于1μm，且所述开孔与所述绝缘填充物的重叠宽度不小于1μm。
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