CN201213141Y - 双面有机薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

一种内含有机光活性半导体功能薄膜的双面有机薄膜太阳能电池。它包括UV保护层、增透光层、玻璃基板或透明塑料板、透明上电极、有机光活性层、金属下电极、绝缘隔离壁、有机和无机材料复合覆盖保护层、引出电极等部件。本实用新型可以利用双面采光、多部件、多种结构的组合来优化和增加光吸收率、光电转化率以及增加电压和电流的输出特性，其优点是：成本低、重量轻、适宜大面积生产、吸收光谱宽、可柔性化及光转化效率明显并具有发掘潜力。本实用新型发明适合应用于野外、边远地区自然村落、游牧民生活、军事、地质、林业、矿山、旅游、航海等诸多领域。

Description

双面有机薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能电池，特别涉及一种内含有机光活性半导体功能薄膜层的双面有机薄膜太阳能电池及其2种实施组装结构。

背景技术

目前的太阳能光伏电池技术主要是基于硅半导体的单晶硅、多晶硅和非晶硅等光伏电池，虽然技术较为成熟，但硅材料制造能耗大、生产成本居高不下，因而不能大规模地推广和应用，特别在发展中国家。因此，要从根本上解决人类目前面临的能源危机，开发利用巨大的取之不尽的太阳能能源，就必须设法降低太阳能电池成本，寻找和开发新一代更廉价和经济的太阳能电池材料和技术。

目前国际上正兴起一股研究和开发有机导电材料的热潮，新发现的一些有机分子材料，特别是某些高分子聚合物材料具有良好的半导体特性，与无机半导体相比，这类有机半导体材料具有成本低、吸收光谱宽，制作工艺简单等特点，可以通过真空热蒸镀、旋转涂覆及喷膜印刷等多种方法制作成耗料极少的薄膜。因此，可以制作出大面积、低成本、轻薄、可卷曲以及可以方便携带的有机薄膜太阳能电池并开发出多方面的用途。

但目前有机薄膜太阳能电池的光电转换率还不如无机硅太阳能电池，需要进一步的提高。有机太阳能电池的光电转化过程主要包括：光子吸收、激子或称电子-空穴对扩散、电荷传输、电荷收集等四个步骤，其中对总光电转化率影响较大的是光的吸收率和激子的扩散率。

发明内容

为克服有机薄膜太阳能电池目前光电转化率偏低的缺点，本实用新型通过采用双面采光和对有机太阳能电池的多个部件结构的多种结构设计以及多种结构的组合形成的优化方案，可以明显提高有机太阳能电池的光电转化效率以及提高光伏电池实用性的电流输出和电压输出。大大拓展了有机太阳能电池在户外、野外等无电力条件下的使用，并可以更广泛地应用到农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术实施方案及双面有机薄膜太阳能电池的多种组装方案如下：

技术实施方案A：所提供的双面有机薄膜太阳能电池包括UV保护层、增透光层、有机和无机材料复合封装覆盖层、透明上电极、有机光活性材料层、金属下电极、绝缘隔挡壁和玻璃或透明塑料基板等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上表面和下表面上各设有一个共用基板结构的有机薄膜太阳能电池件，两个有机薄膜太阳能电池件均由自内向外依次层叠设置的金属下电极、有机光活性材料层和透明上电极组成，透明上电极和金属下电极间通过绝缘隔挡壁相阻隔，引出电极分别由透明上电极和金属下电极引出，在基板两边的两个有机薄膜太阳能电池件外各包设有一个有机和无机材料复合封装覆盖层，在复合封装覆盖层外依次叠层设置有一层增透光层和一层UV保护层。实际制作中，在玻璃或透明塑料基板上表面依次层叠制作出金属下电极、有机光活性材料层、透明上电极、有机和无机材料复合封装覆盖层、增透光层和UV保护层制作成上表面有机薄膜太阳能电池，然后再按同样方式在玻璃或透明塑料基板下表面依次层叠制作出金属下电极、有机光活性材料层、透明上电极、有机和无机材料复合封装覆盖层、增透光层和UV保护层制作成下表面有机薄膜太阳能电池就形成一种共用基板结构的新型双面有机薄膜太阳能电池。参见图2。

本使用新型的有机效果是：成本低，结构紧凑，可靠性高，重量轻，厚度薄，根据其不同部件的不同形状和结构，它又可以构成多种不同组装结构组合的双面有机薄膜太阳能电池优化和最大化光电转化率，两面电极并联可成倍提高输出电流。

技术实施方案B：所提供的双面有机薄膜太阳能电池包括UV保护层、增透光层、有机和无机材料复合封装覆盖层、透明上电极、有机光活性材料层、金属下电极、绝缘隔挡壁和玻璃或透明塑料基板等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上表面和下表面上各设有一个共用基板结构的有机薄膜太阳能电池件，两个有机薄膜太阳能电池件对称均由多个串联连接的有机薄膜太阳能电池单元组成，各电池单元自内向外依次均由层叠设置的透明上电极、有机光活性材料层和金属下电极构成，各电池单元的透明上电极和金属下电极间通过绝缘隔挡壁相阻隔，在水平方向各电池单元的正、负电极首尾相接串联，在两有机薄膜太阳能电池件外各包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层，在复合封装覆盖层外依次叠层设置有一层增透光层和一层UV保护层。实际制作中，在玻璃或透明塑料基板上表面依次层叠制作出金属下电极、有机光活性材料层、透明上电极、上、下电极和光活性有机材料层与引出电极之间设有绝缘隔挡壁，先制成多个有机薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元在水平方向上正、负电极首尾相接实现太阳能电池单元的串联，最后覆盖有机和无机材料复合封装覆盖层、增透光层和UV保护层制作成上表面有机薄膜太阳能电池，然后再按同样方式在玻璃或透明塑料基板下表面依次层叠制作出金属下电极、有机光活性材料层、透明上电极、上、下电极和光活性有机材料层与引出电极之间设有绝缘隔挡壁，先制成多个有机薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元在水平方向上正、负电极首尾相接实现太阳能电池单元的串联，最后覆盖有机和无机材料复合封装覆盖层、增透光层和UV保护层制作成下表面有机薄膜太阳能电池就形成一种共用基板结构的新型双面有机薄膜太阳能电池。参见图3。

本使用新型的有机效果是：结构紧凑，成本低，可靠性高，重量轻，厚度薄，根据其不同部件的不同形状和结构，它又可以构成多种不同组装结构组合的双面有机薄膜太阳能电池优化和最大化光电转化率，单面薄膜电池可成倍提高输出电压，两面并联又可成倍提高输出电流。

附图说明

图1是无机硅太阳能电池的典型结构图。

图2是本实用新型组装结构1，即基本组装结构图。

图3是本实用新型组装结构2，是基本组装结构在水平方向正、负电极首尾相接而形成的串联结构图。

图4是本实用新型的增透光层的结构图。

图5是本实用新型的透明上电极的一维、二维和三维结构图。

图6是本实用新型的光活性有机材料层的三种结构图。

图7是本实用新型的有机和无机材料覆盖保护层的结构图。

图8是本实用新型的UV保护层的聚光特性表面结构图。

01   玻璃基板

02   透明电极

03   P型半导体

04   N型半导体

05   金属电极

1    增透光层

2    玻璃或透明塑料基板

3    透明上电极

4-   光活性有机材料层

5    金属下电极

6    有机和无机材料复合封装覆盖层

7    绝缘隔挡壁

8    引出电极

9-   UV保护层

11   低折射率光密媒质

12   中折射率光密媒质

13   高折射率光密媒质

31   一维结构透明上电极

32-  二维结构透明上电极

33-  三维结构透明上电极

41   电子受体型和电子给体型混合一体结构光活性有机材料层

42   电子受体型型光活性有机材料层

43-  电子给体型光活性有机材料层

61   有机材料覆盖层

62   无机材料覆盖层

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本实用新型的各实施例。

双面有机薄膜太阳能电池组装结构1实施例

在图2中，在玻璃或透明塑料基板2的上表面依次层叠制作出金属下电极5、有机光活性材料层4、透明上电极3、绝缘隔挡壁7、引出电极8、有机和无机材料复合封装覆盖层6、增透光层1和UV保护层9制作成上表面有机薄膜太阳能电池，然后再在共用的玻璃或透明塑料基板2的下表面依次层叠制作出金属下电极5、有机光活性材料层4、透明上电极3、绝缘隔挡壁7、引出电极8、有机和无机材料复合封装覆盖层6、增透光层1和UV保护层9制作成下表面有机薄膜太阳能电池就形成所述的一种双面有机薄膜太阳能电池。

本实用新型双面有机薄膜太阳能电池，成本低，结构紧凑，可靠性高，重量轻，厚度薄，同时又具有多种不同组装结构的组合性，可以通过不同部件多种结构的组合来进一步优化和最大化有机薄膜太阳能电池的光电转化率，两表面薄膜电池同性电极并联可成倍提高输出电流。拓展了它在农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域的应用。

双面有机薄膜太阳能电池组装结构2实施例

在图3中，在玻璃或透明塑料基板2上表面依次层叠制作出金属下电极5、有机光活性材料层4、透明上电极3、上、下电极和光活性有机材料层与引出电极之间设有绝缘隔挡壁7，先制成多个有机薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元在水平方向上正、负电极首尾相接实现太阳能电池单元的串联，最后制作好引出电极8、覆盖有机和无机材料复合封装覆盖层6、增透光层1和UV保护层9制作成上表面有机薄膜太阳能电池，然后再在共用的玻璃或透明塑料基板下表面依次层叠制作出金属下电极5、有机光活性材料层4、透明上电极3、上、下电极和光活性有机材料层与引出电极之间设有绝缘隔挡壁7，先制成多个有机薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元在水平方向上正、负电极首尾相接实现太阳能电池单元的串联，最后制作好引出电极8、覆盖有机和无机材料复合封装覆盖层6、增透光层1和UV保护层9制作成下表面有机薄膜太阳能电池就形成所述的一种双面有机薄膜太阳能电池。

本实用新型双面有机薄膜太阳能电池，成本低，结构紧凑，可靠性高，重量轻，厚度薄，同时又具有多种不同组装结构的组合性，可以通过不同部件多种结构的组合来进一步优化和最大化有机薄膜太阳能电池的光电转化率，各单面薄膜电池可成倍提高输出电压，两表面薄膜电池同性电极并联可成倍提高输出电流和电压。拓展了它在农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域的应用。

增透光层实施例

在图4中，按从下到上光密到光疏次序，依次层叠高折射率光密媒质13、中折射率光密媒质12和低折射率光密媒质11就制成了一个具有减反射光效果的多层增透光层1，光密媒质的层数可以是一层到三层。

透明上电极实施例

在图5中，透明上电极3可以制成一维平面结构电极31；或制成具有‘H’形或锯齿波形等透光间隙的二维平面结构电极32；或制成既具有透光间隙又具有‘V’形或半圆形等向下突出嵌入柱体的三维立体结构电极33，可以既增加透光性又增大上电极的接触面积。

有机光活性材料层实施例

在图6中，有机光活性材料层4可以制成由电子受体型光活性有机材料和电子给体型光活性有机材料相混合而成的一体结构单层41；或制成在电子给体型光活性有机材料层43上叠加一层电子受体型光活性有机材料层42而形成的双层一体结构；或制成在电子给体型光活性有机材料层43上叠加一层由电子受体型和电子给体型光活性有机材料相混合为一体结构的单层41后，再叠加上一层电子受体型光活性有机材料层42而形成的三层一体结构。

有机和无机材料复合封装覆盖层实施例

在图7中，在有机薄膜太阳能电池上整体覆盖一层有机材料层61，再整体覆盖上一层致密的无机材料层62就制成了一个有机和无机材料复合封装覆盖层6；或多次重复覆盖61层和62层形成一个2层以上的高致密和高隔离度的有机和无机材料复合封装覆盖层6。

UV保护层实施例

在图8中，在UV保护层的外表面上压制出许多微小凹坑就制成了具有光汇聚特性的UV保护层9。

具体实施中，本实用新型所述的双面有机薄膜太阳能电池各部件的多种不同结构均可以相互组合形成多个最优化和最大化光电转化率的双面有机薄膜太阳能电池优化结构方案，不逐一列举，均属于本实用新型的发明范围。

Claims (9)

1、一种双面有机薄膜太阳能电池，包括UV保护层(9)、增透光层(1)、有机和无机材料复合封装覆盖层(6)、透明上电极(3)、有机光活性材料层(4)、金属下电极(5)、绝缘隔挡壁(7)和玻璃或透明塑料基板(2)等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板(2)的上表面和下表面上各设有一个共用基板结构的有机薄膜太阳能电池件，两个有机薄膜太阳能电池件均由自内向外依次层叠设置的金属下电极(5)、有机光活性材料层(4)和透明上电极(3)组成，透明上电极(3)和金属下电极(5)间通过绝缘隔挡壁(7)相阻隔，引出电极(8)分别由透明上电极(3)和金属下电极(5)引出，在基板(2)两边的两个有机薄膜太阳能电池件外各包设有一个有机和无机材料复合封装覆盖层(6)，在复合封装覆盖层(6)外依次叠层设置有一层增透光层(1)和一层UV保护层(9)。

2、如权利要求1所述的双面机薄膜太阳能电池，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上、下表面所设的有机薄膜电池件的同性电极并联。

3、如权利要求1所述的双面有机薄膜太阳能电池，其特征是：在玻璃或透明塑料基板上表面和下表面上所设的有机薄膜太阳能电池件对称均由多个串联连接的有机薄膜太阳能电池单元组成，各电池单元自内向外依次均由层叠设置的透明上电极(3)、有机光活性材料层(4)和金属下电极(5)构成，各电池单元的透明上电极(3)和金属下电极(5)间通过绝缘隔挡壁(7)相阻隔，在水平方向各电池单元的正、负电极首尾相接串联，在两有机薄膜太阳能电池件外各包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层(6)，在复合封装覆盖层(6)外依次叠层设置有一层增透光层(1)和一层UV保护层(9)。

4、如权利要求3所述的双面机薄膜太阳能电池，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上、下表面所设的有机薄膜电池件的同性电极并联。

5、如权利要求1或3所述的双面有机薄膜太阳能电池，其特征是：双面有机薄膜太阳能电池的增透光层(1)均由1到3层按光疏媒质到光密媒质层依次层叠而成。

6、如权利要求1或3所述的一种双面有机薄膜太阳能电池，其特征是：双面有机薄膜太阳能电池的透明上电极(3)为一维平板结构电极，或为具有‘H’形或锯齿波形透光间隙的二维平板结构电极，或为既具有‘H’形或锯齿波形的透光间隙，又具有‘V’形或半圆形的向下突出嵌入柱体的三维立体结构电极。

7、如权利要求1或3所述的双面有机薄膜太阳能电池，其特征是：双面有机薄膜太阳能电池的光活性有机材料层(4)均为由电子受体型和电子给体型光活性有机材料混合为一体的单层结构；或为在电子给体型光活性有机材料层上叠加一层电子受体型光活性有机材料层而形成的双层结构；或为在电子受体型光活性有机材料层上依次叠加一层由电子受体型和电子受体型光活性有机材料混合层以及一层电子受体型光活性有机材料层形成的三层结构。

8、如权利要求1或3所述的双面有机薄膜太阳能电池，其特征是：双面有机薄膜太阳能电池的有机和无机材料复合封装覆盖层(6)的基本结构均是在一层有机材料层上再整体覆盖上一层致密的无机材料层而形成的双层结构，或是多次重复层叠设置此双层结构的复合封装覆盖层而形成2层以上的无机材料复合封装覆盖层。

9、如权利要求1或3所述的双面有机薄膜太阳能电池，其特征是：双面有机薄膜太阳能电池的UV保护层(9)均是一个外表面上压制出许多微小凹坑的有UV保护材料膜层。

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