CN202395045U

CN202395045U - 一种掺杂的有机太阳能电池

Info

Publication number: CN202395045U
Application number: CN 201120469555
Authority: CN
Inventors: 汪磊; 李毅; 姜希猛; 杨波; 王付然; 陈佩佩; 唐小林
Original assignee: Shenzhen Trony Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Trony Technology Development Co Ltd
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2021-11-23

Abstract

本实用新型涉及一种掺杂的有机太阳能电池，属太阳能电池技术领域，解决如何拓宽太阳能电池的光吸收范围，提高有机太阳能电池中电子和空穴的迁移率和收集效率等问题，设计一种新型有机太阳电池，其光活性层由有机电子给体材料、有机电子受体材料和无机纳米晶材料混合制成，且光活性层的上下表面分别设有阵列排布的柱体，拓宽了电池对光谱的吸收范围，增加了有机材料产生的载流子的迁移通道，提高了电池的转换效率。

Description

一种掺杂的有机太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种在光活性层中掺杂无机材料的有机太阳能电池，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

有机太阳能电池可以实现大面积制造，可使用柔性衬底，器件生产成本低，具有生态和经济上的优势，备受学术界与产业界的关注。有机太阳能电池是通过有机材料在光照下产生光激子，光激发不会直接产生自由的电荷载流子，而是产生称为激发子的电子-空穴对，再通过电子给体（P型）和电子受体（N型）材料的界面分离为自由的电荷载流子，由于光活性层的光谱响应范围和太阳光谱的不完全匹配问题、有机材料的载流子迁移率低，限制了光生载流子的传输及收集效率，使得有机太阳能电池光电转换效率仍然较低，为了提高光电转换效率，通过增加光活性层的厚度来增加光的传播路径，吸收更多的阳光获得多的光激子，但是光活性层的厚度的增加会导致内建电场变小，使得光活性层的激子难以分离成自由载流子。再者，在不增加光活性层厚度的情况下，对光活性层进行改进，形成阵列排布的圆柱，利用光子晶体的反光原理，增加了光在活性层中的传播路径，吸收更多的阳光获得多的光激子，虽然克服了增加厚度导致的自由载流子下降的问题，但由于有机材料本身载流子迁移率较低的限制，仍然不能满足商业化应用的要求。

相对于有机材料而言，无机半导体材料中的载流子迁移率较高，主要有两种形式，一种是将无机材料与有机材料进行掺杂，如2004年J.Janssen等人采用氧化锌纳米粒子和[2-甲氧基-5-（3，7-二甲基辛氧基）-对苯乙烯撑](MDMO-PPV)共混构造体异质结杂化太阳能电池（资料来源：Adv.Mater.2004,16,No.12 June 17），中国专利CN101640133A也是采用这样的技术，由于光活性层中无机纳米晶材料和有机光活性材料混合在一起，分离的电子也可快速通过无机纳米晶材料传输至阴极，从而提高了电子的传输与收集效率，但存在有机材料与无机材料不能完全匹配的问题，导致有机材料的载流子可利用无机材料的通道偏少；另一种是将无机材料嵌入有机材料中，如将氧化锌( ZnO) 纳米棒插入到太阳能器件的功能层中（资料来源：Solar Energy Materials & Solar Cells, 94(2010)182-186），增加了有机材料与无机材料的接触面积，增多了有机材料载流子的单方向迁移通道，但无法同时增加有机材料的电子、空穴传输至阴极和阳极的通道，不能真正有效提高电池的转换效率。

因此，如何拓宽太阳能电池的光吸收范围，提高有机太阳能电池中电子和空穴的迁移率和收集效率，并提高太阳能电池的转换效率，成为亟待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，设计一种掺杂无机材料的有机太阳能电池，通过拓宽太阳光的吸收范围，产生足够的载流子，并增大光活性层与电子传输层和空穴传输层的接触面积，增加迁移通道，提高转化效率。

为了实现以上任务，本实用新型采用的技术方案是：设计一种掺杂的有机太阳能电池，包括在透明基板上顺序层叠的透明阳极层、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极层，其特征在于所述光活性层由有机电子给体材料、有机电子受体材料和无机纳米晶材料混合制成，且光活性层的上下表面分别设有阵列排布的柱体，所述空穴传输层和电子传输层均设有与光活性层的柱体相对的沉孔。光活性层由有机电子给体材料、电子受体材料和有电子传输能力的无机纳米晶材料混合制成，通过纳米压印工艺，将光活性层的两面均生成柱体，两面的柱体分别伸入到相接触的空穴传输层和电子传输层，实现更多的载流子和更多的迁移通道，拓宽了太阳能电池的吸收范围，增加了能发生光电转换的给受体界面，

光活性层上下表面的柱体是圆柱或方柱。光活性层上下表面柱体的直径或边长为40-140 nm，高度为50-120 nm，相邻柱体的中心距为50-150 nm。空穴传输层和电子传输层的厚度大于光活性层的空穴柱体和电子柱体的高度。光活性层上下表面的柱体错位或正对排列，且光活性层上下表面的柱体分别嵌入电子传输层和空穴传输层的沉孔内。

光活性层的有机给体材料是聚噻吩及其衍生物如聚（3-己基）噻吩、酞菁染料、聚对亚苯基亚乙烯及其衍生物、并五苯、卟啉化合物菁染料中的一种或多种的混合物；有机电子受体材料是富勒烯或其衍生物；无机纳米晶为TiOx、ZnO、SnO₂中一种或者多种的混合物。

空穴传输层由Cu₂O、NiO、MoO₃、V₂O₅、WO₃中的一种制成。电子传输层由TiOx、ZnO、SnO₂中的一种制成。阴极层由Al、Ca、Ba中的一种制成，无机纳米晶为CdS或CdTe或CdSe。阳极层由ITO或AZO或FTO薄膜电极制成。

本实用新型产生的有益效果：太阳能电池的活性层中存在着两种活性界面，即有机给体材料与有机受体材料间的界面，和有机给体材料与光活性的无机纳米晶材料间的界面，在这两种界面上都能发生光电转换，产生更多的电子和空穴，本实用新型设计的太阳能电池相当于由具有相同给体材料，不同的受体材料的两个电池，即有机/有机太阳能电池与有机/无机杂化的太阳能电池并联而成，总的短路电流提高；二是本发明的太阳能电池中光活性物质有三种，比普通的有机太阳能电池和有机/无机杂化的太阳能电池都多了一种光活性物质，拓宽了太阳能电池的光谱响应范围，能吸收更多的太阳光；三是由于无机纳米晶在光活性层中形成连续网络结构，使得光生载流子既能通过有机材料迁移，也能通过无机纳米晶连续网络结构进行迁移，增加了载流子迁移通道，减少空穴和电子的复合，产生更多有效载流子；四是由于增加了光活性层与空穴传输层和电子传输层的接触面积，缩短了电子和空穴的传输路径，减少了空穴和电子的复合，同时提高电子和空穴的迁移率和收集效率，从而提高了电池的转换效率。

附图说明

图1：本实用新型的剖面结构示意图。

图2：本实用新型光活性层结构示意图。

图3：图2中的A向结构示意图。

图中：1、透明基板，2、透明阳极层，3、空穴传输层，4、光活性层，5、电子传输层，6、阴极层，401、表面层，402、空穴柱体，403、电子柱体。

具体实施方式

本实用新型的设计的有机太阳能电池结构为：在透明基板1顺序层叠的透明阳极层2、空穴传输层3、光活性层4、电子传输层5和阴极层6，其中光活性层4包括表面层401、空穴柱体402和电子柱体403，表面层401上有阵列排布的空穴柱体402和电子柱体403，空穴柱体402填充在空穴传输层3相应的沉孔内，电子柱体403充满电子传输层5相应的沉孔。

实施例1：

本实施例透明基板1为超白玻璃，透明阳极层2为氧化铟锡（ITO），空穴传输层3为氧化亚铜（Cu₂O），光活性层4为P3HT、PCBM与氧化锌纳米晶的混合物，电子传输层5为氧化锌（ZnO），阴极层6为金属铝（Al），其具体制作方法如下：

（1）在玻璃透明基板1溅射镀膜ITO透明阳极层2；

（2）将镀有ITO玻璃透明基板1依次用洗涤剂、去离子水反复清洗后，烘干待用；

（3）把清洗烘干后的ITO玻璃透明基板1放在匀胶机的托架上，通过过滤头将氧化亚铜（Cu₂O）乙二醇分散液均匀涂在ITO基板上，控制好匀胶转速与时间，在ITO表面形成一层氧化亚铜空穴传输层3，再将上面的玻璃透明基板1放入真空烘箱内加热除掉部分溶剂；采用纳米压印的方式在空穴传输层3上形成纳米阵列的沉孔，沉孔直径为40 nm，高度为50 nm，相邻沉孔中心距为50nm，然后烘干，冷却；

（4）配制P3HT与PCBM溶液，并与氧化锌纳米晶分散液混合，作为光活性层4的材料溶液；

（5）将经过步骤（3）制备的透明基板1放在匀胶机的托架上，将上面步骤（4）制备的混合液通过过滤头均匀涂在上述基板上面，控制好匀胶转速与时间，形成光活性层4，光活性层4的空穴柱体402除了将纳米阵列沉孔的空隙填满，在纳米阵列的上面形成表面层401，采用纳米压印的方式在光活性层4上形成纳米阵列的电子柱体403，柱体直径为40 nm，高度为50 nm，相邻柱体中心距为50 nm，再将上面的电池放入真空烘箱内加热烘干，冷却；

（6）通过过滤头氧化锌（ZnO）分散液滴在基板上的活性层4上，控制好匀胶转速与时间，使氧化锌除了填满纳米阵列的电子柱体403外，形成电子传输层5；

（7）真空蒸镀铝膜，形成阴极层6，进行退火处理得到有机太阳能电池。

实施例2：

与实施例1相比，空穴传输层3用氧化镍（NiO），光活性层4为P3HT、PCBM与氧化锡纳米晶的混合物，电子传输层5为氧化锡，制作方法中，将实施例1中的第（6）电子传输层5的制作改为磁控溅射氧化锡，光活性层上下表面柱体的直径或边长为140 nm，高度为120 nm，相邻柱体的中心距为150 nm，其它与实施例1相同。

实施例3：

与实施例1相比，空穴传输层3用氧化钼（MoO₃），光活性层4为P3HT、PCBM与氧化钛纳米晶的混合物，电子传输层5为氧化钛，光活性层上下表面柱体的直径或边长为80 nm，高度为100 nm，相邻柱体的中心距为120 nm，具体实施方式与实施例1相同。

实施例4：

与实施例1相比，空穴传输层3用氧化钨（WO₃），光活性层4为P3HT、PCBM与氧化钛纳米晶的混合物，电子传输层5为氧化钛，光活性层上下表面柱体的直径或边长为60 nm，高度为90 nm，相邻柱体的中心距为100 nm，具体实施方式与实施例1相同。

Claims

1.一种掺杂的有机太阳能电池，包括在透明基板上顺序层叠的透明阳极层、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极层，其特征在于所述光活性层具有两种活性界面，一种是有机给体材料与有机受体材料的界面，另一种是有机给体材料与光活性的无机纳米晶材料的界面，且光活性层的上下表面分别设有阵列排布的柱体，所述空穴传输层和电子传输层均设有与光活性层的柱体相对的沉孔。

2.如权利要求1所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于光活性层上下表面的柱体错位或正对排列，且光活性层上下表面的柱体分别嵌入电子传输层和空穴传输层的沉孔内。

3.如权利要求1或2所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于光活性层上下表面的柱体是圆柱或方柱。

4.如权利要求3所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于光活性层上下表面柱体的直径或边长为40-140 nm，高度为50-120 nm，相邻柱体的中心距为50-150 nm。

5.如权利要求1或4所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于所述空穴传输层和电子传输层的厚度大于光活性层的空穴柱体和电子柱体的高度。

6.如权利要求1所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于所述光活性层的有机给体材料是聚噻吩及其衍生物如聚（3-己基）噻吩、酞菁染料、聚对亚苯基亚乙烯及其衍生物、并五苯、卟啉化合物菁染料中的一种；有机电子受体材料是富勒烯或其衍生物；无机纳米晶为TiOx、ZnO、SnO₂中的一种。

7.如权利要求1所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于所述空穴传输层由Cu₂O、NiO、MoO₃、V₂O₅、WO₃中的一种制成。

8.如权利要求1所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于所述电子传输层由TiOx、ZnO、SnO₂中的一种制成。

9.如权利要求1所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于所述阴极层由Al、Ca、Ba中的一种制成，无机纳米晶为CdS或CdTe或CdSe。

10. 如权利要求1所述掺杂的有机太阳能电池，其特征在于所述阳极层由ITO或AZO或FTO薄膜电极制成。