CN203055993U - 一种半透明有机太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半透明有机太阳能电池，采用的结构为：依次包括：减反层、第二透明电极层、载流子传输层、活性层、载流子传输层、第一透明电极层、相位匹配层、一维光子晶体层、基底；利用一维光子晶体在通带内具有高透过率、在禁带内具有高反射率的特点，在入射透明电极和一维光子晶体透明电极之间形成一维光子晶体双模式光学微腔；一方面可见光可通过，保证器件的高透明度，另一方面提高活性层在近红外和紫外两个波段的吸光效率。本实用新型具有同时优化半透明有机太阳能电池的吸光效率和器件透明度的特点。

Description

一种半透明有机太阳能电池

技术领域

本实用新型属于有机光电器件技术领域，具体设计一种半透明的有机太阳能电池。 

背景技术

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。在太阳能电池家族中，有机太阳能电池（organic solar cells，OSCs）由于具备柔性、质量轻、易制备以及潜在的价格低廉优势而受到广泛的关注，并且其最高效率已经超过9%。有机太阳能电池的另一特点是其吸收光谱不连续，易制成在可见光波段半透明的有机太阳能电池器件。基于这一性质，有机太阳能电池可被集成到玻璃上制备既具有光伏发电功能又在特定可见光波段透明的光伏玻璃（Photovoltaic glass，PV-Glass）。这种玻璃在光伏半透明彩色窗户、光伏建筑一体化和光伏汽车玻璃等领域具有广泛的应用前景，半透明有机太阳能电池也因此成为光伏领域中一个新的研究热点。 

有机太阳能电池的效率长期以来一直很低，这是由于当光照射到有机半导体时，有机半导体中通常不会形成自由载流子，而是形成激子(电子空穴对)。具有不同能级结构的两种有机材料的界面被认为是激子分离的地方，因此光照射形成的激子必须扩散到界面才能最大程度的分离。因此要提高有机材料对太阳光的吸收，可以采用级连结构或叠层结构，这样半透明太阳能电池的研究变得很有必要。现有一种有机太阳能电池结构如下：依次包括：Glass、ITO、载流子传输层、有机活性层、载流子传输层、透明电极，此结构存在的问题为透过率和吸光效率之间不能同时优化，同时有机活性层太薄，无法完全吸收入射光子。 

发明内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种半透明的有机太阳能电池，利用一维光子晶体的禁带特性提高活性层吸光效率，同时利用一维光子晶体的通带特性保持电池器件的高透过率特性。 

本实用新型解决其问题所采用的技术方案是： 

一种半透明有机太阳能电池，包括基底和有机太阳能电池元件，有机太阳能电池元件包含：一维光子晶体层，位于基底之上；第一透明电极层，位于一维光子晶体层之上；电池层，位于第一透明电极层之上；第二透明电极层，位于电池层之上；减反层，位于第二透明电极层之上。

进一步地，还包括相位匹配层，位于一维光子晶体层之上，第一透明电极层之下。 

进一步地，所述电池层还包含：第一载流子传输层，位于第一透明电极层之上；活性层，位于第一载流子传输层之上；第二载流子传输层，位于活性层之上。 

优选地，所述活性层为窄带隙有机物和富勒烯的衍生物PCBM的混合物。 

进一步地，所述第一载流子传输层与第二载流子传输层传输不同的载流子。第一载流子传输层为空穴传输层，同时第二载流子传输层为电子传输层；或者第一载流子传输层为电子传输层，同时第二载流子传输层为空穴传输层。 

优选地，一维光子晶体层由两种折射率不同的薄膜介质周期性排列而成。 

优选地，所述减反层为低吸收材料。 

作为本实用新型的另一个技术方案，一种半透明有机太阳能电池，包括基底和有机太阳能电池元件，有机太阳能电池元件包含：减反层，位于基底之上；第二透明电极层，位于减反层之上；电池层，位于第二透明电极层之上；第一透明电极层，位于电池层之上；一维光子晶体层，位于第一透明电极层之上。 

进一步地，还包括相位匹配层，位于一维光子晶体层之下，第一透明电极层之上。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用的一种半透明的有机太阳能电池，采用的结构为：依次包括：减反层、第一透明电极层、载流子传输层、活性层、载流子传输层、第一透明电极层、相位匹配层、一维光子晶体层、基底，利用一维光子晶体在通带内具有高透过率、在禁带内具有高反射率的特点，同时优化半透明有机太阳能电池的吸光效率和器件透明度。 

附图说明

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。 

图1是本实用新型的一种半透明有机太阳能电池的结构图； 

图2是本实用新型的一种半透明有机太阳能电池的一个实施例的结构图；

图3是本实用新型的一种半透明有机太阳能电池中电池层的结构图；

图4是本实用新型的一种半透明有机太阳能电池中一维光子晶体层的结构图；

图5是本实用新型的一种半透明有机太阳能电池的吸收率/透过率的曲线分布图；

图6是本实用新型第一载流子传输层为空穴传输层，同时第二载流子传输层为电子传输层的情况下的制备方法步骤；

图7是本实用新型第一载流子传输层为电子传输层，同时第二载流子传输层为空穴传输层的情况下的制备方法步骤；

图8是本实用新型一种半透明有机太阳能电池另一技术方案的结构图；

图9是本实用新型一种半透明有机太阳能电池另一技术方案的一种实施例的结构图。

具体实施方式

参照图1- 图9，本实用新型的一种半透明有机太阳能电池，包括基底7和有机太阳能电池元件，有机太阳能电池元件包含：一维光子晶体层1，位于基底7之上；第一透明电极层3，位于一维光子晶体层1之上；电池层4，位于第一透明电极层3之上；第二透明电极层5，位于电池层4之上；减反层6，位于第二透明电极层5之上。 

参照图3，所述电池层4还包含：第一载流子传输层41，位于第一透明电极层3之上；活性层42，位于第一载流子传输层41之上；第二载流子传输层43，位于活性层42之上。所述第一载流子传输层41与第二载流子传输层43传输不同的载流子。不同的载流子传输层把活性层中产生的载流子分别传输到不同的透明电极层，从而形成不同的电极。 

参照图2，作为本实用新型的一个实施例，还包括相位匹配层2，位于一维光子晶体层1之上，第一透明电极层3之下。一种半透明有机太阳能电池的具体结构为：一维光子晶体层1，位于基底7之上；相位匹配层2，位于一维光子晶体层1之上；第一透明电极层3，位于相位匹配层2之上；电池层4，位于第一透明电极层3之上；第二透明电极层5，位于电池层4之上；减反层6，位于第二透明电极层5之上。 

进一步来说，第一载流子传输层41为空穴传输层，同时第二载流子传输层43为电子传输层；或者第一载流子传输层41为电子传输层，同时第二载流子传输层43为空穴传输层。具体的结构为：依次包括：减反层6、第二透明电极层5、第二载流子传输层43（电子传输层或者空穴传输层）、活性层42、第一载流子传输层41（空穴传输层或者电子传输层）、第一透明电极层3、相位匹配层2、一维光子晶体层1、基底7。 

所述活性层42为窄带隙有机物和富勒烯的衍生物PCBM的混合物；电子传输层为可以为TiO_x、ZnO等，空穴传输层可以为为WO₃ 、MoO₃、V₂O₅等；一维光子晶体层1由两种折射率不同的薄膜介质周期性排列而成，参照图4，具体来说可以为TiO₂/SiO₂；所述减反层6可以为任意一种低吸收材料，例如WO₃ 、MoO₃、V₂O₅ 、TeO等；所述第一透明电极层3和第二透明电极层5这两个透明电极均可为ITO、石墨烯、金属透明电极等，这里采用Ag。 

减反层6与第一透明电极层3共同构成入射透明电极；第二透明电极层5、相位匹配层2和一维光子晶体层1共同构成“一维光子晶体层透明电极”，由于一维光子晶体在通带内具有高透过率、在禁带内具有高反射率， 此时，处于一维光子晶体通带内的可见光子能顺利通过一维光子晶体，这一特性可保证器件在可见光波段的高透明度。另一方面，处于一维光子晶体第一禁带内的近红外光子和第二禁带内的紫外光子被一维光子晶体反射回电池内部，并在入射透明电极和一维光子晶体透明电极之间往返传播。因此，此结构的半透明有机太阳能电池具有同时优化半透明有机太阳能电池中活性层42吸光效率和器件透明度的潜质。 

减反层6与Ag阴极即第一透明电极层3共同构成入射透明电极；Ag阳极即第二透明电极层5、相位匹配层2SiO₂和一维光子晶体层1共同构成“一维光子晶体层透明电极”，其中一维光子晶体层1由 TiO₂/SiO₂薄膜周期性排列而成，第一禁带和第二禁带分别处于近红外和紫外波段。在电池器件内部，电子传输层和空穴传输层分别为TiO_x和WO₃。活性层42为窄带隙有机物聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2，1-b;3，4-b]双噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)] (PCPDTBT)和富勒烯的衍生物PCBM的混合物。 

参照图5，该结构电池器件在近红外的吸收效率高达83.5% ，在紫外波段的吸收效率最高为73.8%；同时在可见光波段430-700nm的透过率高达71%，平均透过率为55%。 

本实用新型一种半透明有机太阳能电池的第一个实施例的制备方法如下： 

参照图6，对于第一载流子传输层41为空穴传输层，同时第二载流子传输层43为电子传输层的情况：

S1、利用电子束蒸发在洁净的石英玻璃基底7上制备TiO₂/SiO₂周期性排列的一维光子晶体层1；

S2、在一维光子晶体层1的表面制作SiO₂层作为相位匹配层2，然后用真空热蒸发在相位匹配层2上蒸镀Ag膜做第一透明电极层3；

S3、在第一透明电极层3上蒸镀WO₃薄膜为空穴传输层；

S4、在 PCPDTBT和PCBM的混合氯苯溶液中，加入1，8-辛二硫醇控制活性层42的形貌和相分离程度，利用甩胶机将混合溶液旋涂在空穴传输层上，在真空中低温烘干后得到有机活性层42；

S5、以四异丙醇钛为前驱体，与乙二醇甲基醚及乙醇胺混合，控制反应温度及反应时间得到均匀分散的水溶性TiO_x；将水溶性TiO_x旋涂在有机活性层42表面，然后低温退火，形成电子传输层；

S6、利用真空热蒸发设备在电子传输层表面蒸镀Ag膜做第二透明电极层5，然后再在第二透明电极层5之上蒸镀WO₃膜形成减反层6；

参照图7，对于第一载流子传输层41为电子传输层，同时第二载流子传输层43为空穴传输层的情况：

T1、利用电子束蒸发在洁净的石英玻璃基底7上制备TiO₂/SiO₂周期性排列的一维光子晶体层1；

T2、在一维光子晶体层1的表面制作SiO₂层作为相位匹配层2，然后用真空热蒸发在相位匹配层2上蒸镀Ag膜做第一透明电极层3；

T3、以四异丙醇钛为前驱体，与乙二醇甲基醚及乙醇胺混合，控制反应温度及反应时间得到均匀分散的水溶性TiO_x；将水溶性TiO_x旋涂在第一透明电极层3表面，然后低温退火，形成电子传输层；

T4、在 PCPDTBT和PCBM的混合氯苯溶液中，加入1，8-辛二硫醇控制活性层42的形貌和相分离程度，利用甩胶机将混合溶液旋涂在电子传输层上，在真空中低温烘干后得到有机活性层42；

T5、在有机活性层42上蒸镀WO₃薄膜形成空穴传输层；

T6、利用真空热蒸发设备在空穴传输层表面蒸镀Ag膜做第二透明电极层5，然后再在第二透明电极层5之上蒸镀WO₃膜形成减反层6。

参照图8，作为本实用新型的另一个技术方案，一种半透明有机太阳能电池，包括基底7和有机太阳能电池元件，有机太阳能电池元件包含：减反层6，位于基底7之上；第二透明电极层5，位于减反层6之上；电池层4，位于第二透明电极层5之上；第一透明电极层3，位于电池层4之上；一维光子晶体层1，位于第一透明电极层3之上。 

参照图9，进一步地，作为此技术方案的一个实施例，还包括相位匹配层2，位于一维光子晶体层1之下，第一透明电极层3之上。具体结构为：依次包括：一维光子晶体层1、相位匹配层2、第一透明电极层3、第一载流子传输层41（空穴传输层或者电子传输层）、活性层42、第二载流子传输层43（电子传输层或者空穴传输层）、第二透明电极层5、减反层6、基底7。 

本实施例的制备方法与本实用新型的第一个技术方案的实施例的制备方法类似，各结构层制备的顺序有差别。 

以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。 

Claims (9)

1.一种半透明有机太阳能电池，包括基底（7）和有机太阳能电池元件，其特征在于：有机太阳能电池元件包含：一维光子晶体层（1），位于基底（7）之上；第一透明电极层（3），位于一维光子晶体层（1）之上；电池层（4），位于第一透明电极层（3）之上；第二透明电极层（5），位于电池层（4）之上；减反层（6），位于第二透明电极层（5）之上。

2.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：还包括相位匹配层（2），位于一维光子晶体层（1）之上，第一透明电极层（3）之下。

3.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述电池层（4）还包含：第一载流子传输层（41），位于第一透明电极层（3）之上；活性层（42），位于第一载流子传输层（41）之上；第二载流子传输层（43），位于活性层（42）之上。

4.根据权利要求3所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述第一载流子传输层（41）与第二载流子传输层（43）传输不同的载流子。

5.根据权利要求4所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：第一载流子传输层（41）为空穴传输层，同时第二载流子传输层（43）为电子传输层；或者

第一载流子传输层（41）为电子传输层，同时第二载流子传输层（43）为空穴传输层。

6.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：一维光子晶体层（1）由两种折射率不同的薄膜介质周期性排列而成。

7.根据权利要求1所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：所述减反层（6）为低吸收材料。

8.一种半透明有机太阳能电池，包括基底（7）和有机太阳能电池元件，其特征在于：有机太阳能电池元件包含：减反层（6），位于基底（7）之上；第二透明电极层（5），位于减反层（6）之上；电池层（4），位于第二透明电极层（5）之上；第一透明电极层（3），位于电池层（4）之上；一维光子晶体层（1），位于第一透明电极层（3）之上。

9.根据权利要求8所述的一种半透明有机太阳能电池，其特征在于：还包括相位匹配层（2），位于一维光子晶体层（1）之下，第一透明电极层（3）之上。

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