CN206490094U - 一种篦齿结有机薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层、阴极修饰层、光活性层、阳极缓冲层、透明导电阳极层和衬底层；光活性层包括N型材料基座、N型材料篦齿、P型材料篦齿和P型材料基座；N型材料篦齿与P型材料篦齿为篦齿结结构；篦齿结构的光活性层中N型材料篦齿与P型材料篦齿间隔设置；有机薄膜太阳能电池通过光子的吸收与激子的产生，激子的扩散，电子转移与载流子的生成，电子与空穴的传输电荷的收集与电流的产生等五个过程，最终完成光电转换；本实用新型具有光电转化效率高的特点。

Description

一种篦齿结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领域，特别涉及一种篦齿结有机薄膜太阳能电池。
背景技术
自从太阳能电池商业应用以来，以无机半导体为主要材料制成的太阳能电池，单晶硅、多晶硅和非晶硅系列应用最为广泛。经过最近几年的发展，硅基太阳能电池相关的技术已有了长足的进步，但提纯硅的方法依然是氧化还原法，这种氧化还原过程必然导致晶体硅太阳能电池制造能耗大、污染高、工艺复杂且生产设备昂贵。与此相比有机半导体太阳能电池由于其制作成本低廉、工艺简单、轻便便携、可以弯曲等特点，引起越来越多的关注。有机太阳能电池的实现主要通过于有机半导体材料中的空穴和电子的迁移实现光电转换功能，但是，目前的薄膜有机太阳能电池吸收太阳能的光电转化率低，结构不够合理，不能大规模生产，因此，导致有机薄膜太阳能利用率成本比较高，制约着有机薄膜太阳能行业的发展。
目前有机薄膜太阳能中常见的两种光活性层的结构形式为：平面异质结构和体相异质结构。平面异质结接触面积很有限，光电转化效率低，而体相异质结构，虽然接触面积得到很大提高，但是，电子和空穴在运动过程中大量湮灭，光电转化效率也较低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，通过优化光活性层的结构，能够加大P型材料和N型材料的接触面积，激发更多的空穴和电子；同时这样的结构可以降低电子和空穴运动过程中的湮灭，具有光电转化效率高的特点。
一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层1、阴极修饰层2、光活性层3、阳极缓冲层4、透明导电阳极层5和衬底层6；
所述的光活性层3包括N型材料基座7、N型材料篦齿8、P型材料篦齿9和P型材料基座10；
所述的N型材料篦齿8与P型材料篦齿9为篦齿结结构；所述的篦齿结构的光活性层中N型材料篦齿8与P型材料篦齿9间隔设置。
所述金属阴极层1的厚度为1-5μm；
所述阴极修饰层2的厚度为1-5nm；
所述光活性层3的厚度为120-250nm；
所述阳极缓冲层4的厚度为120-250nm；
所述衬底层6和透明导电阳极层5的总厚度为0.3-2.0mm。
所述光活性层3中N型材料基座7厚度为70-140nm；最为优选的厚度为80nm。
所述光活性层3中P型材料基座10厚度为45-120nm，最为优选的厚度为50nm。
所述金属阴极层1为厚度为2μm的镀铝层，所述阴极修饰层2为2nm的氟化锂，所述光活性层3为3-己基噻吩和料富勒烯衍生物的“篦齿结”,厚度为230nm；所述阳极缓冲层4为200nm的3，4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物:聚苯乙烯磺酸盐，所述的“篦齿结”重叠部分的厚度为100nm，篦齿长度为100nm,宽度为40-60nm,最为优选的宽度为50nm，衬底层6和透明导电阳极层5的总厚度为0.7mm。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，通过构建一个“篦齿结”形式的光活性层3，能够有效的增加两种材料的接触面积，而且还能够减少空穴和电子迁移过程中猝灭数量，有效提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明：
图1为本实用新型结构示意图。
图2为光活性层的篦齿结结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例详述本实用新型。
如图1所示：一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层1、阴极修饰层2、光活性层3、阳极缓冲层4、透明导电阳极层5和衬底6；
所述的光活性层3包括N型材料基座7、N型材料篦齿8、P型材料篦齿9和P型材料基座10；所述的N型材料基座7为电子受体材料PC60BM，所述的P型材料基座10为电子给体材料P3HT。
如图2所示：所述的P型材料篦齿9与N型材料篦齿8为“篦齿结”结构；所述的“篦齿结”结构的P型材料篦齿9与N型材料篦齿8间隔设置。
本实用新型的工作原理：
与无机半导体材料不同，有机半导体材料受光激发后产生的是受库仑作用束缚着的空穴--电子对，即激子。激子中的电子与空穴间的结合能大约为0.2-0.5eV，很难解离成可自由移动的载流子。为了实现激子的电荷分离，在有机薄膜光伏器件中通过使用电子给体(P型材料篦齿9)和电子受体(N型材料篦齿8)的组合来形成异质结。
有机薄膜光伏器件光电转换的5个基本物理过程①光子的吸收与激子的产生。光活性层3受光激发后，电子从最高占据轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)形成激发态的分子，即激子。②激子的扩散。受光产生的激子在光活性层3中自由扩散。③电子转移与载流子的生成。激子在其有效寿命时间内如果能够到达P型材料篦齿9与N型材料篦齿8体界面，外加P型材料篦齿9的LUMO与N型材料篦齿8的LUMO之间的能级差大于激子的束缚能，则激子在界面间发生电荷分离，生成可自由移动的电子与空穴。④电子与空穴的传输。电荷分离后产生的电子在N型材料篦齿8传输，最终到达N型材料基座7，空穴在P型材料篦齿9中传输，最终到达P型材料基座10。⑤电荷的收集与电流的产生。自由电子到达阴极修饰层2，阴极修饰层2的作用是降低电子到金属阴极层1的达势能壁垒，提高光电转换效率；空穴到达阳级缓冲层4,阳级缓冲层4的作用是阻挡电子向导电透明导电阳极层5迁徙，提高空穴透明导电阳极层5移动的效率。金属阴极层1收集电子形成金属阴极，透明导电阳极层5收集空穴形成阳级。电极界面并被外电路收集，形成电流。上述5个过程，前后连贯，共同决定着有机薄膜光伏器件的光电转换效率。

Claims (9)

1.一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，包括从上到下依次排列叠加的金属阴极层(1)、阴极修饰层(2)、光活性层(3)、阳极缓冲层(4)、透明导电阳极层(5)和衬底层(6)；
所述的光活性层(3)包括N型材料基座(7)、N型材料篦齿(8)、P型材料篦齿(9)和P型材料基座(10)；
所述的N型材料篦齿(8)与P型材料篦齿(9)为篦齿结结构；所述的光活性层(3)中N型材料篦齿(8)与P型材料篦齿(9)间隔设置。
2.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属阴极层(1)的厚度为1-5μm。
3.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阴极修饰层(2)的厚度为1-5nm。
4.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光活性层(3)的厚度为120-250nm。
5.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层(4)的厚度为120-250nm。
6.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光活性层(3)中N型材料基座7厚度为70-140nm；最为优选的厚度为80nm。
7.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光活性层(3)中P型材料基座(10)厚度为45-120nm， 最为优选的厚度为50nm。
8.根据权利要求1所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述衬底层(6)和透明导电阳极层(5)的总厚度为0.3-2.0mm。
9.根据权利要求1-8任一项权利要求所述的一种篦齿结有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属阴极层(1)为厚度为2μm的镀铝层，所述阴极修饰层(2)为2nm的氟化锂，所述光活性层(3)为3-己基噻吩和料富勒烯衍生物的“篦齿结”,厚度为230nm；所述阳极缓冲层(4)为200nm的3，4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物:聚苯乙烯磺酸盐，所述的“篦齿结”重叠部分的厚度为100nm，篦齿长度为100nm,宽度为40-60nm,最为优选的宽度为50nm，衬底层6和透明导电阳极层5的总厚度为0.7mm。
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