CN207097869U - 一种有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种有机太阳能电池，包括基底以及依次位于所述基底上的第一电极、第一载流子传输层、光活性层、第二载流子传输层和第二电极，所述第二电极上设有气致变色层，所述气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，所述半导体氧化物层介于所述第二电极和所述催化剂层之间。当在电池器件的气致变色层外通氢气时，气致变色氧化物层的光学性质会发生变化，进而改变半透明电池器件的透过率和透明度。本实用新型制备的半透明太阳能电池具有光伏发电功能、透过率和透明度动态可调的特点，可应用于智能光伏玻璃和建筑一体化领域。

Description

一种有机太阳能电池
技术领域
本实用新型属于有机太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种有机太阳能电池。
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 solarcells，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11％。OSCs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电池器件。基于这一性质，OSCs 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OSCs也因此成为光伏领域中一个新的研究热点。
制备半透明OSCs的基本方法是将有机半导体活性层置于两透明电极之中。自2006年R.F.Bailey-Salzman等人首次报导了半透明OSCs以来，科研工作者投入了巨大的精力来优化半透明OSCs的光电转换效率、透明度以及色度学性能(如：透视颜色、显色指数等)。这类研究主要集中在三个方面：第一，研制并优化新型透明顶电极，如金属导电氧化物、半透明金属薄膜、导电聚合物、纳米银薄膜、石墨烯、碳纳米管薄膜等；第二，采用高效有机活性层提高器件性能；第三，优化半透明太阳能电池的结构。通过使用这些方法，半透明OSCs的效率得到了很大的提高。
在目前研制的半透明OSCs中，电池器件的透视颜色和透明度主要决定于活性层的吸收光谱和器件的结构。电池器件一旦制成后，就不能再调节其透视颜色和透明度，即不能在应用过程中对器件的透视颜色和透明度进行动态调控。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种有机太阳能电池。通过在有机太阳能电池的第二电极上设有气致变色层，气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，在半导体氧化物层的表面蒸度1～2nm厚的催化剂层，利用氢气对有机太阳能电池的透视颜色和透明度实施动态调控。
本实用新型上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种有机太阳能电池，包括基底以及依次位于所述基底上的第一电极层、第一载流子传输层、光活性层、第二载流子传输层和第二电极层，所述第二电极层上设有气致变色层，所述气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，所述半导体氧化物层介于所述第二电极层和所述催化剂层之间。
优选地，所述第一载流子传输层为电子传输层或空穴传输层，且当该第一载流子传输层为电子传输层时，所述第二载流子传输层为空穴传输层；当该第一载流子传输层为空穴传输层时，所述第二载流子传输层为电子传输层。
优选地，所述半导体氧化物层为WO3，所述催化剂层为Pt或Pd。
优选地，所述催化剂层的厚度为1～2nm。
本实用新型在有机太阳能电池的最外层WO3薄膜的表面蒸度1-2nm的Pt，此时电池器件的结构为Glass/ITO/第一载流子传输层/活性层/第二载流子传输层 /Ag电极/WO3/Pt(1-2nm)。当器件制成后，在WO3薄膜表面通氢气(H2)，吸附在Pt纳米颗粒表面的H2分子被离化为H原子，H原子转移到WO3薄膜表面，氢离子和电子双注入到WO3薄膜内，然后氢离子与晶格中的O形成结构水分子，该结构水分子在热扰动或者光照的情况下，容易脱落其原先位置，导致氧空位的出现。同时，注入的电子填充到由氧空位的出现引起的导带底局域态中，从而引起W价态的改变，WO3薄膜的光学性质发生改变并对红光的吸收很大，进而改变器件的颜色和透明度；当着色后的器件暴露在空气或者氧气环境时，吸附在表面的O2分子在Pt纳米颗粒表面发生离化并转移到WO3表面，同时WO3薄膜中结构H2O分子分解成H+和O离子，其中H+与WO3表面吸附的O离子结合形成 H2O分子，解吸附到空气中；另一方面，O离子填补了氧空位，使材料物质结构恢复到着色前的WO3结构，WO3薄膜完成褪色过程，此时WO3薄膜对入射光的吸收较小，半透明太阳能电池的透过率将升高。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1.本实用新型在半透明有机太阳能电池第二电极上设有气致变色层，气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，在半导体氧化物层的表面溅射1～2nm 厚的催化剂层，利用氢气对有机太阳能电池的透视颜色和透明度实施动态调控。
2.本实用新型解决了电池器件一旦制成后，就不能再调节其透视颜色和透明度的问题，在应用过程中可对器件的透视颜色和透明度实现动态调控。
附图说明
图1为本实用新型的有机太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的内容，但不应理解为对本实用新型的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本实用新型采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
图1是本实用新型的有机太阳能电池结构示意图。如图1所示，本实用新型的有机太阳能电池包括：基底1，第一电极层2，第一载流子传输层3，光活性层4，第二载流子传输层5，第二电极层6。所述第二电极6上设有气致变色层7，所述气致变色层7包括半导体氧化物层71和催化剂层72，所述半导体氧化物层 71介于所述第二电极6和所述催化剂层72之间。
在一种实施方式中，该太阳能电池为倒置式太阳能电池，此时第一载流子传输层3为电子传输层，而第二载流子传输层5则为空穴传输层。在另一种实施方式中，该太阳能电池也可以为正置式太阳能电池，此时第一载流子传输层3为空穴传输层，而第二载流子传输层5则为电子传输层。
所述气致变色层7包括半导体氧化物层71和催化剂层72，所述半导体氧化物层71为WO3，在实施方式中，所述催化剂层72选自为Pt或Pd，所述催化剂层的厚度为1～2nm。
上述太阳能电池的具体制备过程如下：
1.在基底1上制作第一电极层2；
2.在第一电极层2上制作第一载流子传输层3，所述第一载流子传输层3以旋涂或者热蒸发的工艺制备；
3.在上述第一载流子传输层3上依次制作光活性层4、第二载流子传输层5 和第二电极层6；
4.在第二电极层6上制作气致变色层7，首先用真空热蒸发的方法制作半导体氧化物层71，再在半导体氧化物层上采用喷金仪制作催化剂层72。
在一种实施方式中，太阳能电池的具体制备过程如下：
(1)将玻璃作为基底1，用去离子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，然后用氧的等离子体处理，制作ITO第一电极2。
(2)将聚[9,9-二(3'-(N,N-二甲胺基)丙基)-2,7-芴]-交-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)界面材料溶解在乙酸中，浓度为2mg/mL，然后将PFN的乙酸溶液旋涂到ITO电极，PFN为第一载流子传输层3(或者称为界面修饰层)。
(3)光活性层4采用旋涂的方法将PTB7和[6,6]-苯基C71丁酸甲酯(PC71BM) 混合溶液旋涂到PFN界面材料上，通过转速控制光活性层的厚度，进而控制半透明电池器件的效率和透明度。
(4)利用真空热发的方法在光活性层的表面上蒸镀MoO3，MoO3为第二载流子传输层4，然后在MoO3的表面上蒸镀15nm厚度的Ag，Ag为第二透明电极6。
(5)在Ag的表面制备半导体氧化物WO3层71，WO3的厚度可从10-400nm 变化，厚度不同，器件的透过率光谱、效率不同。
(6)在WO3的表面制备催化剂铂金(Pt)层72，其厚度为1-2nm，即制得有机太阳能电池。
对于上述制备好的器件，在WO3的表面通H2，H2被Pt离解后与WO3薄膜发生相互作用，导致外层WO3薄膜内部形成结构水和氧空位而改变其光学特性，器件的透过率光谱就会发生相应的改变。控制氢气的流量，即可调控器件的透视颜色和透过率光谱，同时器件的效率略微有所变化。
表1为光活性层厚度为100nm时，不同WO3厚度的器件，在通H2前和通 H2后的主要参数。从表1中可知通过在有机太阳能电池的第二电极上设有气致变色层，气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，在半导体氧化物WO3层的表面制作1～2nm厚的Pt催化剂层，通氢气前后器件的色坐标和平均透过率发生较大变化，这表明利用氢气对有机太阳能电池的透视颜色和透明度实施动态调控。
表1通氢气前后半透明有机太阳能电池性能的变化
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种有机太阳能电池，其特征在于，包括基底以及依次位于所述基底上的第一电极层、第一载流子传输层、光活性层、第二载流子传输层和第二电极层，所述第二电极层上设有气致变色层，所述气致变色层包括半导体氧化物层和催化剂层，所述半导体氧化物层介于所述第二电极层和所述催化剂层之间。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述第一载流子传输层为电子传输层或空穴传输层，且当该第一载流子传输层为电子传输层时，所述第二载流子传输层为空穴传输层；当该第一载流子传输层为空穴传输层时，所述第二载流子传输层为电子传输层。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述半导体氧化物层为WO3或MoO3，所述催化剂层为Pt或Pd。
4.根据权利要求3所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述半导体氧化物层的厚度为10～400nm，所述催化剂层的厚度为1～2nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109686845A (zh) * 2018-12-26 2019-04-26 吉林大学 一种具有气致变色功能的半透明聚合物太阳能电池及其制备方法
CN113321427A (zh) * 2021-07-20 2021-08-31 上海交通大学 一种快速氢致变色wo3薄膜及其制备方法

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