TW201944604A - 聚合物太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
一種聚合物太陽能電池，包括一陽極電極、一光活性層和一陰極電極依次層疊設置，所述光活性層包括一聚合物層和分散在該聚合物層中的複數個奈米碳管，每一奈米碳管具有相對的第一端和第二端，所述聚合物太陽能電池進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置在所述光活性層和陰極電極之間，所述第一端穿過絕緣層與陰極電極直接接觸，所述第二端包埋在聚合物層中。
Description
本發明涉及一種聚合物太陽能電池。
聚合物太陽能電池具有原料廣、成本低、光活性材料可以自行設計合成及可製備成柔性器件等諸多優點，成為近年來國際上前沿科學的研究熱點之一。聚合物太陽能電池的工作原理係：當光照射到聚合物太陽能電池中的光活性材料時，光活性材料吸收光子後產生激子，激子擴散到給體和受體的介面處分離成自由移動的電子和空穴，然後電子通過受體傳遞至陰極，空穴則通過給體傳遞至陽極，從而在陰極和陽極之間產生電勢差。其中，聚合物太陽能電池對太陽光的利用係影響光電轉換效率的一個重要因素，目前常用的方法係通過改變活性層材料來增強其對太陽光的吸收率。
Al-Haik等人在公開號為US20070110977A1的美國專利申請中公開了將複數個奈米碳管分散在聚合物層中，然後利用磁場使這些奈米碳管定向，並且該定向的奈米碳管和聚合物層所形成的複合物可以作為光活性材料應用於聚合物太陽能電池中。然而，由於奈米碳管被聚合物層包覆，奈米碳管並沒有與電極直接接觸，從而降低了奈米碳管與電極之間的電傳導性。
有鑒於此，提供一種可以提高奈米碳管與陰極電極之間的電傳導性的聚合物太陽能電池實為必要。
一種聚合物太陽能電池，包括一陽極電極、一光活性層和一陰極電極依次層疊設置，所述光活性層包括一聚合物層和分散在該聚合物層中的複數個奈米碳管，每一奈米碳管具有相對的第一端和第二端，所述聚合物太陽能電池進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置在所述光活性層和陰極電極之間，所述第一端穿過絕緣層與陰極電極直接接觸，所述第二端包埋在聚合物層中。
一種聚合物太陽能電池，包括一陽極電極、一光活性層和一陰極電極依次層疊設置，所述光活性層包括一聚合物層和分散在該聚合物層中的複數個奈米碳管，每一奈米碳管由第一部分、第二部分和第三部分組成，所述聚合物太陽能電池進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置在所述光活性層和陰極電極之間，所述第一部分嵌在聚合物層中，所述第二部分嵌在絕緣層中，所述第三部分嵌在陰極電極中。
與先前技術相比，本發明提供的聚合物太陽能電池中，奈米碳管的第一端從聚合物層中暴露出來並與陰極電極直接接觸，由於奈米碳管軸向方向的導電性好，而垂直於奈米碳管軸向方向的導電性差，故奈米碳管的第一端與陰極電極直接接觸，提高了奈米碳管與電極之間的電傳導性。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的聚合物太陽能電池及其製備方法作進一步的詳細說明。
請參見圖1，本發明第一實施例提供一種聚合物太陽能電池100，包括一支撐體10、一陽極電極12、一光活性層14、一絕緣層16和一陰極電極18，所述支撐體10、陽極電極12、光活性層14、絕緣層16和陰極電極18依次層疊設置。所述光活性層14包括一聚合物層142和複數個奈米碳管144，該複數個奈米碳管144分散在所述聚合物層142中。可以理解，由於所述光活性層14具有自支撐性，該支撐體10可以省略。
所述支撐體10可以係柔性也可以係剛性。所述支撐體10的材料可以係玻璃、石英、透明的樹脂等，也可以係不透明的材料，比如矽等。所述陽極電極12和陰極電極18可以為透明導電層或多孔網狀結構，如ITO（銦錫氧化物）層、FTO（氟摻雜氧化錫）層等；也可以為不透明的金屬，比如鋁、銀等。當陰極電極18和絕緣層16都透明時，所述支撐體10和陽極電極12可以透明也可以不透明。當陰極電極18和絕緣層16不透明時，所述支撐體10和陽極電極12需透明。本實施例中，所述支撐體10係玻璃板，光從所述支撐體10一側入射進入所述光活性層14中，所述陽極電極12的材料為ITO，所述陰極電極18的材料為鋁。
所述聚合物層142在光活性層14中作為電子給體。所述聚合物層142為聚噻吩及其衍生物、聚芴及其衍生物、聚對苯撐乙烯及其衍生物、聚吡咯及其衍生物中的一種或幾種。所述聚噻吩衍生物可以為聚3-己基噻吩（poly(3-hexylthiophene), P3HT）等，所述聚芴衍生物可以為聚雙辛基芴（poly(dioctylfluorene)）等，所述聚對苯撐乙烯衍生物可以為聚2-甲氧基-5-（2-乙基-己氧基）-1，4-聚苯撐亞乙烯（poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]）等。本實施例中，所述聚合物層142為聚噻吩。
所述複數個奈米碳管144在光活性層14中作為電子受體。所述複數個奈米碳管144相互平行且間隔設置，並且該複數個奈米碳管144的長度基本沿同一方向延伸。所述複數個奈米碳管144從聚合物層142一直延伸至陰極電極18，並且穿過絕緣層16。每一奈米碳管144具有相對的第一端1442和第二端1444，所述第一端1442被包埋在陰極電極18中，第二端1444被包埋在聚合物層142中，並且第二端1444與陽極電極12間隔設置，沒有接觸。所述奈米碳管144的第二端1444被包埋在聚合物層142中並且沒有與陽極電極12接觸的原因係：使陽極電極12與作為電子受體的奈米碳管144之間電絕緣，以避免激子分離所產生的電子從奈米碳管144中遷移到陽極電極12，以確保電子從奈米碳管144中遷移到陰極電極18中。
每一奈米碳管144由第一部分、第二部分和第三部分組成，第一部分嵌在聚合物層142中，第二部分嵌在絕緣層16中，第三部分嵌在陰極電極18中。所述奈米碳管144可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或複數種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5 奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述複數個奈米碳管144具有大致相等的長度。本實施例中，所述複數個奈米碳管144形成的結構為一奈米碳管陣列20。
所述絕緣層16的作用係：使陰極電極18與作為電子給體的聚合物層142之間電絕緣，以避免激子分離所產生的空穴從聚合物層142中遷移到陰極電極18，以確保空穴從聚合物層142中遷移到陽極電極12中。所述絕緣層16可以係透明的，也可以係不透明的。當光穿過陰極電極18和絕緣層16到達光活性層14時，所述絕緣層16需要係透明的；當光穿過支撐體10和陽極電極12到達光活性層14時，所述絕緣層16可以係透明也可以係不透明。用於製備透明絕緣層16的材料不限，可以係聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚全氟乙丙烯（FEP）、聚氟乙烯（PVF）等高分子材料。用於製備不透明絕緣層16的材料不限，可以為矽膠等，矽膠的主要成分係二氧化矽。本實施例中，所述絕緣層16的材料係PMMA。
請參見圖2，本發明第一實施例提供所述聚合物太陽能電池100的製備方法，包括以下步驟： S11，將一奈米碳管陣列20設置於一聚合物溶液22中，所述奈米碳管陣列20包括複數個奈米碳管144，每一奈米碳管144具有相對的第一端1442和第二端1444，每一奈米碳管144的第一端1442暴露在聚合物溶液22外面，每一奈米碳管144的第二端1444浸入聚合物溶液22中並且被聚合物溶液22包覆； S12，使所述聚合物溶液22固化成聚合物層142，所述聚合物層142具有相對的第一聚合物層表面1422和第二聚合物層表面1424，所述奈米碳管144的第一端1442暴露在第一聚合物層表面1422的外面，所述奈米碳管144的第二端1444被聚合物層142包覆； S13，將所述絕緣層16設置在所述聚合物層142的第一聚合物層表面1422，奈米碳管144的第一端1442穿過絕緣層16並且暴露在絕緣層16的外面； S14，將所述陰極電極18設置在絕緣層16遠離聚合物層142的表面，並且奈米碳管144的第一端1442嵌入陰極電極18中並被陰極電極18包覆； S15，將所述陽極電極12設置在所述支撐體10上；及 S16，將所述聚合物層142的第二聚合物層表面1424設置在陽極電極12遠離支撐體10的表面。
步驟S11中，所述奈米碳管陣列20具有相對的第一表面202和第二表面204，該複數個奈米碳管144的從第一表面202延伸至第二表面204。所述複數個奈米碳管144彼此平行且間隔設置。所有奈米碳管144的第一端1442共同形成奈米碳管陣列20的第一表面202，所有奈米碳管144的第二端1444共同形成奈米碳管陣列20的第二表面204，該複數個奈米碳管144的長度延伸方向垂直於所述奈米碳管陣列20的第一表面202。所述奈米碳管144的長度大於等於100奈米，優選地，所述奈米碳管144的長度為幾百微米至幾百毫米，更優選地，所述奈米碳管144的長度為100微米~100毫米，例如100微米、500微米、1000微米、5毫米。
所述聚合物溶液22係將一聚合物材料分散在一有機溶劑中形成。所述有機溶劑不限，只要可以將該聚合物材料溶解即可。
將所述奈米碳管陣列20設置於所述聚合物溶液22中，每一奈米碳管144的第一端1442暴露在聚合物溶液22的外面，第二端1444浸入聚合物溶液22中並且被聚合物溶液22包覆的方法不限。本發明提供兩種方法，但該方法並不對本發明造成限制。
請參見圖3，第一種方法包括以下步驟： 步驟S111，在一生長基底30上生長所述奈米碳管陣列20，每一奈米碳管144的第一端1442與生長基底30直接接觸，每一奈米碳管144的第二端1444遠離生長基底30； 步驟S112，將所述聚合物溶液22放置於一容器28內；及 步驟S113，將生長基底30倒置，使奈米碳管陣列20部分浸入聚合物溶液22中，也即每一奈米碳管144的一部分浸入聚合物溶液22中，並且每一奈米碳管144的第二端1444被聚合物溶液22包覆。
步驟S111中，所述奈米碳管陣列20的製備方法包括以下步驟：（a）提供一平整生長基底30，該生長基底30可選用P型或N型矽生長基底30，或選用形成有氧化層的矽生長基底30，本實施例優選為採用4英寸的矽生長基底30；（b）在生長基底30表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）或其任意組合的合金之一；（c）將上述形成有催化劑層的生長基底30在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；（d）將處理過的生長基底30置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列20。
步驟S113中，將生長基底30倒置並使奈米碳管陣列20部分浸入聚合物溶液22中的方法不限，例如，可以採用鑷子等工具夾持生長基底30，使生長基底30倒置。
可以理解，採用第一種方法使奈米碳管陣列20設置於聚合物溶液22中時，步驟S13之前需要進一步包括一去除所述生長基底30的步驟。去除生長基底30的方法不限，例如，採用刀片等工具將生長基底30剝離，或者採用鐳射等工具將生長基底30蝕刻。
請參見圖4，第二種方法包括以下步驟： S111’，在所述生長基底30上生長所述奈米碳管陣列20，每一奈米碳管144的第一端1442與生長基底30直接接觸，每一奈米碳管144的第二端1444遠離生長基底30； S112’，去除所述生長基底30； S113’，將所述聚合物溶液22放置於一容器28內；及 S114’，將所述奈米碳管陣列20部分浸入聚合物溶液22中。
步驟S112’中，去除生長基底30的方法為採用刀片、膠帶或其他工具將奈米碳管陣列20從生長基底30整體剝離。由於所述奈米碳管陣列20中相鄰奈米碳管144之間通過凡得瓦力連接，採用刀片、膠帶或其他工具沿著垂直於奈米碳管144的軸向的方向慢慢將奈米碳管陣列20從生長基底30上整體剝離後，可以得到一具有自支撐結構的奈米碳管陣列20。所述自支撐為奈米碳管陣列20不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身層狀狀態，即，該奈米碳管陣列20被間隔一距離設置的兩個支撐物固定時，位於兩個支撐物之間的奈米碳管陣列20能夠保持自身層狀狀態。故，該自支撐的奈米碳管陣列20可以被間隔一定距離的兩個支撐物固定。所述支撐物可以為鑷子、膠帶等。本實施例中，兩個鑷子間隔設置，分別夾持奈米碳管陣列20的兩邊。
可以理解，無論採用第一種方法還係第二種方法使奈米碳管陣列20設置於聚合物溶液22中，在步驟S12中聚合物溶液22固化為聚合物層142之後，及步驟S16中將聚合物層142與陽極電極12結合之前，進一步包括一去除所述容器28的步驟或者包括一將容器28中的整體結構直接從容器28中取出的步驟。去除所述容器28的方法不限，例如，採用鐳射將容器28蝕刻去除。步驟S12中，使聚合物溶液22固化的方法不限，例如加熱等。
步驟S13中，設置絕緣層16的方法不限，比如先將絕緣層16製成溶液，再將該溶液通過噴塗或旋塗等方式設置在聚合物層142的第一聚合物層表面1422。本實施例中，將PMMA溶解在有機溶劑中製備成PMMA溶液，並將該PMMA溶液塗覆在聚合物層142的第一聚合物層表面1422，PMMA溶液滲透至奈米碳管144的間隙中，並且PMMA溶液的高度小於從聚合物層142中暴露出來的奈米碳管144的長度。固化後，該PMMA溶液形成PMMA絕緣層16，該PMMA絕緣層16的厚度小於從聚合物層142中暴露出來的奈米碳管144的長度。也即，奈米碳管144的第一端1442穿過PMMA絕緣層16並且暴露在PMMA絕緣層16的外面。
步驟S14中，將所述陰極電極18設置在絕緣層16遠離聚合物層142的表面的方法不限，比如濺射、蒸鍍、塗覆，或者將預先製備好的陰極電極18，例如金屬片，直接鋪設在絕緣層16上等。陰極電極18有一定的厚度，使得奈米碳管144的第一端1442嵌入陰極電極18中並被陰極電極18包覆。
步驟S15中，將陽極電極12設置在支撐體10上的方法不限，比如濺射、塗覆、蒸鍍、掩模蝕刻、噴塗或噴墨列印等。
步驟S16中，將所述聚合物層142的第二聚合物層表面1424設置在陽極電極12遠離支撐體10的表面的方法不限，例如，採用導電膠將步驟S14製成的中間產品與步驟S15製成的中間產品黏在一起，也即採用導電膠將聚合物層142的第二聚合物層表面1424與陽極電極12黏在一起。或者，用熱壓或冷壓的方式將步驟S14製成的中間產品與步驟S15製成的中間產品壓合在一起。具體的，將步驟S14製成的中間產品與步驟S15製成的中間產品層疊設置之後，將其整體放入一具有軋輥的熱壓裝置中。該熱壓裝置包括一個施壓裝置和一個加熱裝置，所述施壓裝置可以係一個金屬軋輥。將加熱的金屬軋輥施加一定的壓力於上述中間產品，陽極電極12和聚合物層142被軟化，使得陽極電極12和聚合物層142之間的空氣被擠壓出來，從而使得陽極電極12和聚合物層142緊密壓合在一起。所述金屬軋輥所施加的壓力為5千克至20千克。可以理解，所述金屬軋輥的溫度不應該使得陽極電極12、聚合物層142及其他功能層熔化。
可以理解，也可以將陽極電極12通過濺射、塗覆、蒸鍍等方式直接設置在聚合物層142的第二聚合物層表面1424，然後再將支撐體10設置在陽極電極12遠離聚合物層142的表面。進一步，由於陽極電極12被直接設置在具有自支撐的聚合物層142的第二聚合物層表面1424上，主要起支撐作用的該支撐體10可以省略，那麼設置該支撐體10的步驟也可以省略。
可以理解，將陰極電極18設置在所述絕緣層16遠離聚合物層142的表面，得到一複合結構。然後，將支撐體10、陽極電極12和所述複合結構依次層疊設置在一起，並且使陽極電極12設置在所述支撐體10和所述聚合物層142的第二聚合物層表面1424之間。
進一步，當所述陽極電極12和陰極電極18中的任何一個係金屬膜時，該金屬膜同時具有電極和反射光的作用。也即，所述金屬膜可以將到達金屬膜的光反射到光活性層14中，提高光的利用率。
進一步，在固化聚合物溶液22之前，可以包括一預處理所述奈米碳管陣列20的步驟，請參見圖5，該具體過程為：（1）將奈米碳管陣列20黏在一彈性支撐體40的表面，每一根奈米碳管144的長度延伸方向垂直於彈性支撐體40的該表面，優選地，採用膠黏劑將奈米碳管陣列20黏在彈性支撐體40上。（2）將彈性支撐體40的兩端分別向相反的方向拉伸，在拉力的作用下，隨著彈性支撐體40被拉伸，奈米碳管陣列20也被拉伸，相鄰奈米碳管144之間的距離增大。拉伸速度可以根據奈米碳管陣列20進行選擇，拉伸速度太大的話，奈米碳管陣列20容易破裂導致奈米碳管144散落。優選地，彈性支撐體40的拉伸速度小於2釐米每秒。預處理奈米碳管陣列20的優點係：拉伸奈米碳管陣列20後，相鄰奈米碳管144之間的距離增大，有利於絕緣層16的材料進入相鄰奈米碳管144之間。所述彈性支撐體40具有較好的彈性，彈性支撐體40的形狀和結構不限，其可為一平面結構或一曲面結構。所述彈性支撐體40可以為彈性橡膠或者橡皮筋等。所述彈性支撐體40用於支撐並拉伸所述奈米碳管陣列20。可以理解，預處理奈米碳管陣列20後，進一步包括一去除所述彈性支撐體40的步驟。
請參見圖6，本發明第一實施例進一步提供所述聚合物太陽能電池100的另一種製備方法，包括以下步驟： S11’，將支撐體10放置在容器28中，該支撐體10遠離容器28的表面設置有陽極電極12； S12’，將聚合物溶液22放置在容器28中，優選地，聚合物溶液22位於陽極電極12遠離支撐體10的表面； S13’，將奈米碳管陣列20設置於聚合物溶液22中，所述奈米碳管陣列20包括複數個奈米碳管144，每一奈米碳管144具有相對的第一端1442和第二端1444，每一奈米碳管144的第一端1442暴露在聚合物溶液22外面，每一奈米碳管144的第二端1444浸入聚合物溶液22中並且被聚合物溶液22包覆； S14’，使所述聚合物溶液22固化成聚合物層142，所述聚合物層142具有相對的第一聚合物層表面1422和第二聚合物層表面1424，所述奈米碳管144的第一端1442暴露在第一聚合物層表面1422的外面，所述奈米碳管144的第二端1444被聚合物層142包覆； S15’，將所述絕緣層16設置在所述聚合物層142的第一聚合物層表面1422，並使奈米碳管144的第一端1442穿過絕緣層16並且暴露在絕緣層16的外面；及 S16’，將所述陰極電極18設置在絕緣層16遠離聚合物層142的表面，並且奈米碳管144的第一端1442嵌入陰極電極18中並被陰極電極18包覆。
圖6所示的製備方法與圖2所示的製備方法類似，其不同之處在於：圖6所示的製備方法提前將支撐體10和陽極電極12設置在容器28中，然後將聚合物溶液22倒入容器28中，設置奈米碳管陣列20後，再依次設置所述絕緣層16和陰極電極18。
可以理解，步驟S12’中，聚合物溶液22可能會順著容器28的側壁流入支撐體10與容器28的側壁之間，及陽極電極12與容器28的側壁之間。待聚合物溶液22固化之後，支撐體10與容器28的側壁之間，及陽極電極12與容器28的側壁之間也會有聚合物層142存在。去除容器28之後，支撐體10相對的兩側和陽極電極12相對的兩側均會有聚合物層142存在，這將提高支撐體10、陽極電極12與聚合物層142的結合程度。或者也可採用蝕刻等方法將支撐體10和容器28的側壁之間的聚合物層142，及陽極電極12與容器28的側壁之間的聚合物層142去掉。
可以理解，步驟S11’中的支撐體10可以省略，而直接將陽極電極12設置在容器28的底部。也即，聚合物太陽能電池100中沒有支撐體10。可以理解，在設置陰極電極18之後，進一步包括一去除所述容器28的步驟。
請參見圖7，本發明第二實施例提供一種聚合物太陽能電池200。第二實施例的聚合物太陽能電池200與第一實施例的聚合物太陽能電池100基本相同，其區別係：第二實施例的聚合物太陽能電池200進一步包括一反射層24，該反射層24設置在陰極電極18遠離絕緣層16的表面，此時，支撐體10係透明的，並且支撐體10遠離陽極電極12的一面為光的入射面。可以理解，當陰極電極18透明並且陰極電極18遠離絕緣層16的一面為光的入射面時，該反射層24設置在支撐體10遠離陽極電極12的表面。
該反射層24的作用係：當光從透明的支撐體10進入光活性層14時，部分光可能到達陰極電極18，設置在陰極電極18遠離絕緣層16的表面的反射層24可以使到達陰極電極18的光再反射到光活性層14中，提高光的利用率。當光從透明的陰極電極18進入光活性層14時，部分光可能到達支撐體10，設置在支撐體10遠離陽極電極12的表面的反射層24可以使到達支撐體10的光再反射到光活性層14中，提高光的利用率。所述反射層24採用高反射率材料，可以係但不限於金屬或金屬合金材料。例如，金、銀、鋁、鈣和鋁的合金，或者鎂和銀的合金等。
本發明第二實施例進一步提供所述聚合物太陽能電池200的製備方法。第二實施例的聚合物太陽能電池200的製備方法與第一實施例的聚合物太陽能電池100的製備方法基本相同，其區別係：第二實施例的聚合物太陽能電池200的製備方法進一步包括一設置反射層24的步驟。具體的，當支撐體10透明時，在陰極電極18遠離絕緣層16的表面採用濺射、塗覆、蒸鍍等方式設置反射層24。當陰極電極18透明時，在支撐體10遠離陽極電極12的表面採用濺射、塗覆、蒸鍍等方式設置反射層24。
請參見圖8，本發明第三實施例提供一種聚合物太陽能電池300。第三實施例的聚合物太陽能電池300與第一實施例的聚合物太陽能電池100基本相同，其區別係：第三實施例的聚合物太陽能電池300進一步包括一激子阻擋層26，該激子阻擋層26可以設置在光活性層14和陽極電極12之間，也可以設置在光活性層14和絕緣層16之間。當激子阻擋層26設置在光活性層14和絕緣層16之間時，複數個奈米碳管144穿過激子阻擋層26和絕緣層16後進入陰極電極18。所述激子阻擋層26的作用係：光進入光活性層14後產生激子，激子阻擋層26阻止激子向絕緣層16或者陽極電極12擴散，促使激子全部擴散到給體和受體的介面處進而分離成電子和空穴，提高了激子的利用率，從而提高了聚合物太陽能電池100光電轉換的效率。所述激子阻擋層26的材料為有機材料，比如Zn4
O(AID)6
、BAlQ3
、BCP、Bphen、Alq3
、TAZ、TPBI等。
本發明第三實施例進一步提供所述聚合物太陽能電池300的製備方法。第三實施例的聚合物太陽能電池300的製備方法與第一實施例的聚合物太陽能電池100的製備方法基本相同，其區別係：第三實施例的聚合物太陽能電池300的製備方法進一步包括一設置激子阻擋層26的步驟。具體的，在步驟S12之後及步驟S13之前，採用濺射、塗覆、蒸鍍等方式在聚合物層142的第一聚合物層表面1422設置激子阻擋層26。或者，將聚合物層142的第二聚合物層表面1424設置在陽極電極12遠離支撐體10的表面之前，先在聚合物層142的第二聚合物層表面1424上採用濺射、塗覆、蒸鍍等方式設置激子阻擋層26。
請參見圖9，本發明第四實施例提供一種聚合物太陽能電池400。第四實施例的聚合物太陽能電池400與第一實施例的聚合物太陽能電池100基本相同，其區別係：第四實施例的聚合物太陽能電池400中，奈米碳管144的第一端1442與絕緣層16遠離聚合物層142的表面齊平；奈米碳管144的第一端1442與陰極電極18的表面直接接觸，並未嵌入到陰極電極18的內部。
請參見圖10，本發明第四實施例提供所述聚合物太陽能電池400的製備方法，包括以下步驟： S41，將一奈米碳管陣列20設置於一聚合物溶液22中，所述奈米碳管陣列20包括複數個奈米碳管144，每一奈米碳管144具有相對的第一端1442和第二端1444，每一奈米碳管144的第一端1442暴露在聚合物溶液22外面，每一奈米碳管144的第二端1444浸入聚合物溶液22中並且被聚合物溶液22包覆； S42，使所述聚合物溶液22固化成聚合物層142，所述聚合物層142具有相對的第一聚合物層表面1422和第二聚合物層表面1424，奈米碳管144的第一端1442暴露在第一聚合物層表面1422的外面，奈米碳管144的第二端1444被聚合物層142包覆； S43，將所述絕緣層16設置在所述聚合物層142的第一聚合物層表面1422，奈米碳管144貫穿整個絕緣層16，並且奈米碳管144的第一端1442與絕緣層16遠離聚合物層142的表面齊平； S44，將所述陰極電極18設置在絕緣層16遠離聚合物層142的表面，並且奈米碳管144的第一端1442與陰極電極18直接接觸，但並未嵌入陰極電極18的內部； S45，將所述陽極電極12設置在所述支撐體10上；及 S46，將所述聚合物層142的第二聚合物層表面1424設置在陽極電極12遠離支撐體10的表面。
第四實施例的聚合物太陽能電池400的製備方法與第一實施例的聚合物太陽能電池100的製備方法基本相同，只有第四實施例中的步驟S43、S44和第一實施例中的步驟S13、S14不同。步驟S43中，採用濺射、塗覆、蒸鍍、噴塗或噴墨列印等方式設置絕緣層16時，使得絕緣層16覆蓋奈米碳管144，然將奈米碳管144的第一端1442暴露出來，並且使奈米碳管144的第一端1442與絕緣層16遠離聚合物層142的表面齊平。由於奈米碳管144的第一端1442與絕緣層16遠離聚合物層142的表面齊平，當採用濺射、塗覆、蒸鍍、噴塗或噴墨列印等方式在絕緣層16遠離聚合物層142的表面設置陰極電極18時，奈米碳管144的第一端1442與陰極電極18直接接觸，但並未嵌入陰極電極18的內部。
請參見圖11，本發明第五實施例提供一種聚合物太陽能電池500，該聚合物太陽能電池500與第一實施例提供的聚合物太陽能電池100基本相似，其區別係：第一實施例提供的聚合物太陽能電池100中，奈米碳管144的長度延伸方向垂直於聚合物層142的第一聚合物層表面1422；第五實施例提供的聚合物太陽能電池500中，奈米碳管144的長度延伸方向與聚合物層142的第一聚合物層表面1422形成一夾角，該夾角大於0並且小於90度。優選地，該夾角大於30並且小於60度。所述聚合物太陽能電池500的優點係：由於奈米碳管144在聚合物層142中傾斜，增大了奈米碳管144與聚合物層142接觸的表面，也即奈米碳管144受體與聚合物層142給體的接觸表面或介面增大，有利於更多的激子形成電子和空穴，從而提高聚合物太陽能電池500的光電轉換效率。
本發明第五實施例進一步提供聚合物太陽能電池500的製備方法，該製備方法與第一實施例的聚合物太陽能電池100的製備方法基本相同，其區別係：第五實施例提供的聚合物太陽能電池500的製備方法中，在聚合物溶液22固化成聚合物層142之前，進一步包括一擠壓奈米碳管陣列20的步驟。具體的，可以採用一施壓裝置擠壓奈米碳管陣列20，使奈米碳管144傾斜。通過壓力大小的控制，可以控制奈米碳管144的傾斜程度，從而使奈米碳管144的長度延伸方向與聚合物層142的第一聚合物層表面1422形成大於0且小於90度的夾角。
相對於先前技術，本發明提供的聚合物太陽能電池100至500具有以下優點：1、奈米碳管144的第一端1442從聚合物層142中暴露出來，並且與陰極電極18直接接觸，由於奈米碳管144軸向方向的導電性好，而垂直於奈米碳管144軸向方向的導電性差，故奈米碳管144的第一端1442與陰極電極18直接接觸，提高了奈米碳管144與電極之間的電傳導性；2、本發明利用奈米碳管陣列20與聚合物層142的複合來製備聚合物太陽能電池100至500，由於奈米碳管陣列20中複數個奈米碳管144本身就係定向排列，無需再借助磁場等外界力量使奈米碳管144定向。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100，200，300，400，500‧‧‧聚合物太陽能電池
10‧‧‧支撐體
12‧‧‧陽極電極
14‧‧‧光活性層
142‧‧‧聚合物層
1422‧‧‧第一聚合物層表面
1424‧‧‧第二聚合物層表面
144‧‧‧奈米碳管
1442‧‧‧第一端
1444‧‧‧第二端
16‧‧‧絕緣層
18‧‧‧陰極電極
20‧‧‧奈米碳管陣列
202‧‧‧第一表面
204‧‧‧第二表面
22‧‧‧聚合物溶液
24‧‧‧反射層
26‧‧‧激子阻擋層
28‧‧‧容器
30‧‧‧生長基底
40‧‧‧彈性支撐體
圖1為本發明第一實施例提供的聚合物太陽能電池的結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的聚合物太陽能電池的製備方法的工藝流程圖。
圖3為本發明第一實施例提供的將奈米碳管陣列設置於聚合物溶液中的工藝流程圖。
圖4為本發明第一實施例提供的將奈米碳管陣列設置於聚合物溶液中的另一工藝流程圖。
圖5為本發明第一實施例提供的預處理奈米碳管陣列的結構示意圖。
圖6為本發明第一實施例提供的聚合物太陽能電池的另一種製備方法的工藝流程圖。
圖7為本發明第二實施例提供的聚合物太陽能電池的結構示意圖。
圖8為本發明第三實施例提供的聚合物太陽能電池的結構示意圖。
圖9為本發明第四實施例提供的聚合物太陽能電池的結構示意圖。
圖10為本發明第四實施例提供的聚合物太陽能電池的製備方法的工藝流程圖。
圖11為本發明第五實施例提供的聚合物太陽能電池的結構示意圖。
無
Claims (10)
- 一種聚合物太陽能電池，包括一陽極電極、一光活性層和一陰極電極依次層疊設置，所述光活性層包括一聚合物層和分散在該聚合物層中的複數個奈米碳管，每一奈米碳管具有相對的第一端和第二端，其改良在於，所述聚合物太陽能電池進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置在所述光活性層和陰極電極之間，所述第一端穿過所述絕緣層與所述陰極電極直接接觸，所述第二端包埋在所述聚合物層中。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，所述複數個奈米碳管相互平行且間隔設置。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，所述聚合物層具有一表面，該表面與所述絕緣層直接接觸，所述複數個奈米碳管的長度延伸方向與聚合物層的所述表面形成一大於0度並且小於90度的夾角。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，所述聚合物層具有一表面，該表面與所述絕緣層直接接觸，所述複數個奈米碳管的長度延伸方向垂直於聚合物層的所述表面。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，所述複數個奈米碳管的第一端嵌入所述陰極電極的內部。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，每一奈米碳管由一第一部分、一第二部分和一第三部分組成，所述第一部分嵌在聚合物層中，所述第二部分嵌在絕緣層中，所述第三部分嵌在陰極電極中。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，所述複數個奈米碳管的第一端與所述絕緣層遠離聚合物層的表面齊平。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，進一步包括一反射層，該反射層設置在所述陰極電極遠離所述絕緣層的表面。
- 如請求項1所述的聚合物太陽能電池，其中，進一步包括一激子阻擋層，該激子阻擋層設置在所述光活性層和所述陽極電極之間，或者設置在所述光活性層和所述絕緣層之間。
- 一種聚合物太陽能電池，包括一陽極電極、一光活性層和一陰極電極依次層疊設置，所述光活性層包括一聚合物層和分散在該聚合物層中的複數個奈米碳管，每一奈米碳管由第一部分、第二部分和第三部分組成，其改良在於，所述聚合物太陽能電池進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置在所述光活性層和陰極電極之間，所述第一部分嵌在聚合物層中，所述第二部分嵌在絕緣層中，所述第三部分與陰極電極直接接觸。
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