專利名稱：效率提高的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容總體上涉及太陽能電池。特別地，本公開內(nèi)容涉及效率提高的太陽能 電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
多種太陽能電池已被研發(fā)以將光轉(zhuǎn)換成電。在已知的太陽能電池中，每種都具有 某些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。仍然需要提供可供選擇的效率提高的太陽能電池以及制造太陽能電池的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本公開內(nèi)容總體上涉及效率提高的太陽能電池以及制造太陽能電池的方法。示例 性的太陽能電池包括基板、和連接到基板的納米支柱陣列。在納米支柱陣列上方設(shè)置有自 組裝單層，在自組裝單層上方設(shè)置有活性層。在一些情形中，納米支柱陣列可以是納米管或者納米線陣列，其可以包括TiO2/ ZnO或者任何其他適合的材料，或者由Ti02/Zn0或任何其他適合的材料制成。自組裝單層 可以是或者可以包括設(shè)置在納米支柱層上的烷烴二硫醇層?；钚詫涌梢允腔蛘呖梢园?P3HT/PCBM，并且可以設(shè)置在自組裝單層上。這些僅是示例的材料。制造太陽能電池的示例 方法可以包括提供基板，在基板上設(shè)置納米支柱陣列，在納米支柱陣列上設(shè)置自組裝單層 例如烷烴二硫醇單層，然后在自組裝單層上設(shè)置活性層。還可以為太陽能電池提供陽極和 陰極電極。上述概述并不打算描述公開內(nèi)容中的每個(gè)實(shí)施方案或者每個(gè)技術(shù)特征。隨后的附 圖和具體實(shí)施方式
更詳細(xì)地舉例說明某些示例性的實(shí)施方案。


連同附圖并考慮對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施方案的詳細(xì)說明，可以更完全的理解本發(fā)明， 其中圖1是示例性的太陽能電池的示意性的橫截面?zhèn)纫晥D。盡管本發(fā)明能夠進(jìn)行各種變形和替換形式，但是其具體細(xì)節(jié)已經(jīng)通過舉例方式顯 示在附圖中并將進(jìn)行詳細(xì)描述。但是，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不受限于所述的特定實(shí)施方 案。相反，目的是覆蓋落入本發(fā)明精神和范圍的全部變形、等價(jià)物以及可選形式。
具體實(shí)施例方式對(duì)于隨后定義的術(shù)語，應(yīng)使用這些定義，除非在權(quán)利要求書中或本說明書的其他 地方給出了不同的定義。將所行數(shù)值在這里假定為用術(shù)語“大約”修飾，而不管是否為明確指示。術(shù)語“大 約”通常指本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)為和所列數(shù)值等價(jià)(即，具有相同的功能或結(jié)果)的數(shù)值范 圍。在許多情況中，術(shù)語“大約”可以包括四舍五入到最接近的有效數(shù)值的數(shù)。通過端點(diǎn)記載的數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)的所有數(shù)值(即，1到5包括1、1. 5、2、 2. 75,3,3. 80、4 和 5)。如本說明書和附上的權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“a(某)”、“an (某個(gè))”和 “the (該，所述)”包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除非文中明確有另外說明。如本說明書和附上的權(quán)利要求 書中所使用的，通常按其含義應(yīng)用術(shù)語“或”，包括“和/或”，除非文中明確有另外說明。如本說明書中所使用的，術(shù)語“陣列，，可以包括成規(guī)則的、不規(guī)則的和/或隨機(jī)的 或偽隨機(jī)的圖案形式的一組元件。例如，納米管或納米線陣列可以包括排列成規(guī)則的、不規(guī) 則的和/或隨機(jī)的或偽隨機(jī)的圖案形式的納米管或納米線元件組。應(yīng)參考附圖來閱讀隨后的描述。附圖，其不必按比例繪制，描述了示例性的實(shí)施方 案，而且不打算限制本發(fā)明的范圍。多種太陽能電池(還可以將其稱作光生伏打和/或光伏電池)被研發(fā)以將太陽光 轉(zhuǎn)換成電。一些示例的太陽能電池包括晶體硅層。第二和第三代太陽能電池經(jīng)常利用沉積 或以其他方式設(shè)置在基板上的光伏材料薄膜(即“薄的”膜)?？梢愿鶕?jù)沉積的光伏材料將 這些太陽能電池進(jìn)行分類。例如，無機(jī)薄膜光生伏打可以包括無定形硅薄膜、微晶硅薄膜、 CdS薄膜、CdTe薄膜、Cu2S薄膜、銅銦聯(lián)硒化物(CIQ薄膜、銅銦鎵聯(lián)硒化物(CIGQ薄膜等 等。有機(jī)薄膜光生伏打可以包括聚合物(一種或多種)薄膜、本體異質(zhì)結(jié)薄膜、有序異質(zhì)結(jié) 薄膜、富勒烯薄膜、聚合物/富勒烯混合物薄膜、光合成材料薄膜等等。這些僅是示例。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)光生伏打中，效率會(huì)起到重要的作用。與效率相關(guān)的一個(gè)因素是活 性層的厚度。通常，較厚的活性層能夠吸收更多的光。這可以合意地改進(jìn)電池的效率。但 是，由于較大的內(nèi)部電阻和/或重組增加，較厚的活性層經(jīng)常失去更多的電荷，這降低了效 率。較薄的活性層可能具有較小的內(nèi)部電阻和/或重組減少，但是，典型地不會(huì)像較厚的活 性層一樣有效的吸收光。例如，通過增加活性層的光吸收能力同時(shí)減小內(nèi)部電阻和/或重組，將這里公開 的太陽能電池設(shè)計(jì)得更有效。這里公開的制造光生伏打和/或光伏電池的方法以較低的成 本產(chǎn)生更有效的光生伏打?yàn)槟繕?biāo)。這里公開的至少一些太陽能電池利用包括聚合物(一種或多種)的活性層。例如， 這里公開的至少一些太陽能電池包括活性層，該活性層包括使用了導(dǎo)電性聚合物的本體異 質(zhì)結(jié)(BHJ)。由于多種原因，包括基于導(dǎo)電性聚合物的BHJ的太陽能電池可能是合意的。例 如，制造基于導(dǎo)電性聚合物的BHJ的成本可以比制造其他類型太陽能電池的活性層的成本 低。這可能是由于和用于制造這樣的BHJ(例如聚合物)太陽能電池的材料相關(guān)的低成本 以及可能使用了輥對(duì)輥和/或其他有效的制造技術(shù)。圖1是示例性的太陽能電池10的示意性的橫截面?zhèn)纫晥D。在示例性的實(shí)施例中，太陽能電池10包括基板12?；?2可以包括或者以其它方式采用第一電極的形式(例 如，陰極或正極)。材料層14可以電連接或以其它方式設(shè)置在基板12上。在該示例性的實(shí) 施方案中，材料層14可以由適合從太陽能電池10的活性層18接收激子的材料形成。材料 層14可以包括或者形成為結(jié)構(gòu)化圖案或陣列，例如納米支柱陣列14(例如，納米線、納米管 等等)。雖然圖1的納米支柱陣列示為納米支柱元件的規(guī)則圖案，但是正如期望的，考慮納 米支柱陣列可以設(shè)置成規(guī)則的、不規(guī)則的和/或隨機(jī)的或偽隨機(jī)的圖案。如圖1所示，可以將層16設(shè)置在納米支柱陣列14上或上方。將層16示為大體上 追隨納米支柱陣列14的圖案，但這不是必需的。示出了如果需要將活性層18連接或者以 其他方式設(shè)置在層14/16中的結(jié)構(gòu)化圖案或陣列上。這樣，活性層18“填充”在層14/16中 的結(jié)構(gòu)化圖案或陣列中，從而至少部分使器件平坦化。太陽能電池10還可以包括電連接到 活性層18的第二電極20(例如，陽極或負(fù)極)。在一些實(shí)施方案中，電極的極性可以顛倒。 例如，基板和/或第一電極12可以是陽極并且第二電極20可以是陰極。因此，第一電極12 可以接收來自活性層18的電子，第二電極20可以接收來自活性層18的空穴。當(dāng)提供時(shí)，基板12可以由任何數(shù)目的不同材料制成，包括聚合物、玻璃和/或透明 材料。在一個(gè)例子中，基板12可以包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、低鐵玻璃、或任 何其他合適的材料、或者合適材料的組合。在另一個(gè)例子中(例如，其中基板12包括第一 電極)，基板12可以包括摻雜氟的氧化錫、銦錫氧化物、摻雜鋁的氧化鋅、任何其他合適的 導(dǎo)電性無機(jī)元素或化合物、導(dǎo)電性聚合物以及其它導(dǎo)電性材料、或者希望的任何其他合適 的材料。在一些實(shí)施方案中，如果需要，太陽能電池10可以缺少基板12，并相反可以依靠其 他結(jié)構(gòu)來形成基層。在一些例子中，層14可以包括電子導(dǎo)體。在一些情況下，電子導(dǎo)體可以是η型電子 導(dǎo)體，但這不是必需的。電子導(dǎo)體可以是金屬性的和/或半導(dǎo)性的，例如TW2和/或加0。 在一些情況下，電子導(dǎo)體可以是導(dǎo)電聚合物，例如經(jīng)摻雜以導(dǎo)電和/或改進(jìn)其導(dǎo)電性的聚 合物。在一些例子中，可以由燒結(jié)過的二氧化鈦形成電子導(dǎo)體。如下面進(jìn)一步描述的，如果 需要，層14可以采用納米支柱陣列的形式。活性層18可以包括各種不同的材料。在一些實(shí)施方案中，活性層18可以包括一 種或多種材料或者一層或多層。在一個(gè)例子中，活性層18可以包括電子供體材料或?qū)优c電 子受體材料或?qū)拥幕ゴ┑木W(wǎng)絡(luò)。在另一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，活性層18可以包括一種或 多種聚合物或者一個(gè)或多個(gè)聚合物層。在一個(gè)例子中，活性層18可以包括電子供體聚合物 與電子受體聚合物的互穿的網(wǎng)絡(luò)。在至少一些實(shí)施方案中，活性層18可以包括聚-3-己基噻吩(P3HT)和^，6]-苯 基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的互穿的網(wǎng)絡(luò)。預(yù)料，如果需要，可以使用其他材料。P3HT是光 活性聚合物。因此，P3HT材料可以吸收光并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(激子)。雖然不受限于理 論，但是相信由于光被活性層18吸收，產(chǎn)生了擴(kuò)散到活性層18內(nèi)的接近P3HT/PCBM界面的 激子。然后可以將電子注入到PCBM中，這可以具有與P3HT相關(guān)的能量帶隙，從而易于接收 來自P3HT材料的電子。然后可以將電子沿PCBM鏈傳輸?shù)降诙姌O20?？昭梢栽赑3HT 內(nèi)傳輸?shù)街T如層14中的納米支柱陣列的附近支柱并最終傳輸?shù)降谝浑姌O12。如上所示， 層14可以具有與活性層18相關(guān)的能量帶隙，其適于接收來自活性層18的激子(例如，空 穴)。
打算將其他材料用于活性層18。例如，活性層18可以包括低帶隙聚合物、小分子 材料、有機(jī)小分子等等。在一些實(shí)施方案中，活性層18可以包括以下材料中的一種或多種酞菁銅/ 富勒烯 C6tl (CuPc/Cj，聚[9，9-二癸烷芴-alt-(雙-亞噻吩基)苯并噻二唑(poly[9，9-didecanefluo rene-alt- (bis-thienylene)benzothiadiazole])，APFO-Green 5，聚[N-9-十七烷基-2，7-咔唑-alt-5，5_(4’，7’二 _2_ 噻吩基 _2，，1，，3，-苯并 @ 二 P坐)](poly [N-9-heptadecanyl-2, 7-carbazole-alt-5, 5- (4', 7' di_2_thienyl_2，， 1，，3， -benzothiadiazole)]),聚[2，6-G，4-雙-(2-乙基己基)-4H_環(huán)戊[2，l_b ;3，4_b2] - 二噻吩)-alt_4， 7- (2，1，3-苯并噻二唑)](poly [2,6- (4，4-bis- (2-ethylhexyl) -4H_cyclopenta[2，l_b ； 3,4~b2]-dithiophene)_alt_4，7-(2,1,3-benzothiadiazole)])，聚{5，7-二-2-噻吩基-2，3-雙(3，5_ 二 (2_乙基己氧基)苯基)噻吩并[3，4_b] 批嗪} (poly{5,7-di-2-thienyl-2,3-bis(3,5-di(2-ethylhexyloxy)phenyl)thieno[3, 4~b]pyrazine}),鉬(II )聚炔烴聚合物，PCBM,P3HT 以及具有以下結(jié)構(gòu)的PIF-DTP
權(quán)利要求
1.太陽能電池(10)，包括: 基板(12)；連接到所述基板(12)的納米支柱陣列(14)；設(shè)置在所述納米支柱陣列(14)上的自組裝單層(16)；以及設(shè)置在所述自組裝單層(16)上的活性層(18)。
2.權(quán)利要求1的太陽能電池(10)，其中所述基板(12)包括玻璃。
3.權(quán)利要求1-2中任一個(gè)的太陽能電池(10)，其中所述基板(1 包括聚對(duì)苯二甲酸 乙二醇酯。
4.權(quán)利要求1-3中任一個(gè)的太陽能電池(10)，其中所述納米支柱陣列(14)包括Ti02。
5.權(quán)利要求1-4中任一個(gè)的太陽能電池(10)，其中所述納米支柱陣列(14)包括&ι0。
6.權(quán)利要求1-5中任一個(gè)的太陽能電池(10)，其中所述自組裝單層(16)包括烷烴二 硫醇層(14)。
7.權(quán)利要求6的太陽能電池(10)，其中所述自組裝單層(16)包括十八烷硫醇。
8.權(quán)利要求1-7中任一個(gè)的太陽能電池(10)，其中所述活性層(18)選自包含有 機(jī)小分子、聚合物、電子供體和電子受體的互穿網(wǎng)絡(luò)、以及聚-3-己基噻吩和W，6]_苯 基-C61- 丁酸甲酯的互穿網(wǎng)絡(luò)的組。
9.太陽能電池(10)，包括: 第一層(14)；設(shè)置在所述第一層(14)上的烷烴二硫醇層(14)；以及 設(shè)置在烷烴二硫醇層(14)上的活性層(18)。
10.制造太陽能電池(10)的方法，包括 提供基板(12)；在所述基板(1 上方提供納米支柱陣列(14)；在所述納米支柱陣列(14)上提供烷烴二硫醇單層(16)；以及在所述烷烴二硫醇單層 (16)上提供活性層(18)。
全文摘要
本發(fā)明涉及效率提高的太陽能電池。具體而言，公開了太陽能電池以及制造太陽能電池的方法。示例的太陽能電池可以包括基板，在一些情形中所述基板可以作為電極，相對(duì)于所述基板連接到所述基板上的納米支柱陣列，設(shè)置在所述納米支柱陣列上的自組裝單層，設(shè)置在所述自組裝單層上的活性層，以及電連接到活性層的電極。在一些情形中，所述自組裝單層可以包括烷烴二硫醇，并且所述活性層可以包括光活性聚合物，但這不是必需的。
文檔編號(hào)H01L51/46GK102142523SQ20101060062
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者L·趙, M·王, Z·鄭 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司