太陽能電池器件及其制備方法
【專利摘要】一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述陰極包括層疊于所述電子緩沖層表面的金屬透過層、層疊于所述金屬透過層表面的金屬氧化物層及層疊于所述金屬氧化物層表面的金屬導電層，所述金屬透過層的材料為鋁、銀、金或鉑，所述金屬氧化物層的材料為二氧化鈦、氧化鋅或五氧化二釩，所述金屬導電層的材料為鋁、銀、金或鉑，所述金屬透過層的厚度為5nm～20nm，所述金屬導電層的厚度為200nm～500nm。該太陽能電池器件的能量轉換效率較高。此外，還提供了一種太陽能電池器件的制備方法。
【專利說明】太陽能電池器件及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽能電池器件及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 太陽能電池器件由于具有廉價、清潔、可再生等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。目前常 用的太陽能電池器件結構包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極。 活性層的激子分離產生空穴和電子后，空穴到達陽極，電子到達陰極，從而被電極收集，形 成有效的能量轉換。目前，傳統(tǒng)的太陽能電池的能量轉換效率較低。


【發(fā)明內容】

[0003] 基于此，有必要提供一種能量轉換效率較高的太陽能電池器件及其制備方法。
[0004] -種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及 陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與6, 6-苯基-C61_ 丁酸甲酯的混合物，所述陰 極包括層疊于所述電子緩沖層表面的金屬透過層、層疊于所述金屬透過層表面的金屬氧化 物層及層疊于所述金屬氧化物層表面的金屬導電層，所述金屬透過層的材料為鋁、銀、金或 鉬，所述金屬氧化物層的材料為二氧化鈦、氧化鋅或五氧化二釩，所述金屬導電層的材料為 錯、銀、金或鉬，所述金屬透過層的厚度為5nm?20nm，所述金屬導電層的厚度為200nm? 500nm〇
[0005] 在優(yōu)選的實施例中，所述金屬氧化物層的厚度為50nm?200nm。
[0006] 在優(yōu)選的實施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3, 4-二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸 鹽的混合物。
[0007] 在優(yōu)選的實施例中，所述電子緩沖層的材料為疊氮化銫、氟化鋰、碳酸鋰或碳酸 銫。
[0008] 在優(yōu)選的實施例中，所述活性層中所述聚3-己基噻吩與所述6, 6-苯基_C61-丁酸 甲酯的質量比為1:0. 5?1:4。
[0009] 一種太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 在陽極表面上旋涂制備空穴緩沖層；
[0011] 在所述空穴緩沖層上旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-c61-丁酸甲酯的溶液， 形成活性層；
[0012] 在所述活性層的表面依次蒸鍍制備電子緩沖層；
[0013] 在所述電子緩沖層表面蒸鍍制備金屬透過層，所述金屬透過層的材料為鋁、銀、金 或鉬，所述金屬透過層的厚度為5nm?20nm ;
[0014] 在所述金屬透過層表面蒸鍍制備金屬氧化物層，所述金屬氧化物層的材料為二氧 化鈦、氧化鋅或五氧化二釩；及
[0015] 在所述金屬氧化物層表面蒸鍍制備金屬導電層，所述金屬透過層、金屬氧化物層 及金屬導電層組成陰極，所述金屬導電層的材料為鋁、銀、金或鉬，所述金屬導電層的厚度 為 200nm ?500nm。
[0016] 在優(yōu)選的實施例中，所述金屬氧化物層的厚度為50nm?200nm。
[0017] 在優(yōu)選的實施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3, 4-二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸 鹽的混合物。
[0018] 在優(yōu)選的實施例中，所述電子緩沖層的材料為疊氮化銫、氟化鋰、碳酸鋰或碳酸 銫。
[0019] 在優(yōu)選的實施例中，所述活性層中所述聚3-己基噻吩與所述6, 6-苯基_C61-丁酸 甲酯的質量比為1:0. 5?1:4。
[0020] 上述太陽能電池器件及其制備方法，由金屬與金屬氧化物形成三層復合結構的陰 極，陰極由依次層疊的金屬透過層、金屬氧化物層及金屬導電層組成，金屬透過層主要是通 過較薄的厚度，來保證光線的透過，將沒有被活性層吸收的光線得以透過，而金屬氧化物層 主要采用二氧化鈦等大粒徑，比表面積較大的材料組成，通過蒸鍍，在金屬透過層之上形成 一層凹凸狀的顆粒膜層結構，增加金屬透過層表面的粗糙度，這種形狀可使透過的光線進 行散射，改變光子方向，使光子與陰極金屬自由電子的復合損失降低(這種復合會產生光損 失，一般是由垂直光子與平行的自由電子作用而產生)，然后再制備一層金屬導電層，主要 是由較厚的厚度來提高導電性，而厚度的提高而使光線可進行反射，提高陰極反射率，從而 回到活性層再被吸收利用，從而提高光電轉換效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為一實施例的太陽能電池器件的結構示意圖；
[0022] 圖2為一實施例的太陽能電池器件的制備方法流程圖；
[0023] 圖3為實施例1的太陽能電池器件及傳統(tǒng)的太陽能電池器件的電流密度與電壓關 系圖。

【具體實施方式】
[0024] 為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中 給出了本發(fā)明的首選實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所 描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內容更加透徹全面。
[0025] 請參閱圖1，一實施例的太陽能電池器件100包括依次層疊的陽極10、空穴緩沖層 20、活性層30、電子緩沖層40及陰極50。
[0026] 陽極10為銦錫氧化物玻璃（ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃（FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃 (ΑΖ0)或摻銦的氧化鋅玻璃（ΙΖ0)。
[0027] 空穴緩沖層20形成于陽極10表面?？昭ň彌_層20的材料為聚3, 4-二氧乙烯噻 吩（PED0T)與聚苯磺酸鈉（PSS)的混合物。其中PED0T與PSS的質量比為2:1?6:1，優(yōu)選 為2:1?？昭ň彌_層20的厚度為20nm?80nm，優(yōu)選為50nm。
[0028] 活性層30形成于空穴緩沖層20表面?；钚詫?0的材料為聚3-己基噻吩（P3HT) 與6,6_苯基-C 61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的質量為1:0.5?1:4， 優(yōu)選為1:2. 5?；钚詫?0的厚度為100nm?300nm，優(yōu)選為140nm。
[0029] 電子緩沖層40形成于活性層30表面。電子緩沖層40的材料選自疊氮化銫（CsN3)、 氟化鋰（LiF)、碳酸鋰（Li2C03)及碳酸銫（Cs2C0 3)中的至少一種，優(yōu)選為LiF。電子緩沖層 40的厚度為0· 5nm?10nm，優(yōu)選為0· 7nm。
[0030] 陰極50形成于電子緩沖層40表面。陰極50包括形成于層疊于電子緩沖層40表 面的金屬透過層52、層疊于金屬透過層52表面的金屬氧化物層54及層疊于金屬氧化物層 54表面的金屬導電層56。
[0031] 金屬透過層52的材料為鋁（A1)、銀（Ag)、金（Au)或鉬（Pt)。金屬透過層52的厚 度為5nm?20nm。
[0032] 金屬氧化物層54的材料為二氧化鈦（Ti02)、氧化鋅（ZnO)或五氧化二釩（V 205)。金 屬氧化物層的厚度為50nm?200nm。
[0033] 金屬導電層56的材料為錯（A1)、銀（Ag)、金（Au)或鉬（Pt)。金屬導電層56的厚 度為 200nm ?500nm。
[0034] 該太陽能電池器件100,由金屬與金屬氧化物形成三層復合結構的陰極，陰極由依 次層疊的金屬透過層、金屬氧化物層及金屬導電層組成，金屬透過層主要是通過較薄的厚 度，來保證光線的透過，將沒有被活性層吸收的光線得以透過，而金屬氧化物層主要采用二 氧化鈦等大粒徑，比表面積較大的材料組成，通過蒸鍍，在金屬透過層之上形成一層凹凸狀 的顆粒膜層結構，增加金屬透過層表面的粗糙度，這種形狀可使透過的光線進行散射，改變 光子方向，使光子與陰極金屬自由電子的復合損失降低(這種復合會產生光損失，一般是由 垂直光子與平行的自由電子作用而產生)，然后再制備一層金屬導電層，主要是由較厚的厚 度來提高導電性，而厚度的提高而使光線可進行反射，提高陰極反射率，從而回到活性層再 被吸收利用，從而提高光電轉換效率。
[0035] 需要說明的是，上述太陽能電池器件100還可以根據需要設置其他功能層。
[0036] 請同時參閱圖2, 一實施例的太陽能電池器件100的制備方法，其包括以下步驟：
[0037] 步驟S110、在陽極10表面旋涂制備空穴緩沖層20。
[0038] 陽極10為銦錫氧化物玻璃（ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃（FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃 (ΑΖ0)或摻銦的氧化鋅玻璃（ΙΖ0)。
[0039] 本實施方式中，對陽極10前處理包括去除陽極10表面的有機污染物及對陽極 10進行等氧離子處理。將陽極10采用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇、異丙酮各超聲波清 洗15min，以去除基底10表面的有機污染物；對陽極10進行等氧離子處理時間為5min? 15min，功率為10?50W。
[0040] 空穴緩沖層20通過在陽極10表面旋涂含有空穴緩沖材料的溶液制備。旋涂的轉 速為2000rpm?6000rpm，時間為10s?30s，優(yōu)選的，旋涂的轉速為3000rpm，時間為20s。 空穴緩沖材料為聚3, 4-二氧乙烯噻吩（PED0T)與聚苯磺酸鈉 （PSS)的混合物。其中PED0T 與PSS的質量比為2:1?6:1，優(yōu)選為2 :1。含有空穴緩沖材料的溶液中PED0T的質量百分 含量為1%?5%，優(yōu)選為3. 5%，溶劑為水。旋涂后在100°C?200°C下加熱15分鐘?60分 鐘，優(yōu)選在200°C下加熱30分鐘?？昭ň彌_層20的厚度為20nm?80nm，優(yōu)選為50nm。
[0041] 步驟S120、在空穴緩沖層20表面旋涂制備活性層30。
[0042] 活性層30由活性層溶液旋涂在空穴緩沖層20表面制成。旋涂的轉速為 3000rpm?6000rpm，時間為10s?30s，優(yōu)選的，旋涂轉速為4000rpm，時間為10s。活性層 溶液中活性層材料的濃度為8mg/ml?30mg/ml，優(yōu)選為25mg/ml?；钚詫尤芤旱娜軇┻x自 甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一種，優(yōu)選為氯苯?；钚詫硬牧蠟榫?-己基噻吩（P3HT) 與6,6_苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的質量為1:0.5?1:4， 優(yōu)選為1:2. 5。旋涂活性層30在充滿惰性氣體的手套箱中進行，之后在50°C?200°C下退 火5分鐘?100分鐘，優(yōu)選在100°C下退火20分鐘。活性層30的厚度為100nm?300nm， 優(yōu)選為140nm。
[0043] 步驟S130、在活性層30的表面蒸鍍制備電子緩沖層40。
[0044] 電子緩沖層40形成于活性層30表面。電子緩沖層40的材料選自疊氮化銫（CsN3)、 氟化鋰（LiF)、碳酸鋰（Li 2C03)及碳酸銫（Cs2C03)中的至少一種，優(yōu)選為LiF。電子緩沖層 40的厚度為0· 5nm?10nm，優(yōu)選為0· 7nm。
[0045] 蒸鍍在真空壓力為3X 1(Γ3?2X l(T5Pa下進行，蒸鍍速率為0· lnm/s?lnm/s。
[0046] 步驟S140、在電子緩沖層40表面蒸鍍制備金屬透過層52。
[0047] 金屬透過層52的材料為鋁（A1)、銀（Ag)、金（Au)或鉬（Pt)。金屬透過層52的厚 度為5nm?20nm。
[0048] 優(yōu)選的，蒸鍍在真空壓力為3ΧΚΓ3?2Xl(T5Pa下進行，蒸鍍速率為lnm/s? 10nm/s 〇
[0049] 步驟S150、在金屬透過層52的表面蒸鍍制備金屬氧化物層54。
[0050] 金屬氧化物層54的材料為二氧化鈦（Ti02)、氧化鋅（ZnO)或五氧化二釩（V 205)。金 屬氧化物層的厚度為50nm?200nm。
[0051] 金屬氧化物層54采用電子束蒸鍍制備。電子束蒸鍍的能量密度為lOW/cm2? 100W/cm 2。
[0052] 步驟S160、在金屬氧化物層54的表面蒸鍍制備金屬導電層56。
[0053] 金屬導電層56的材料為錯（A1)、銀（Ag)、金（Au)或鉬（Pt)。金屬導電層56的厚 度為 200nm ?500nm。
[0054] 優(yōu)選的，蒸鍍在真空壓力為3ΧΚΓ3?2Xl(T5Pa下進行，蒸鍍速率為lnm/s? 10nm/s 〇
[0055] 上述太陽能電池器件制備方法，制備工藝簡單，制備的太陽能電池器件的能量轉 換效率較高。
[0056] 以下結合具體實施例對本發(fā)明提供的太陽能電池器件的制備方法進行詳細說明。
[0057] 本發(fā)明實施例及對比例所用到的制備與測試儀器為：高真空鍍膜設備(沈陽科學 儀器研制中心有限公司，壓強<lXl(T 3Pa)、電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號： 2602)、用500W氙燈（Osram)與AM1. 5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。
[0058] 實施例1
[0059] 本實施例制備的結構為：IT0/PED0T:PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al/Ti0 2/Al 的太陽能 電池器件。其中，"/"表示層疊結構，"："表示摻雜或混合，以下實施例相同。
[0060] 先將ΙΤ0進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙 醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對導電基底進行氧等離 子處理，處理時間為l〇min，功率為20W ;旋涂制備空穴緩沖層，材料為PED0T:PSS的質量比 為2:1，PED0T的質量分數為3. 5%，旋涂的轉速為3000rpm，時間為20s，旋涂后在200°C下 加熱30min，厚度為50nm ;旋涂活性層，活性層由濃度為25mg/ml的P3HT及PC61BM的溶液 旋涂而成，溶劑為氯苯，P3HT與PC61BM的質量比為1:2. 5,旋涂的轉速為4000rpm，時間為 l〇s，旋涂后在KKTC下退火20分鐘，厚度控制在140nm。然后蒸鍍制備電子緩沖層，材料為 LiF，厚度為0. 7nm，蒸鍍在真空壓力為5X l(T4Pa下進行，蒸鍍速率為0. 2nm/s ;蒸鍍陰極， 陰極包括依次層疊的金屬透過層、金屬氧化物層及金屬導電層，先制備金屬透過層，為A1， 采用熱蒸鍍制備，厚度為l〇nm，接著制備金屬氧化物層，材料為Ti0 2，為電子束蒸鍍，厚度為 lOOnm，最后制備金屬導電層，材料為A1，采用熱蒸鍍制備，厚度為300nm，蒸鍍在真空壓力 為5X l(T4Pa下進行，熱蒸鍍速率為4nm/s，電子束蒸鍍的能量密度為50W/cm2。最后得到所 要的聚合物太陽能電池器件。
[0061] 請參閱圖3,所示為實施例1中制備的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC 61BM/LiF/ Al/Ti02/Al的太陽能電池器件（曲線1)與傳統(tǒng)的結構為ITO/PEDOT :PSS/P3HT:PCBM/LiF/ A1太陽能電池器件（曲線2)的電流密度與電壓關系，表1所示為實施例1中制備的結構 為IT0/PED0T :PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al/Ti02/Al的太陽能電池器件與傳統(tǒng)的結構為ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太陽能電池器件的電流密度、電壓、能量轉換效率（η )及填 充因子數據。傳統(tǒng)的太陽能電池器件中各層厚度與實施例1制備的太陽能電池器件中各層 厚度相同。
[0062] 表 1
[0063]

【權利要求】
1. 一種太陽能電池器件，其特征在于，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子 緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與6, 6-苯基-c61- 丁酸甲酯的混合物， 所述陰極包括層疊于所述電子緩沖層表面的金屬透過層、層疊于所述金屬透過層表面的金 屬氧化物層及層疊于所述金屬氧化物層表面的金屬導電層，所述金屬透過層的材料為鋁、 銀、金或鉬，所述金屬氧化物層的材料為二氧化鈦、氧化鋅或五氧化二釩，所述金屬導電層 的材料為鋁、銀、金或鉬，所述金屬透過層的厚度為5nm?20nm，所述金屬導電層的厚度為 200nm ?500nm。
2. 根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于：所述金屬氧化物層的厚度為 50nm ?200nm〇
3. 根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于：所述空穴緩沖層的材料為聚 3, 4-二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
4. 根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于：所述電子緩沖層的材料為疊 氮化銫、氟化鋰、碳酸鋰或碳酸銫。
5. 根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于：所述活性層中所述聚3-己基 噻吩與所述6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的質量比為1:0.5?1:4。
6. -種太陽能電池器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 在陽極表面上旋涂制備空穴緩沖層； 在所述空穴緩沖層上旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成 活性層； 在所述活性層的表面依次蒸鍍制備電子緩沖層； 在所述電子緩沖層表面蒸鍍制備金屬透過層，所述金屬透過層的材料為鋁、銀、金或 鉬，所述金屬透過層的厚度為5nm?20nm ; 在所述金屬透過層表面蒸鍍制備金屬氧化物層，所述金屬氧化物層的材料為二氧化 鈦、氧化鋅或五氧化二釩；及 在所述金屬氧化物層表面蒸鍍制備金屬導電層，所述金屬透過層、金屬氧化物層及 金屬導電層組成陰極，所述金屬導電層的材料為鋁、銀、金或鉬，所述金屬導電層的厚度為 200nm ?500nm。
7. 根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于：所述金屬氧化物 層的厚度為50nm?200nm。
8. 根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，所述空穴緩沖層的材料為聚 3, 4-二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
9. 根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于：所述電子緩沖層 的材料為疊氮化銫、氟化鋰、碳酸鋰或碳酸銫。
10. 根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于：所述活性層中所 述聚3-己基噻吩與所述6, 6-苯基-C61- 丁酸甲酯的質量比為1:0. 5?1:4。
【文檔編號】H01L31/0224GK104253165SQ201310264315
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優(yōu)先權日:2013年6月27日
【發(fā)明者】周明杰, 黃輝, 馮小明, 王平 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司