專利名稱：一種太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有新型有源層的太陽電池。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求逐年增加，煤炭、石油等一次性能源日漸枯竭，而太陽能作為一種綠色環(huán)保的可再生能源越來越得到各國的重視。經(jīng)過50多年的發(fā)展，單晶硅太陽電池已經(jīng)相當(dāng)成熟，能量轉(zhuǎn)換效率由最初的6%發(fā)展到現(xiàn)在的25%左右，逼近Shockley - Queisser的理論極限。同時多晶娃、非晶娃、砷化鎵、硒銦銅和碲化鎘薄膜電池也得到了極大的發(fā)展，其中多晶硅、非晶硅電池在民用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但無機(jī)半導(dǎo)體太陽電池制備時需要的高純度材料、高溫加工過程和超凈環(huán)境等導(dǎo)致制造成本上升，嚴(yán)重的制約了它的推廣應(yīng)用。有機(jī)薄膜太陽電池作為一種成本低廉、重量輕和柔性等特點(diǎn)得到了極大的關(guān)注。一般來說，有機(jī)太陽電池由玻璃襯底(I)、陽極(2)、陽極緩沖層(3)、有源層(4)、陰極界面層(5)和陰極(6)構(gòu)成(如

圖1所示)。其中，對有源層(4)的結(jié)構(gòu)研究是提高太陽電池效率的關(guān)鍵。美國柯達(dá)公司的C.ff.Tang在1986年借助無機(jī)半導(dǎo)體的PN結(jié)模式制備出效率達(dá)到1%的平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽電池(給體Donor和受體Acceptor結(jié)合形成異質(zhì)結(jié))。隨后體異質(zhì)結(jié)和染料敏化電池被相繼提出并得到發(fā)展。這些電池都要求光生激子在擴(kuò)散距離內(nèi)遷移到給體/受體界面處，通過界面電勢差促使激子離解為電子和空穴，電子由具有較高電子親和能的材料接收并輸運(yùn)到陰極，空穴由具有較低電離勢的材料接收并輸運(yùn)到陽極，從而形成光生電流。由于激子在有機(jī)材料中的擴(kuò)散長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的光吸收厚度，從而限制了有效吸收太陽光的薄膜厚度。1995年俞剛等制成的共混體異質(zhì)結(jié)MEH-PPV和C60互穿網(wǎng)絡(luò)的太陽電池效率達(dá)到2.9%。這種結(jié)構(gòu)中的給體和受體材料形成互穿的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，增大給體/受體(D/A)界面面積，異質(zhì)結(jié)分散到整個有源層，光生激子能就近擴(kuò)散到相應(yīng)的D/A界面分離為電子和空穴，電子和空穴在各自對應(yīng)的相中輸運(yùn)到電極形成光電流。這就是聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽電池[美國專利 5331183(1992)和 5454880(1995)]。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能有效提高聚合物太陽電池的激子擴(kuò)散效率，減少光生激子的復(fù)合概率，使得吸收光能以后產(chǎn)生的光生激子能有效的移到D/A界面分解為電子和空穴。由于共混體系異質(zhì)結(jié)構(gòu)中給體和受體可以看作相互摻雜，而摻雜會導(dǎo)致對材料結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞，光生載流子主要在分子內(nèi)的共價鍵上移動，在分子間的遷移比較困難，導(dǎo)致電子和空穴在遷移過程中的復(fù)合，明顯降低共混體系中兩相材料的遷移率，減少光生電流和降低填充因子。
實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種新型太陽電池。該太陽電池的有源層結(jié)構(gòu)特殊，使得光生激子能就近擴(kuò)散到D/A界面分解為電子和空穴，提高激子分解效率；同時保證電子和空穴在各自結(jié)晶結(jié)構(gòu)內(nèi)遷移，提高載流子遷移率。將該有源層代替常規(guī)有機(jī)太陽電池的有源層，經(jīng)過厚度等的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高有機(jī)太陽電池的效率。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種太陽電池，如圖2所示，包括玻璃襯底層和在玻璃襯底層上依次貼合的陽極層、陽極緩沖層、有源層、陰極界面層和陰極層，所述有源層由垂直于玻璃襯底層排列的多個給體材料層和多個受體材料層組成，該給體材料層和受體材料層交替貼合，且一個給體材料層和與其貼合的一個受體材料層的厚度a小于等于200nm。(所述交替貼合是指在每個給體材料層兩側(cè)貼合有受體材料層或者每個受體材料層兩側(cè)貼合有給體材料層，如圖3所示)所述給體材料層為共軛聚合物層，所述受體材料層為C60及其衍生物或C70及其衍生物層。所述給體材料層優(yōu)選為聚3-已基噻吩層，所述受體材料層優(yōu)選為[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯層。所述有源層的厚度b優(yōu)選為90nm_110nm。所述陽極層優(yōu)選為氧化銦錫層(也可稱之為ITO層)；所述陽極緩沖層優(yōu)選為30nm-40nm的復(fù)合層(也可稱之為PEDOT:PSS層)，其中所述復(fù)合層是聚(3，4- 二氧基噻吩)與聚(苯乙烯磺酸)按照重量比為1:6組成；所述陰極界面層優(yōu)選為0.9nm-l.1nm的氟化鋰層；所述陰極層優(yōu)選為90nm-110nm的鋁層。聚(3，4- 二氧基噻吩)簡稱為PED0T，聚(苯乙烯磺酸)簡稱為PSS。上述太陽電池的制備方法，在涂有ITO陽極層的玻璃襯底上依次涂上陽極緩沖層，有源層，陰極界面層和陰極層，其中有源層的制備包括以下步驟:(I)配制有源層混合液:首先將給體材料和受體材料分別在同一種有機(jī)溶劑中超聲溶解，當(dāng)給體材料完全溶解時將兩者混合，再超聲3-5分鐘，得有源層混合液，其中給體材料和受體材料在有源層混合液中的濃度分別為14 mg/ml-16 mg/ml ；(2)將上述有源層混合液涂膜在太陽電池的陽極緩沖層上，涂膜厚度為90nm_110nm,即可。所述給體材料層優(yōu)選為聚3-已基噻吩，所述受體材料優(yōu)選為[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯，所述有機(jī)溶劑為1，2-二氯苯。下面對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的解釋和說明:本實(shí)用新型制備上述有源層的超聲溶液混合方法，其主要特點(diǎn)是通過控制超聲混合的時間在溶液中自組裝形成受體材料(C60及其衍生物或者C70及其衍生物)納米尺度的薄片狀結(jié)晶，同時，形成給體聚合物材料形成一定的納米尺度結(jié)晶(200 nm以下)環(huán)繞在受體材料納米尺度結(jié)晶的周圍，這樣兩者之間能形成交叉薄片柵格型結(jié)構(gòu)柵格，有效提高制備的太陽電池效率。有源層的結(jié)構(gòu)方式采用TEM (隧道電鏡)的方式獲知。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):1、采用上述有源層制備的太陽電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)和制備方法可大幅提高聚合物太陽電池的性能。2、本實(shí)用新型采用溶液加工技術(shù)，制備工藝簡單，制作成本低。[0027]3、本實(shí)用新型的太陽電池可有效減少聚合物電池的載流子遷移損耗和復(fù)合，提高光生電流和增大填充因子，提高聚合物電池器件性能。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的太陽電池中有源層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是采用本實(shí)用新型提供工藝方法制備的交叉薄片柵格型結(jié)構(gòu)器件的電流電壓特性與傳統(tǒng)體異質(zhì)結(jié)器件(未退火)特性比較結(jié)果圖；其中A為現(xiàn)有傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)電池，B為本實(shí)用新型的產(chǎn)品，很明顯，本實(shí)用新型太陽電池短路電流比傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)電池提高大約
5.18 mA/cm2，開路電壓約提高0.15 V ;在圖1-3中:1_玻璃襯底層；2_陽極層；3_陽極緩沖層；4_有源層；5_陰極界面層；6_陰極層；7_受體材料層；8_給體材料層；9_ 一個給體材料層和與其貼合的一個受體材料層的厚度a ；10-有源層的厚度b，其中向上的箭頭表示光入射的方向。
具體實(shí)施方式
為了更好的理解本實(shí)用新型，下面結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步地詳細(xì)說明。實(shí)施例1如圖2和圖3所不,一種太陽電池,包括玻璃襯底層I和在玻璃襯底層I上依次貼合的陽極層2、陽極緩沖層3、有源層4、陰極界面層5和陰極層6，所述有源層4由垂直于玻璃襯底層I排列的多個給體材料層8和多個受體材料層7組成，該給體材料層8和受體材料層7交替貼合，且一個給體材料層8和與其貼合的一個受體材料層7的厚度a 9為200nm。所述給體材料層8為聚3-已基噻吩層，所述受體材料層7為[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯層。所述有源層4的厚度b (10)為lOOnm。制備和應(yīng)用將買來的固體樣品聚3-己基噻吩(P3HT)和碳60衍生物:[6，6]-苯基-C 61- 丁酸甲酯(PCBM)分別置于干凈的試劑瓶中，加入適量的1，2-二氯苯溶劑，放入超聲浴槽中，當(dāng)P3HT完全溶解時馬上加入PCBM溶液組成混合溶液，混合后的溶液放入超聲浴槽中超聲5分鐘備用。P3HT和PCBM混合溶液濃度分別為15 mg/ml。選擇TinwellTechnology Ltd.Glass 公司的 ITO玻璃，其方塊電阻為 35 Ω / □,大小為38X38 mm2,厚度為1.1 mm。用甲苯、丙酮依次超聲8分鐘；然后用去離子水超聲5分鐘，重復(fù)三遍；氮?dú)獯蹈?，?20 0C的恒溫烘箱中靜置30分鐘，去除ITO表面的有機(jī)物。接著將玻璃片置于勻膠機(jī)上，以3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂35納米左右的PED0T:PSS薄膜(聚(3，4-二氧基噻吩)與聚(苯乙烯磺酸)按照重量比為1:6組成)在ITO玻璃上，再將樣品置于120 0C的恒溫烘箱中烘干30分鐘，去除殘余溶劑，固化旋涂的PED0T:PSS薄膜。將帶有35 nm厚PEDOT: PSS薄膜的ITO玻璃置于UV燈下照射25分鐘，然后將其置于WS-400B-8TFM/LITE旋涂機(jī)中，將已經(jīng)制備好的P3HT和PCBM混合溶液倒在上面，旋涂得到大約100 nm的P3HT和PCBM混合薄膜，然后將樣品轉(zhuǎn)入無水無氧手套箱中，去除不需要的部分，將樣品裝入真空蒸發(fā)臺中，在高真空環(huán)境Γ5 10_6托)使用熱蒸發(fā)淀積I nm厚的LiF。最后，使用掩模版、熱蒸發(fā)淀積100 nm厚的鋁(Al)陰極；淀積過程中，淀積速率、膜厚由石英晶體振蕩器膜厚監(jiān)測儀監(jiān)測和控制。太陽電池接收光區(qū)域由掩膜與ITO交互覆蓋的區(qū)域確定為0.099 cm2。ITO玻璃上混合層的光吸收采用Perkin-Elmer Lambda 900紫外-可見光-紅外(UV-Vis-NIR)光譜儀進(jìn)行測量。采用Dektak3 ST臺階儀測量薄膜厚度。室溫下，使用帶有可調(diào)Oriel 69907電源模塊的Oriel 150W太陽光模擬器，太陽光密度采用Oriel輻射功率表進(jìn)行測量，以100 mff/cm2為標(biāo)準(zhǔn)輻射照度的光進(jìn)行照射，分另IJ在暗環(huán)境和AMl.5太陽光 照下測量器件的電流-電壓特性，由此，太陽光能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式如下:
權(quán)利要求1.一種太陽電池，包括玻璃襯底層(I)和在玻璃襯底層(I)上依次貼合的陽極層(2)、陽極緩沖層(3)、有源層(4)、陰極界面層(5)和陰極層(6)，其特征是，所述有源層(4)由垂直于玻璃襯底層(I)排列的多個給體材料層(8)和多個受體材料層(7)組成，該給體材料層(8)和受體材料層(7)交替貼合，且一個給體材料層(8)和與其貼合的一個受體材料層(7)的厚度a (9)小于等于200nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種太陽電池，其特征是，所述給體材料層(8)為共軛聚合物層，所述受體材料層(7 )為C60及其衍生物或C70及其衍生物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種太陽電池，其特征是，所述給體材料層(8)為聚3-已基噻吩層，所述受體材料層(7)為[6，6]-苯基-C61- 丁酸甲酯層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種太陽電池，其特征是，所述有源層(4)的厚度b(10)為 90nm_110nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種太陽電池，其特征是，所述陽極層(2)為氧化銦錫層；所述陽極緩沖層(3)為30nm-40nm的復(fù)合層；所述陰極界面層(5)為0.9nm_l.1nm的氟化鋰層；所述陰極層(6)為90nm-110nm的招層。
專利摘要本實(shí)用新型屬于光電器件領(lǐng)域，具體提供了一種具有新型有源層的太陽電池。該太陽電池包括玻璃襯底層(1)和在玻璃襯底層(1)上依次貼合的陽極層(2)、陽極緩沖層(3)、有源層(4)、陰極界面層(5)和陰極層(6)，所述有源層(4)由垂直于玻璃襯底層(1)排列的多個給體材料層(8)和多個受體材料層(7)組成，該給體材料層(8)和受體材料層(7)交替貼合，且一個給體材料層(8)和與其貼合的一個受體材料層(7)的厚度a(9)小于等于200nm。該太陽電池的有源層結(jié)構(gòu)，使得光生激子能就近擴(kuò)散到D/A界面分解為電子和空穴，提高激子分解效率；同時提高載流子遷移率。
文檔編號H01L51/42GK203165951SQ20132001897
公開日2013年8月28日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者陳衛(wèi)兵, 許中華, 楊偉豐 申請人:陳衛(wèi)兵