基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于漸變混合活性層為銜接層有 機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球能源需求量的逐年增加，對(duì)可再生能源的有效利用成為急需解決的問(wèn) 題。目前世界上使用的能源大多數(shù)來(lái)自于化石能源的開(kāi)采，其中包括石油，天然氣和煤等。 然而，這些資源都是有限的。相比之下，占地球總能量99 %以上的太陽(yáng)能具有取之不盡，用 之不竭，沒(méi)有污染等特點(diǎn)，因而成為世界各國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)和利用的綠色新能源之一。太陽(yáng)能 電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的光伏器件，其中，無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的技術(shù)較為成熟，效率遠(yuǎn)高 于有機(jī)太陽(yáng)能電池。然而，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的加工工藝非常復(fù)雜、材料要求苛刻、制造能耗 大、不易進(jìn)行大面積柔性加工、生產(chǎn)設(shè)備昂貴、某些材料具有毒性等，這些缺點(diǎn)制約了無(wú)機(jī) 太陽(yáng)電池的進(jìn)一步發(fā)展。有機(jī)太陽(yáng)能電池以其簡(jiǎn)單地工藝，廉價(jià)的材料，廣泛的適用性，大 規(guī)模的成產(chǎn)量、污染少、質(zhì)量輕，可折疊等特點(diǎn)，逐步的走向主導(dǎo)地位。
[0003] 目前，有機(jī)太陽(yáng)能電池的最大難題是其轉(zhuǎn)化效率低。目前的最高的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng) 超過(guò)10%，但是價(jià)格距離商業(yè)應(yīng)用還有一定差距，所以廉價(jià)的提高轉(zhuǎn)化效率是有機(jī)太陽(yáng)能電 池研宄的主要的目標(biāo)。有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率低的因素有很多，如光伏材料吸收光能少， 所產(chǎn)生的激子易于復(fù)合，激子傳輸距離的限制，導(dǎo)致激子大量堆積而淬滅。每一種有機(jī)材料 能夠吸收的光譜寬度有限，許多材料只對(duì)狹窄的光譜范圍敏感，解決這個(gè)問(wèn)題的主要方法 有兩種：尋找頻譜吸收范圍更廣的材料或者利用能夠吸收不同光譜范圍的多種材料。前者 需要產(chǎn)生全新的光伏材料，實(shí)現(xiàn)難度較大，而后者則可以利用現(xiàn)存的材料進(jìn)行匹配。在一般 的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件上面，激子再?gòu)?fù)合一直是一個(gè)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題來(lái)自于激子本身傳輸 距離，想要解決這個(gè)問(wèn)題一般是通過(guò)混合形成體異質(zhì)結(jié)或者多個(gè)平面異質(zhì)結(jié)。前者將有機(jī) 材料進(jìn)行互相摻雜，這樣利用體異質(zhì)結(jié)的特點(diǎn)，即大量增加兩種材料接觸面，激子可以不用 傳輸立即分離，提高了傳輸效率；后者整個(gè)器件吸收光后產(chǎn)生的激子就不必須擴(kuò)散到那唯 一的異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行激子的分離，在其他靠近激子的異質(zhì)結(jié)界面也可以進(jìn)行激子的分離， 大大提高了激子的分離效率。
[0004] 但是這樣的結(jié)構(gòu)所形成的太陽(yáng)能電池FF依舊不是特別高，有些激子長(zhǎng)度很短依 舊傳輸不到，活性層厚度和激子長(zhǎng)度之間的博弈依然存在。因此如果提高激子傳輸效率和 分離效率是太陽(yáng)能電池的研宄重點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0005] 申請(qǐng)人前期的申請(qǐng)?zhí)枮?01510167606. 9的專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于雙層混合活 性層的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法，其采用雙層的混合活性層來(lái)提高激子的傳輸和 分離效率。其混合活性層采用的固定濃度，雖然能在一定程度上提高激子的傳輸和分離效 率，但效果還是不夠理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的如何提供一種基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，提 高有機(jī)太陽(yáng)能電池激子傳輸效率和分離效率。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池， 采用正型結(jié)構(gòu)，從下到上依次為透明襯底、透明陽(yáng)極電極、陽(yáng)極修飾層、給體材料層、銜接層 一、雙極性材料層、銜接層二、受體材料層、電子緩沖層和陰極電極，銜接層一是由P型材 料和雙極性材料互相混合形成，銜接層二是由雙極性材料和N型材料互相混合形成；其特 征在于，銜接層一中P型材料和雙極性材料的混合比例從4:1逐漸變化成1:4,其厚度為 (90-3X) /2nm;雙極性材料層的厚度為Xnm;銜接層二中雙極性材料和N型材料的混合比 例從4:1逐漸變化成1:4,其厚度為（90-3X)/2nm;受體材料的厚度為Xnm，其中X的取值 為20~30。
[0008] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，P型材料為：聚（3-己基噻吩)、聚（2-甲氧基-5-(2-乙基 己氧基）-1，4-亞苯基乙撐）、聚[[9- (1-辛基壬基）-9H-咔唑-2, 7-二基]-2, 5-噻吩二 基-2, 1，3-苯并噻二唑-4, 7-二基-2, 5-噻吩二基]、聚苯乙烯撐系列材料、聚噻吩系列材 料或基于芳環(huán)并噻二唑基團(tuán)的給體材料中的一種或它們的混合，本發(fā)明中優(yōu)選采用TTPA 材料。
[0009] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，N型材料為：富勒烯衍生物、BBUPTPTB或含芘酰亞胺聚合物 中的一種或它們的混合，本發(fā)明中優(yōu)選采用C6tl材料。
[0010] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，雙極性材料是酞菁類化合物，本發(fā)明中采用亞酞菁。
[0011] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，銜接層一由TTPA和SubPc混合形成，銜接層二由SubPc和C6q 混合形成。
[0012] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，所述陽(yáng)極修飾層為有機(jī)導(dǎo)電聚合物薄膜或金屬氧化物薄膜， 其中有機(jī)導(dǎo)電聚合物薄膜為PEDOT:PSS或PANI類有機(jī)導(dǎo)電聚合物薄膜，金屬氧化物薄膜 為氧化鉬薄膜或氧化鎳薄膜，本發(fā)明中采用M〇03。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，透明襯底是玻璃或者柔性基片或者金屬片；透明陽(yáng)極電極是 金屬氧化物薄膜；陰極電極是鋰、鎂、鈣、鍶、鋁或銦中的一種或由它們的合金，本發(fā)明中優(yōu) 選采用Ag作為陰極電極。
[0014] 本發(fā)明提供了一種基于漸變混合活性層銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法， 它包括以下步驟： ① 洗由透明襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ITO所組成的基板，然后用氮?dú)獯蹈桑?② 在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ITO表面制備得到陽(yáng)極極修飾層； ③ 在陽(yáng)極修飾層上制備形成給體材料層； ④ 在給體材料層上制備形成銜接層一； ⑤ 在銜接層一上制備形成雙極性材料層； ⑥ 在雙極性材料層上制備形成銜接層二； ⑦ 在銜接層二上制備形成受體材料層； ⑧ 在受體材料層上制備形成電子緩沖層； ⑨ 在電子緩沖層上制備形成陰極。
[0015] 進(jìn)一步地，透明陽(yáng)極電極，陽(yáng)極修飾層和陰極電極通過(guò)真空熱蒸鍍、磁控濺射、等 離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積、絲網(wǎng)印刷或打印中的一種方法制備。
[0016] 進(jìn)一步地，銜接層一、銜接層二和電子緩沖層通過(guò)等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積、 熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的一種方法制備。
[0017] 本發(fā)明中銜接層是由三種主體材料兩兩摻雜形成的，三種材料分別為P型材料、 N型材料和雙極性材料，由于P、N和雙極性之間的極性匹配，可以形成兩種異質(zhì)結(jié)界面，分 別是P型/雙極性和雙極性/N型，兩種異質(zhì)結(jié)界面。然后將P型材料和雙極性材料，雙極 性材料和N型材料互相混合形成銜接層，進(jìn)一步提高兩種異質(zhì)結(jié)界面的"數(shù)量"，從而提高 激子的分離效率，又由于銜接層的濃度梯度變化，是能級(jí)梯度良好，載流子的傳輸也更加流 暢。同時(shí)，三種材料的吸收光譜互相不重疊，使得器件的光吸收增加。
[0018] 在P型/雙極性/N型串聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在各活性層之間添加了銜接層，有利于活 性層之間的成膜性和電子空穴的傳輸。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比：本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.提高了光譜的吸收范圍。
[0020] 2.提高了載流子的生成率。
[0021] 3.增加了激子的分離界面，從而提高了激子的利用效率。
[0022] 4.提高了載流子的傳輸效率。
[0023] 5.增加了電池轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明一種基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖2是本發(fā)明一種基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池活性層內(nèi)部激 子分離以及載流子迀移的示意圖； 圖3是本發(fā)明一種基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池各個(gè)材料的光 譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于漸變混合活性層為銜接層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電 池，如圖1所示，器件結(jié)構(gòu)包括透明襯底1，透明陽(yáng)極電極2，陽(yáng)極修飾層3，給體材料層4，銜 接層一 5,雙極性材料層6,銜接層二7,受體材料層8,電子緩沖層9,陰極電極10。
[0026] 本發(fā)明中的透明襯底1是整個(gè)器件的支撐，并且至少在可見(jiàn)光頻率范圍內(nèi)有高的 透過(guò)率，具有一定防水汽和氧氣滲透的作用，表面的平整度較高，它可以是玻璃、柔性基片、 金屬片或金屬箔片。
[0027] 本發(fā)明中的透明陽(yáng)極電極2的材料是無(wú)機(jī)金屬