一種新型太陽(yáng)能電池器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型太陽(yáng)能電池器件及其制備方法，屬于太陽(yáng)能電池材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著材料的不斷發(fā)展以及清潔可再生能源重要性的突顯，新型光電材料在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。單晶硅太陽(yáng)能電池的商業(yè)化實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的重要進(jìn)展，也極大的帶動(dòng)了太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。然而單晶硅太陽(yáng)能電池效率難以實(shí)現(xiàn)更大突破，生產(chǎn)流程的苛刻，以及對(duì)高純硅的極大依賴都限制了其進(jìn)一步發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低成本，提高電池效率，新型太陽(yáng)能電池不斷被開(kāi)發(fā)和發(fā)展，如多晶娃，非晶硅太陽(yáng)能電池，多元化合物太陽(yáng)能電池，敏化太陽(yáng)能電池，及有機(jī)太陽(yáng)能電池。其中有機(jī)太陽(yáng)能電池尤其是近年來(lái)熱門電池-鈣鈦礦太陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池發(fā)展中的一顆明星。
[0003]早在20世紀(jì)初，Pochettino和Volmer分別報(bào)道了有機(jī)固態(tài)蒽晶體的光導(dǎo)效應(yīng)，成為有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的標(biāo)志性開(kāi)端。Tang在1979年用兩種不同的有機(jī)染料制成的異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)了 1% 的電池效率(C.W.Tang, US Patent 4，164，431，August 14，1979)，并于 1986年報(bào)道了這一有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的突破(C.ff.Tang, Appl.Phys.Lett.48 (1986) 183.)。盡管人們了解了異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)電子空穴分離及傳輸作用，有機(jī)太陽(yáng)能電池仍然在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里無(wú)法獲得理想的效率。通過(guò)不斷的研究，A.R.Schlatman發(fā)現(xiàn)ΙΤ0玻璃中的銦離子容易擴(kuò)散進(jìn)入有機(jī)活性層而捕獲載流子(A.R.Schlatman, Appl.Phys.Lett.69 (1996) 1764.)，從而降低器件的性能。鋁電極也具有與ΙΤ0電極相似的情況，擴(kuò)散進(jìn)入有機(jī)活性層，從而影響器件的整體性能。另一個(gè)影響電池效率的重要原因是在半導(dǎo)體與金屬電極接觸的界面因?yàn)槟軒Р黄ヅ涠纬勺璧K電子傳輸?shù)男ぬ鼗鶆?shì)皇。第三個(gè)原因是盡管通過(guò)p-n結(jié)生成了電子空穴對(duì)，但由于內(nèi)建電場(chǎng)小，或者材料對(duì)電子空穴的選擇能力差等原因，使得電子擴(kuò)散到陽(yáng)極與電極復(fù)合而降低載流子輸出。應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題的主要方法就在活性層與電極之間構(gòu)造一個(gè)緩沖層(S.A.Carter, Appl.Phys.Lett.70 (1997) 2067.)。(poly (3, 4-ethylened1xyth1phene)) - (poly(styrenesulfonate) (PED0T-PSS)是一種常用的空穴傳輸層。其可以改善界面，組織電極離子擴(kuò)散，提高電池輸出效率。然而其不穩(wěn)定性一直難以解決。M.D.1rwin用氧化鎳作為空穴傳輸層應(yīng)用在有機(jī)太陽(yáng)能電池上，用以取代PH)0T-PSS并獲得了比較好的效果(M.D.1rwin, PNAS.105(2007)2783.)，同時(shí)氧化鎳的禁帶寬度大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的攔截，減少電子在陽(yáng)極復(fù)合的損失，對(duì)效率提升具有積極意義。然而也正因?yàn)檠趸嚨膸挶容^大，其導(dǎo)電效果比較差。還有很多其他的空穴傳輸層已經(jīng)被研究與報(bào)道，但在穩(wěn)定性與導(dǎo)電性之間很難平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種新型太陽(yáng)能電池器件及其制備方法，本發(fā)明以碳納米管基復(fù)合材料作為空穴傳輸層，碳納米管基復(fù)合材料空穴傳輸層具有高穩(wěn)定性，環(huán)境友好等，原材料充足且容易獲取特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]—種新型太陽(yáng)能電池器件，包括順序?qū)訝钿佋O(shè)的陽(yáng)極、空穴傳輸層、活性層、電子傳輸層、透明電極及基板，
[0007]所述的空穴傳輸層為:由碳納米管與P型半導(dǎo)體混合成的一層結(jié)構(gòu)，或由單獨(dú)的碳納米管層與P型半導(dǎo)體層組成的兩層結(jié)構(gòu)。即本發(fā)明的空穴傳輸層是采用碳納米管與P型半導(dǎo)體的復(fù)合材料，以下簡(jiǎn)稱為碳納米管基復(fù)合材料。
[0008]所述的空穴傳輸層為由碳納米管與P型半導(dǎo)體混合成的一層結(jié)構(gòu)時(shí)，此時(shí)所述的空穴傳輸層厚度為2-500納米之間，碳納米管與P型半導(dǎo)體重量比在1:100與100:1之間。
[0009]所述的空穴傳輸層為由單獨(dú)的碳納米管層與P型半導(dǎo)體層組成的兩層結(jié)構(gòu)時(shí)，所述的碳納米管層的厚度為1-200納米，所述的P型半導(dǎo)體層厚度為0.5-300納米。
[0010]所述的空穴傳輸層為由單獨(dú)的碳納米管層與P型半導(dǎo)體層組成的兩層結(jié)構(gòu)時(shí)，碳納米管層與P型半導(dǎo)體層的設(shè)置位置可以采用以下三種方式:
[0011]a、所述的碳納米管層與活性層相連接，所述的P型半導(dǎo)體層與陽(yáng)極相連，或者，
[0012]b、所述的碳納米管層與陽(yáng)極相連接，所述的P型半導(dǎo)體層與活性層相連接，或者，
[0013]c、所述的新型太陽(yáng)能電池器件包括順序?qū)訝钿佋O(shè)的陽(yáng)極、電子傳輸層、活性層、碳納米管層、P型半導(dǎo)體層、透明電極及基板。b、c兩種形式為空穴傳輸層倒置的情形。
[0014]所述的碳納米管選自單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管中的一種或幾種，所述的碳納米管的直徑為0.4-20納米。
[0015]所述的P型半導(dǎo)體選自P型石墨烯量子點(diǎn)、P型氧化石墨烯、P型氧化鎳或P型五氧化二釩中的一種或幾種；所述的P型半導(dǎo)體能帶寬度為2.0-4.5電子伏特。
[0016]所述的透明電極為銦錫氧化物ΙΤ0電極或者FT0電極，所述的基板為玻璃，所述的活性層材料選自甲基氨基碘化鉛、poly(3-hexylth1phene)(即P3HT)或PCBM([6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)，所述的電子傳輸層材料選自氧化鋅或氧化鈦，所述的陽(yáng)極材料選自銀、鋁或碳材料。
[0017]所述的空穴傳輸層與陽(yáng)極之間直接連接，或通過(guò)在空穴傳輸層與陽(yáng)極之間設(shè)置保護(hù)層使空穴傳輸層與陽(yáng)極間接連接。
[0018]所述的保護(hù)層的材料選擇PMMA等。
[0019]上述新型太陽(yáng)能電池器件的制備方法，包括以下步驟:
[0020]1)將透明電極設(shè)置在基板上，并清洗干凈，吹干，然后用氧等離子體處理兩分鐘；
[0021]2)通過(guò)熱分解在透明電極表面形成一層致密薄膜，然后在致密薄膜表面通過(guò)旋涂法形成介孔薄膜，致密薄膜與介孔薄膜組成所述的電子傳輸層(制備致密薄膜或介孔薄膜的材料為氧化鋅或氧化鈦)；
[0022]3)通過(guò)旋涂法在電子傳輸層表面形成活性層；
[0023]4)通過(guò)壓印方式或旋涂方式將碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到活性層表面，旋涂形成P型半導(dǎo)體層，形成空穴傳輸層，或者，
[0024]將碳納米管與P型半導(dǎo)體混合后，以壓印或旋涂方式將碳納米管與P型半導(dǎo)體混合物在活性層表面形成空穴傳輸層；
[0025]5)在空穴傳輸層上通過(guò)旋涂法形成保護(hù)層，最后與陽(yáng)極相連，或者，在空穴傳輸層上直接連接陽(yáng)極。
[0026]上述制備方法中，各層材料的厚度可以通過(guò)該材料的濃度，以及旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。
[0027]P型半導(dǎo)體結(jié)合碳納米管形成的碳納米管基復(fù)合材料作為空穴傳輸層具有載流子高離解率，高電傳導(dǎo)，電子阻擋，界面修飾降低勢(shì)能壁皇等性能。碳納米管具有高電導(dǎo)率以及載流子迀移率，同時(shí)本發(fā)明寬帶范圍內(nèi)的P型半導(dǎo)體對(duì)碳納米管的修飾與摻雜進(jìn)一步促進(jìn)碳納米管的導(dǎo)電性能。碳納米管對(duì)電子空穴對(duì)具有強(qiáng)解離能力，實(shí)現(xiàn)高效分離與傳輸?shù)淖饔?。P型半導(dǎo)體作為電子阻擋層實(shí)現(xiàn)對(duì)電子攔截的作用，以防止電子與空穴在陽(yáng)極復(fù)合而影響器件性能。P型半導(dǎo)體同時(shí)可以修飾碳納米管及電極，降低碳納米管與電極間的勢(shì)能壁皇，提高器件的開(kāi)路電壓。而且，碳納米管基復(fù)合材料空穴傳輸層可以根據(jù)需要在太陽(yáng)能電池中實(shí)現(xiàn)倒置結(jié)構(gòu)(即上述的b、C兩種形式)。所以，用P型半導(dǎo)體結(jié)合碳納米管形成的碳納米管基復(fù)合材料作為空穴傳輸層時(shí)，可以提高空穴濃度及傳輸速率，同時(shí)降低載流子在電極上的損耗，對(duì)提高器件的電流效率與功率具有非常重要的作用。同時(shí)使器件對(duì)其他活性層材料以及電極材料的選擇具有靈活性，促進(jìn)其對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)空穴傳輸，電子攔截的作用。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0029]1、本發(fā)明所用的碳納米管基復(fù)合材料作為空穴傳輸層可以以薄膜的方式直接轉(zhuǎn)移或涂布方式實(shí)現(xiàn)與有機(jī)無(wú)機(jī)層結(jié)合，達(dá)到空穴取出，傳輸?shù)淖饔谩?br>[0030]2、本發(fā)明所用的碳納米管基復(fù)合材料作為空穴傳輸層不需要高溫淬火即可實(shí)現(xiàn)高效空穴傳輸/電子攔截的作用。
[0031]3、本發(fā)明所用的碳納米管及P型半導(dǎo)體材料廉價(jià)，豐富，無(wú)毒。
【附圖說(shuō)明】
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