一種圖案化的組合太陽能電池及其彩色太陽能電池模塊的製作方法
2023-10-10 05:59:09
本發明屬於光電
技術領域：
，更具體地，涉及一種圖案化的組合太陽能電池及其彩色太陽能電池模塊。
背景技術：
：近年來，為解決能源危機和環境問題，新能源的開發和利用成為當前研究的熱點。在各種綠色清潔能源技術中，可實現光電轉換效應的光伏技術無疑是最具有前景的方向之一。太陽能電池在實現它的基礎發電功能的同時，也被人們應用到各個新的領域。其中，彩色太陽能電池不僅能適應美觀的需要，還提高了人們的購買意願，增加了產品的市場競爭力，從而在光伏建築一體化、可穿戴設備、彩色的玻璃和牆面以及衣物方面有更大的應用潛力。由於對環境以及視覺上的美觀需求，圖案化的彩色太陽能電池應運而生。然而，現有技術的圖案化彩色太陽能電池需要通過鍍膜，形成不同顏色的彩色圖案，色彩調製膜本身會影響太陽能電池的光伏性能，從而導致圖案化的太陽能電池效率偏低；或者通過雷射刻蝕或絲網印刷形成圖案，這不僅需要較為精密的設備，對技術要求高，同時形成的圖案往往只有雙色圖案，顏色較為單一。技術實現要素：針對現有技術的不足，本發明公開了一種圖案化的組合太陽能電池及其彩色太陽能電池模塊，該彩色太陽能電池模塊以PEDOT:PSS薄膜作為陽極層，結合使用不同的陽極界面層，使太陽能電池呈現不同的顏色，從而解決圖案化的組合太陽能電池顏色單一的問題。為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種圖案化的組合太陽能電池，所述組合太陽能電池由多個彩色太陽能電池模塊串聯而成，所述多個彩色太陽能電池模塊包括顏色各不相同的第一彩色太陽能電池模塊、第二彩色太陽能電池模塊、……、以及第N彩色太陽能電池模塊，N≥3；所述每個彩色太陽能電池模塊包括從底層至頂層依次設置的陰極層、光活性層以及陽極層，所述陽極層的厚度為5nm～500nm，所述陽極層由層數為1層～100層的PEDOT:PSS薄膜組成；在所述第一彩色太陽能電池模塊至第N彩色太陽能電池模塊中，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或層數不同。優選地，所述陽極層的厚度為30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的層數為1層～4層。優選地，所述陰極層與光活性層之間，和/或所述陽極層與光活性層之間，還包括界面層，所述界面層用於實現陰極層與光活性層之間的電子傳輸，或者實現陽極層與光活性層之間的空穴傳輸。作為進一步優選地，所述界面層為陽極界面層，所述界面層位於所述陽極層與光活性層之間，用於實現陽極層與光活性層之間的空穴傳輸。作為更進一步優選地，在所述第一彩色太陽能電池模塊至第N彩色太陽能電池模塊中，所述陽極界面層的材料相同，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或層數依次遞增。按照本發明的另一個方面，還提供了一種用於上述圖案化的組合太陽能電池的彩色太陽能電池模塊，所述彩色太陽能電池模塊包括從底層至頂層依次設置的陰極層、光活性層以及陽極層，所述陽極層的厚度為5nm～500nm，所述陽極層由層數為1層～100層的PEDOT:PSS薄膜組成。優選地，所述陽極層的厚度為30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的層數為1層～4層。優選地，所述陽極層的電導率為500S/cm～4000S/cm。作為進一步優選地，所述陽極層的電導率為500S/cm～1000S/cm。優選地，所述陰極層的厚度為5nm～1μm，所述陰極層的材料為納米銦錫、氟摻雜錫氧化物、銀或鈦。優選地，所述彩色太陽能電池模塊還包括界面層，所述界面層設置於所述陰極層與光活性層之間，和/或所述陽極層與光活性層之間。作為進一步優選地，所述界面層為陰極界面層，所述界面層位於所述陰極層與光活性層之間，用於實現陰極層與光活性層之間的電子傳輸。作為進一步優選地，所述界面層為陽極界面層，所述界面層位於所述陽極層與光活性層之間，用於實現陽極層與光活性層之間的空穴傳輸。作為進一步優選地，所述界面層的厚度為5nm～200nm，材料為金屬氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有機半導體。作為更進一步優選地，所述界面層的厚度為5nm～50nm，材料為金屬氧化物。優選地，所述光活性層為有機半導體吸光層或無機半導體吸光層。作為進一步優選地，所述彩色太陽能電池模塊為聚合物太陽能電池，所述有機半導體吸光層的厚度為50nm～500nm，其材料為有機共軛聚合物或小分子。作為進一步優選地，所述彩色太陽能電池模塊為鈣鈦礦太陽能電池，所述無機半導體吸光層的厚度為200nm～500nm，其材料為鈣鈦礦。總體而言，與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：1、本發明通過以PEDOT:PSS薄膜作為陽極層，結合使用不同的陽極界面層，使太陽能電池模塊呈現不同的顏色，從而獲得了顏色更為豐富的圖案化的組合太陽能電池；經驗證，改變PEDOT:PSS薄膜的層數和厚度，或與不同的陽極界面層以及光活性層配合；可製備獲得紫紅色、粉紅色、土黃色、藍綠色等多種顏色的太陽能電池，獲得覆蓋整個可見光範圍內的彩色化太陽能電池，從而獲得豐富多彩的圖案化的組合太陽能電池；2、由於不通過鍍膜而形成彩色圖案，從而提高了圖案化的組合太陽能電池的效率；經驗證本申請所用彩色太陽能電池模塊的效率比現有技術的其它彩色太陽能電池提高了13％以上；3、PEDOT:PSS薄膜為柔性材料，使得現有技術的圖案化的組合太陽能電池在可穿戴設備以及衣物方面具有更大的應用潛力；4、由於PEDOT:PSS薄膜為透明材料，當彩色太陽能電池模塊的陰極同時使用FTO等透明材料時，其兩極兼具有光電效應，從而使得本發明的圖案化的組合太陽能電池可靈活應用於室內和室外；5、PEDOT:PSS薄膜的製備過程相對簡單，厚度易於控制，從而簡化了圖案化的組合太陽能電池的整體製備工藝。附圖說明圖1是本發明彩色太陽能電池模塊的結構示意圖；圖2是本發明實施例15的圖案化的組合太陽能電池的圖案組成；圖3是本發明實施例1-4中彩色有機太陽能電池的反射光譜圖；圖4是本發明實施例5-8中彩色鈣鈦礦太陽能電池的反射光譜圖；圖5是本發明實施例9-11中彩色鈣鈦礦太陽能電池的反射光譜圖；圖6是本發明實施例6和7中彩色鈣鈦礦太陽能電池的電流-電壓圖。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本
發明內容進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。本發明提供了一種彩色太陽能電池模塊，所述彩色太陽能電池模塊從底層至頂層依次包括陰極層、光活性層以及陽極層，所述陽極層的厚度為5nm～500nm，所述陽極層由1層～100層PEDOT:PSS薄膜組成，其電導率為500S/cm～4000S/cm；為保證界面層與電極之間接觸以及PEDOT:PSS較高的透過率(平均透過率超過75％)，所述陽極層的厚度優選為30nm～192nm，所述陽極層的層數優選為1層～4層；其中，所述陰極層的厚度為5nm～1μm，所述陰極層的材料為納米銦錫、氟摻雜錫氧化物、銀或鈦；在所述陰極層與光活性層之間，和/或所述陽極層與光活性層之間，還包括界面層，分別用於實現陰極層與光活性層之間的電子傳輸，以及陽極層與光活性層之間的空穴傳輸，同時與PEDOT:PSS薄膜配合，使彩色太陽能電池模塊呈現不同的顏色，如圖1所示；當界面層的材料為金屬氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有機半導體時，其厚度為5nm～200nm；當界面層的材料為金屬氧化物時，其厚度為5nm～50nm；所述光活性層為有機半導體吸光層或無機半導體吸光層，當採用有機共軛聚合物或小分子作為光活性層時，該光活性層即為有機半導體吸光層，其厚度為50nm～500nm，該彩色太陽能電池模塊為有機太陽能電池，有機太陽能電池具有質輕、柔性以及可採用溶液法實現大面積製備的優點；當採用鈣鈦礦作為光活性層時，該光活性層即為無機半導體吸光層，其厚度為200nm～500nm，該彩色太陽能電池模塊為鈣鈦礦太陽能電池，無機鈣鈦礦太陽能電池效率具有低成本及光電轉換效率高的優點。在上述彩色太陽能電池模塊的製備過程中，可在陽極界面層相同的情況下，通過調整PEDOT:PSS薄膜的厚度和/或層數，形成一種至多種不同顏色的彩色太陽能電池模塊，例如，當採用Spiro-OMeTAD作為陽極界面層，PEDOT:PSS薄膜的厚度分別為75nm、95nm以及105nm時，可獲得顏色分別為紫紅色、天藍色以及草綠色的彩色太陽能電池模塊；這些顏色各不相同的彩色太陽能電池模塊分別為第一彩色太陽能電池模塊至第N彩色太陽能電池模塊，N≥3；再將這些彩色太陽能電池模塊切割為預定形狀後，排列為圖案並進行串聯，既可獲得圖案化的組合太陽能電池，該組合太陽能電池包括至少3種不同的顏色的彩色太陽能電池模塊形成的圖案，從而具有更加豐富的顏色和圖案。為了進一步說明本發明，故下面列實施例1-實施例15進一步說明。在本申請實施例1～實施例14中，PEDOT:PSS薄膜均以以下方法製備：(1)在PH1000(聚3，4-乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽混合物水分散液)溶液中添加5％(質量比)乙二醇溶液和表面活性劑0.5％(質量比)PEG-TmDD(聚乙二醇2,5,8,11-四甲基-6-十二炔-5,8-二醇醚)作為電極溶液；(2)在PDMS(聚二甲基矽氧烷)基底上旋塗上述溶液，通過控制轉速調節PEDOT:PSS薄膜的厚度。轉速為400rpm，600rpm，800rpm，1000rpm，2000rpm，3000rpm，4000rpm，對應PEDOT:PSS薄膜厚度為250nm，160nm，105nm，95nm，75nm，45nm，30nm，PEDOT:PSS薄膜的電導率約為600S/cm。實施例1彩色有機太陽能電池彩色有機太陽能電池的器件結構為glass/ITO/PEI/P3HT:ICBA/PEDOT:PSS，其中，ITO玻璃為襯底，PEI作為陰極，P3HT:ICBA作為光活性層，PEDOT:PSS作為陽極層；實施例1的具體製備方法如下：(1)ITO玻璃(氧化銦錫導電玻璃)經去離子水、丙酮、異丙醇超聲波清洗，再經Plasma清洗，在上述ITO玻璃上旋塗聚醚醯亞胺PEI(～10nm)作為陰極界面修飾層，然後將P3HT:ICBA(～200nm，P3HT為聚3-己基噻吩，ICBA為茚雙加成C60衍生物)給受體材料共混的溶液旋塗到PEI層上(P3HT和ICBA質量比為1:1，溶液總濃度為40mg/mL，溶劑為鄰二氯苯，轉速為600rpm)作為光活性層，後置於熱臺上150℃加熱5分鐘。(2)將實施例1中的高導電性的PEDOT:PSS薄膜通過層壓轉移方法轉移到P3HT:ICBA層上，通過此方法得到48nm的PEDOT:PSS電極，該有機太陽能電池器件的顏色為紅色。實施例2以所述的相同步驟重複實施例1，區別在於，PEDOT:PSS電極的厚度為95nm，該有機太陽能電池器件的顏色為藍綠色。實施例3以所述的相同步驟重複實施例1，區別在於，PEDOT:PSS電極的厚度為105nm，該有機太陽能電池器件的顏色為綠色。實施例4以所述的相同步驟重複實施例1，區別在於，PEDOT:PSS電極的厚度為160nm，該有機太陽能電池器件的顏色為黃色。實施例5彩色鈣鈦礦太陽能電池I彩色鈣鈦礦太陽能電池I的器件結構為glass/FTO/c-TiO2(40nm)/m-TiO2(200nm)/CH3NH3PbI3-xClx(280nm)/Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene)(160nm)/PEDOT:PSS，其中，FTO玻璃為襯底，c-TiO2作為陰極，m-TiO2作為陰極界面層，CH3NH3PbI3-xClx作為光活性層，Spiro-OMeTAD作為陽極界面層，PEDOT:PSS作為陽極層；實施例1的具體製備方法如下：(1)FTO玻璃(氟摻雜氧化銦錫導電玻璃)經去離子水、丙酮、異丙醇超聲波清洗，首先噴塗一層40nm的緻密TiO2(c-TiO2)，然後旋塗一層200nm的介孔型TiO2(m-TiO2)，550℃加熱30分鐘，然後將CH3NH3PbI3-xClx(MAI、PbI2和PbCl2的摩爾比為1.3:1.26:0.14，溶劑為GBL:DMSO混合溶液，體積比為7:3，轉速為1000rpm，時間10s，轉速4500rpm，時間20s，旋塗至25s時滴加甲苯溶液)鈣鈦礦溶液旋塗到m-TiO2層作為光活性層，100℃加熱5分鐘，將現配置的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD，溶劑為氯苯，濃度為80mg/mL，添加劑為28.8μL4-叔丁基吡啶溶液和17.5μL雙(三氟甲磺醯亞胺)鋰)的乙腈溶液)溶液旋塗到鈣鈦礦層上作為陽極界面層。(2)將高導電性的PEDOT:PSS薄膜通過層壓轉移方法轉移到Spiro-OMeTAD層上，通過此方法得到厚度為75nm的PEDOT:PSS電極，該太陽能電池器件的顏色為紫紅色。實施例6以所述的相同步驟重複實施例5，區別在於，PEDOT:PSS電極的厚度為95nm，該太陽能電池器件的顏色為天藍色。實施例7以所述的相同步驟重複實施例5，區別在於，PEDOT:PSS電極的厚度為105nm，該太陽能電池器件的顏色為藍綠色。實施例8以所述的相同步驟重複實施例5，區別在於，PEDOT:PSS電極層數為4層，每層的厚度為48nm，該太陽能電池器件的顏色為粉紅色。實施例9彩色鈣鈦礦太陽能電池II彩色鈣鈦礦太陽能電池II的器件結構為glass/FTO/c-TiO2(40nm)/m-TiO2(200nm)/CH3NH3PbI3-xClx(280nm)/P3HT(30nm)/PEDOT:PSS，其中glass/FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3-xClx和PEDOT:PSS電極同實施例3中的步驟製備，區別在於，採用聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)替代小分子Spiro-OMeTAD，通過此方法得到厚度為48nm的PEDOT:PSS電極，該太陽能電池器件的顏色為紫藍色。實施例10以所述的相同步驟重複實施例9，區別在於，PEDOT:PSS電極的層數為2層，每層厚度為40nm，該太陽能電池器件的顏色為深藍色。實施例11以所述的相同步驟重複實施例9，區別在於，PEDOT:PSS電極的厚度為95nm，該太陽能電池器件的顏色為天藍色。為了簡化描述，故將實施例12～實施例14列表如下，表中未列的參數均與實施例5相同。表1實施例12～實施例14的相關參數實施例12實施例13實施例14陽極的總厚度5nm30nm500nm陽極的層數11100陽極界面層Spiro-OMeTADSpiro-OMeTADSpiro-OMeTAD陽極界面層的厚度5nm100nm200nm光活性層CH3NH3PbI3-xClxCH3NH3PbI3-xClxCH3NH3PbI3-xClx陰極層的厚度5nm100nm1μm顏色淡紅色土黃色藍色實施例15將實施例5～實施例8製備的太陽能電池器件切割為相同的形狀和大小的不同顏色的子模塊，並按照預定設計排列為圖案，然後利用絲印銀柵線將所有子模塊進行串聯，其形成的圖案示意圖如圖2所示，該圖案包括紫紅色、天藍色、藍綠色和粉紅色四種顏色。實驗結果分析圖3～圖5為實施例1～實施例11的反射光譜圖，從圖中可以看出，器件反射峰與顏色是一致的，例如實施例1的反射峰位於634nm，對應紅色；實施例2的反射峰位於505nm，對應藍綠色，實施例5的反射峰位於699nm和466nm，對應為紫紅色，實施例6的反射峰位於504nm，對應為天藍色，實施例7的反射峰位於548nm，對應為藍綠色，實施例8對應的反射峰位於677nm，對應為粉紅色，實施例10的反射峰位於408nm，對應為深藍色，實施例9的反射峰位於401nm，對應為紫藍色，實施例11的反射峰位於474nm，對應為天藍色。彩色太陽能電池器件的光伏性能是在100mW/m2的AM1.5模擬太陽光照射下測量得到。實施例6～實施例7的光伏性能參數如表2所示，從FTO端光照射的器件電流-電壓曲線如圖6所示。表2彩色太陽能電池的光伏性能參數從表2中可以看出，從FTO端照射，基於PEDOT:PSS彩色器件的光電轉換效率超過了15％，相比於現有的彩色鈣鈦礦電池，其性能得到提高；另一方面，由於PEDOT:PSS為半透明電極，從PEDOT:PSS端照射，相應器件的光電轉換效率可以超過13％。這種彩色太陽能電池由於陽極和陰極都為透明材料，而兩端兼具有光電效應可靈活應用於室內和室外。總體而言，本發明提供的採用PEDOT:PSS薄膜作為彩色太陽能電池的電極的技術方案不僅工藝簡單、可控性好，同時展現了優異的光電轉換效率，有望在彩色光電器件中得到廣泛的應用。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3