一種有機光伏電池及其製備方法
2023-08-07 01:27:31
一種有機光伏電池及其製備方法
【專利摘要】一種有機光伏電池及其製備方法，包括依次層疊設置的入射面材料，吸光層和背面材料，所述入射面材料包括透明材料襯底、透明導電膜和修飾層，所述背面材料包括光學間隔層和具有高反射的金屬電極，其特徵在於：所述吸光層、光學間隔層和金屬電極三者至少其中之一為絨面表面，反射效應Haze反在700nm不低於5%，Haze反=（R總－R直接)/R總，R總為光的總反射率，R直接為光的直接反射率。本發明利用背面對光長波方向的漫反射來提高有機電池對光吸收效率，實現對入射太陽光的充分吸收，提高有機光伏電池的光電轉換效率。
【專利說明】一種有機光伏電池及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有機光伏電池，特別是涉及該有機光伏電池的結構及其製備方法。
【背景技術】
[0002]有機光伏電池由於重量輕、製備工藝簡單、與柔性襯底相兼容、可採用溼法成膜的大面積製備技術等優點而備受青睞；並且其器件性能可通過合成和設計新型有機半導體材料進行調控。基於這些獨特的優點，有機光伏電池成為近十幾年來國內外小組研究最熱門的領域之一。通過合成新窄帶隙有機吸光材料和對器件結構的優化，目前有機光伏電池的效率已超過10%。目前在有機光伏電池中，吸光層主要採用的是一種基於給、受體材料混合的體相異質結結構。吸光層對入射光充分吸收是提高電池效率的關鍵。增加吸光層的厚度雖然能保證對光的增強吸收，但對改善有機光伏電池的性能卻存在幾個不利影響。一:由於有機半導體材料吸光後，產生的光生激子擴散長度有限約10nm，所以吸光層厚度的增加會導致大部分產生的光生激子在沒有擴散到給體/受體分離界面就淬滅掉了。二:由於有機半導體材料的本徵載流子遷移率低，吸光層厚度的增加導致分離後自由的電子和空穴複合機率增大，電池電流密度(Jse)和填充因子(FF)降低。三:增加吸光層厚度會減弱電池內部的電場強度，不利於載流子的傳輸和收集，同時造成開路電壓(V。。)的下降。因此在不增加吸光層厚度的基礎上，保證吸光層對入射光的充分吸收同時又不影響電池性能參數，成為提高有機光伏電池效率的關鍵。吸光層厚度的增加與電池性能參數(Jsc;、FF、V。。)的降低兩者之間的矛盾，在光學上可通過增強「俘獲」入射光的方法來達到光吸收增益的效果。通過合理的設計有機電池結構可以實現對光的有效管理，從而提高電池對光的吸收效率。即利用減反，增透，散射，幹涉，共振等手段實現對光有效的管理，促進吸光層對入射光的有效吸收。因此，在已優化或者需要儘量減薄電池吸光層厚度的前提下，進一步增加吸光層對入射光的吸收對提升或者保持器件的整體性能將變得至關重要。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是本發明的目的是針對上述吸光層對光不能充分吸收的問題，發明了一種新型光管理的有機光伏電池的結構設計及製備方法。在不增加有機電池吸光層的厚度下，可以實現對入射太陽光的充分吸收，提高有機光伏電池的光電轉換效率。
[0004]本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為:一種有機光伏電池，包括依次層疊設置的入射面材料，吸光層和背面材料，所述入射面材料包括透明材料襯底、透明導電膜和修飾層，所述背面材料包括光學間隔層和具有高反射的金屬電極，其特徵在於:所述吸光層、光學間隔層和金屬電極三者至少其中之一為絨面表面，反射效應他況&在700nm不低於5%，Hazefi= (Rf R直接)/R總，R總為光的總反射率，R直接為光的直接反射率。
[0005]為了使入射面材料的組成和形貌特徵起到對入射光短波方向的散射作用以提高光光的吸收效率，所述透明材料襯底、透明導電膜和修飾層至少其中一層為絨面表面，其表面粗糙度均方根(RMS)大於3Onm ;散射效應Haze散在6OOnm不低於5%，Hazes = (T,6- T直a)/T,6, τ,6為光的總透射率，Tie為光的直接透射率。
[0006]優選地，所述修飾層為有利於空穴傳輸的材料PEDOT:PSS、氧化鑰(MoO3)或氧化鎢(W03)，或為有利於電子傳輸的氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(T12),其厚度均不大於lOOnm，光學透過率大於90%。
[0007]優選地，所述吸光層包括有機吸光給體材料和有機吸光受體材料，吸光層的結構為電子給體和受體的體相異質結結構的單層或電子給體與電子受體平面異質結雙層，吸光層的厚度為50nm-300nm。
[0008]優選地，所述有機吸光給體材料為P3HT、CuPc或P⑶TBT，所述有機吸光受體材料為C6(l、C70, C84或其衍生物。
[0009]優選地，所述光學間隔層的材料為有利於空穴傳輸的材料PEDOT: PSS、氧化鑰(MoO3)或氧化鎢(WO3);或為有利於電子傳輸的材料氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(T12),厚度為5nm-100nmo
[0010]並且，所述修飾層為有利於空穴傳輸的材料，同時所述光學間隔層為有利於電子傳輸的材料；或者所述修飾層為有利於電子傳輸的材料，同時所述光學間隔層為有利於空穴傳輸的材料。
[0011]為了進一步地提高光的吸收效率，基於多層膜模型的傳遞矩陣方法(transfermatrix method, TMM)來計算光學間隔層,調節光學間隔層的厚度和介電係數實現對吸光層本徵波段的優化調整吸收。
[0012]一種上述有機光伏電池的製造方法，其特徵在於:
[0013]I)以具有透明導電膜的透明材料襯底作為有機電池的前電極，分別在去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗乾淨；
[0014]2 )在乾燥後的透明導電膜表面採用旋塗法製備一層修飾層，並完全覆蓋透明導電膜的表面；
[0015]3)在製備好的修飾層表面，通過旋塗法製備吸光層；
[0016]4)在吸光層的表面通過旋塗法方法製備光學間隔層；
[0017]5)採用蒸鍍法製備金屬電極；
[0018]其中步驟3)、4)和5)步驟至少其中之一之後，通過納米壓印方法分別使所述吸光層、光學間隔層和金屬電極三者至少其中之一呈現絨面表面。
[0019]與現有技術相比，本發明的優點在於本發明利用背面對光長波方向的漫反射來提高有機電池對光吸收效率，實現對入射太陽光的充分吸收，提高有機光伏電池的光電轉換效率。並且利用電池入射面對光短波方向的散射，背面對光長波方向的漫反射，以及光學間隔層對吸光層本徵吸收波段的調整優化吸收，三者相結合來提高有機電池對光的吸收效率。這種新型的結構設計實現了對入射光的三重互補光吸收，協同效應顯著。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的有機光伏電池的結構示意圖。
[0021]圖2為實施例1中的有機光伏電池的結構示意圖。
[0022]圖3為實施例2中的有機光伏電池的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖實施例對發明作進一步詳細描述。
[0024]本發明的光伏電池，如圖1所示，包括依次層疊設置的入射面材料，吸光層4和背面材料。
[0025]所述入射面材料包括透明材料襯底1、透明導電膜2和修飾層3，該三層依次疊加設置。透明材料襯底I為玻璃或塑料等，其光透過率大於90%。透明導電膜2為FT0( SnO2: F)、AZO (Ζη0:Α1)或ITO (In2O3: Sn)等，其電阻率小於1(Γ4Ω.ο?，可見光積分透過率大於90%。修飾層3為有利於空穴傳輸的材料PEDOT:PSS、氧化鑰(MoO3)或氧化鎢(WO3)等，或為有利於電子傳輸的氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(T12)等，其厚度均不大於lOOnm，光學透過率大於90%。
[0026]優選地，所述入射面材料中，透明材料襯底1、透明導電膜2和修飾層3至少其中一層為絨面表面，其表面粗糙度均方根(RMS)大於30nm ;散射效應Haze^在600nm不低於5%，Hazes = (T,6- T直接)/T總，T總為光的總透射率，T直接為光的直接透射率。由此，入射面材料的組成和形貌特徵起到對入射光短波方向的散射作用。
[0027]所述吸光層4包括P3HT、CuPc或PCDTBT等有機吸光給體材料，以及C6(1、C7(1、C84或其衍生物等有機吸光受體材料。優選地，吸光層4的結構為電子給體和受體的體相異質結結構的單層或電子給體與電子受體平面異質結雙層等，吸光層4的厚度為50nm-300nm。
[0028]所述背面材料包括光學間隔層5和具有高反射的金屬電極6。其中光學間隔層5材料可為有利於空穴傳輸的材料PED0T:PSS、氧化鑰(MoO3)或氧化鎢(WO3)等、或為有利於電子傳輸的材料氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(T12)等，厚度為5nm-100nm。金屬電極6的材料為Al或Ag等高反射金屬，厚度為60nm-120nm。
[0029]吸光層、光學間隔層和金屬電極三者至少其中之一為絨面表面來實現背面對光長波方向的漫反射。上述三者中至少其中之一的反射效應Haze反在700nm不低於5%，Hazefi=(Rf Rffi*)/R^ R,6為光的總反射率，Rm*為光的直接反射率。
[0030]優選地，可通過調節光學間隔層的厚度和介電係數實現對吸光層本徵波段的優化調整吸收，其調節是基於多層膜模型的傳遞矩陣方法(transfer matrix method, TMM)來計算光學間隔層，以增強有機太陽能電池內電場和光學吸收。
[0031]而且，入射面材料作為電池的陽極，背面金屬材料為陰極時，修飾層為有利於空穴傳輸的材料PEDOT: PSS、氧化鑰MoO3、氧化鶴WO3等；光學間隔層材料為有利於電子傳輸的材料氧化鋅ZnO、氧化鈦T12等。
[0032]反之，入射面電極作為電池的陰極，背面金屬材料為陽極時，修飾層為有利於電子傳輸的材料氧化鋅ZnO、氧化鈦T12等；光學間隔層材料為有利於空穴傳輸的材料PEDOT: PSS、氧化鑰MoO3、氧化鎢WO3等。
[0033]該有機光伏電池的製備方法如下所述:
[0034]I)以具有透明導電膜2的透明材料襯底I作為有機電池的前電極，分別在去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗乾淨；
[0035]2)在乾燥後的透明導電膜2表面採用旋塗法製備一層修飾層3，並完全覆蓋透明導電膜2的表面；
[0036]3)在製備好的修飾層3表面，通過旋塗法製備吸光層4 ；
[0037]4)在吸光層4的表面通過旋塗法方法製備光學間隔層5 ；
[0038]5)採用蒸鍍法製備金屬電極6 ；
[0039]其中步驟3)或4)之間，可加入步驟通過納米壓印方法使所述吸光層4具有絨面表面；或者在步驟4)或5)之間，可通過納米壓印方法使所述光學間隔層5具有絨面表面；或者在步驟5)之後通過納米壓印方法使所述金屬電極6具有絨面表面；或者上述三者中任意兩者都存在，或者三者都同時存在。即在步驟3)、步驟4)和步驟5)至少其中一個步驟之後通過納米壓印方法分別使步驟3)、步驟4)和步驟5)中製備的層，即吸光層4、光學間隔層5或金屬電極6具有絨面表面。
[0040]優選地，該透明導電膜2為絨面表面。
[0041]實施例1
[0042]如圖2所示，圖中各標號為I』 -透明玻璃襯底、2』 -透明導電膜FT0、3』 -修飾層(PED0T:PSS)、4，-吸光層(P3HT:PCBM)、5，-光學間隔層Ti02、6』 -金屬電極Al ;其中吸光層4』和透明導電膜FTO均為絨面表面。該有機光伏電池的製造方法如下所述:
[0043]一種有機光伏電池的製備方法，步驟如下:
[0044]I)以具有絨面的透明導電膜FTO的透明玻璃襯底作為有機電池的前電極，分別在去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗乾淨。
[0045]2)在乾燥後的透明導電膜FTO的表面採用旋塗法製備一層具有良好的空穴傳輸材料聚3，4_乙撐二氧噻吩單體摻雜聚苯乙烯磺酸(PED0T:PSS)作為修飾層，厚度約40nm，並完全覆蓋透明導電膜FTO的表面。
[0046]3)在製備好的修飾層表面，通過旋塗法製備聚噻吩和富勒烯衍生物(P3HT:PCBM)作為吸光層，吸光層的厚度約200nm ;該旋塗法的參數為，P3HT:PCBM質量比為1:0.8，溶於氯苯，濃度為12mg/ml,旋塗的轉速300rpm,時間12s。
[0047]4)採用納米壓印方法使吸光層表面呈現出絨面的圖案。
[0048]5)在絨面的吸光層表面通過旋塗法方法製備光學間隔層T12,厚度約20nm。
[0049]6)採用蒸鍍法製備鋁作為金屬電極，電極厚度約lOOnm。
[0050]圖中:
[0051]實施例2:
[0052]圖3為另一種有機光伏電池的結構示意圖。圖中:1』』_透明塑料襯底、2』』-透明導電膜AZ0、3』 』 -修飾層(P型材料酞菁銅CuPc)、4』 』 -吸光層(P型材料鈦菁銅CuPc與η型材料富勒烯C6tl的混合物)、5』』 -光學間隔層C6(1、6』』 -金屬電極Ag。一種有機光伏電池的製備方法，其中透明導電膜AZ02』』和光學間隔層為絨面表面，步驟如下:
[0053]I)以具有絨面的透明導電膜AZO的透明塑料襯底作為有機電池的前電極，分別在去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗乾淨；
[0054]2)在乾燥後的透明導電膜AZO表面採用蒸鍍法製備一層修飾層，該修飾層為有機小分子P型材料酞菁銅(CuPc)，厚度為20nm ；
[0055]3)在製備好的修飾層表面,通過共蒸有機小分子P型材料鈦青銅CuPc與η型材料富勒烯C6tl的混合物作為吸光層，厚度約60nm ；
[0056]4)在吸光層上再通過蒸鍍法製備作為光學間隔層富勒烯η型材料C6tl，厚度約30nm ；
[0057]5)採用納米壓印方法使光學間隔層表面呈現出絨面的圖案
[0058]6)採用蒸鍍法製備銀作為金屬電極，厚度為約為lOOnm。
[0059]雖然關於示例實施例及其優點已經詳細說明，應當理解在不脫離本發明的精神和所附權利要求限定的保護範圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對於其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本發明保護範圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發明的應用範圍不局限於說明書中描述的特定實施例的工藝、製造、物質組成、手段、方法及步驟。執行與本發明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發明可以對它們進行應用。因此，本發明所附權利要求旨在將這些工藝、製造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護範圍內。
【權利要求】
1.一種有機光伏電池，包括依次層疊設置的入射面材料，吸光層(4)和背面材料，所述入射面材料包括透明材料襯底(I)、透明導電膜(2)和修飾層(3)，所述背面材料包括光學間隔層(5)和具有高反射的金屬電極(6)，其特徵在於:所述吸光層(4)、光學間隔層(5)和金屬電極(6)三者至少其中之一為絨面表面，反射效應Haze反在700nm不低於5%，Hazefi =(R總一Rm*)/R,6，R,6為光的總反射率，Rie為光的直接反射率。
2.如權利要求1所述的有機光伏電池，其特徵在於:所述透明材料襯底(I)、透明導電膜(2)和修飾層(3)至少其中一層為絨面表面，其表面粗糙度均方根(RMS)大於30nm;散射效應Haze散在6OOnm不低於5%，Hazes = (T總一T直接)/T總，Haze散為光的總透射率，T直接為光的直接透射率。
3.如權利要求1或2所述的有機光伏電池，其特徵在於:所述修飾層(3)為有利於空穴傳輸的材料PEDOT:PSS、氧化鑰(MoO3)或氧化鎢(WO3),或為有利於電子傳輸的氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(T12),其厚度均不大於10nm，光學透過率大於90%。
4.如權利要求1或2所述的有機光伏電池，其特徵在於:所述吸光層(4)包括有機吸光給體材料和有機吸光受體材料，吸光層(4)的結構為電子給體和受體的體相異質結結構的單層或電子給體與電子受體平面異質結雙層，吸光層(4)的厚度為50nm-300nm。
5.如權利要求4所述的有機光伏電池，其特徵在於:所述有機吸光給體材料為P3HT、CuPc或P⑶TBT，所述有機吸光受體材料為C6tl、C7tl、C84或其衍生物。
6.如權利要求1或2所述的有機光伏電池，其特徵在於:所述光學間隔層(5)的材料為有利於空穴傳輸的材料PED0T:PSS、氧化鑰(MoO3)或氧化鎢(WO3);或為有利於電子傳輸的材料氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(T12),厚度為5nm-100nm。
7.如權利要求1或2所述的有機光伏電池，其特徵在於:所述修飾層(3)為有利於空穴傳輸的材料，同時所述光學間隔層(5)為有利於電子傳輸的材料；或者所述修飾層(3)為有利於電子傳輸的材料，同時所述光學間隔層(5)為有利於空穴傳輸的材料。
8.如權利要求1或2所述的有機光伏電池，其特徵在於:基於多層膜模型的傳遞矩陣方法(transfer matrix method, TMM)來計算光學間隔層,調節光學間隔層的厚度和介電係數實現對吸光層本徵波段的優化調整吸收。
9.一種如權利要求1-8中任一項所述的有機光伏電池的製造方法,其特徵在於: O以具有透明導電膜(2)的透明材料襯底(I)作為有機電池的前電極，分別在去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗乾淨； 2)在乾燥後的透明導電膜(2)表面採用旋塗法製備一層修飾層(3)，並完全覆蓋透明導電膜(2)的表面； 3)在製備好的修飾層(3)表面，通過旋塗法製備吸光層(4)； 4)在吸光層(4)的表面通過旋塗法方法製備光學間隔層(5)； 5)米用蒸鍍法製備金屬電極(6)； 其中步驟3)、4)和5)步驟至少其中之一之後，通過納米壓印方法分別使所述吸光層(4)、光學間隔層(5)和金屬電極(6)三者至少其中之一呈現絨面表面。
【文檔編號】H01L51/44GK104241531SQ201310242562
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月17日 優先權日:2013年6月17日
【發明者】鬍子陽, 諸躍進 申請人:寧波大學