有機聚合物太陽能電池的製作方法

2024-03-04 04:40:15

專利名稱：有機聚合物太陽能電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能電池，特別涉及一種有機聚合物太陽能電池。
背景技術：
太陽能發電是指將太陽光輻射轉化為電能的技術。其中，一類是把太陽輻射轉換成熱能，再利用熱能發電，稱為太陽能熱發電；另一類主要是利用半導體P_n結器件的光伏效應，把太陽能直接轉換成電能，稱為太陽能光伏發電。太陽能電池屬於第二類，所以太陽能電池也叫作光伏電池。光伏發電的歷史可以追溯到19世紀Becquerel在氯化銀電解液系統中首次觀察到光伏現象。在過去的幾十年中，無機半導體類太陽電池得到了快速發展。1954年，美國貝爾實驗室研製出第一隻光電轉換效率為6%的擴散p-n結單晶矽太陽電池， 如今無機半導體太陽電池的效率可以達到37. 9%，幾乎佔據了 2/3的太陽電池市場，尤其在航空、航天等高新技術領域更是有著無與倫比的優勢。雖然利用光生伏打效應的光伏電池可以充分利用太陽光，對太陽能的轉化效率較高，但是在全球範圍內的安裝容量卻很有限，難以普及。這是因為目前佔據市場主導地位的基於無機Si、Ge、GaN> GaP> GaAs等半導體的光伏電池,造價高昂。儘管近幾十年的工藝改進和技術進步已經使其價格下降很多，卻仍然無法令人們普遍接受，而且已經不存在進一步大幅降低的可能性。雖然現在的無機矽太陽電池的最高光電轉換效率已超過24%，基於砷化鎵半導體等III-V族太陽電池的效率也達到了 32%，但是它們苛刻的製造條件致使其生產成本依舊高居不下，而且製造過程中還會產生某些汙染環境的劇毒物質。不僅如此，無機光伏電池的非柔韌性和不易加工等缺點也在一定程度上限制了這類電池大面積化的實際應用進程。和無機光伏電池相比，有機聚合物光伏電池在製造工藝和生產成本方面有著明顯優勢。首先，有機材料合成成本較低，材料本身的柔韌性和成膜性都較好，且功能易於調製，可以通過分子設計獲得新型的有機小分子或聚合物材料；其次，有機光伏電池加工工藝相對簡易，可通過溶液旋塗、噴墨列印和絲網印刷等溼法成膜在低溫製備；最重要的是有機光伏電池還有很多潛在優勢，包括可使用柔性襯底制出特種形狀的器件，可實現大面積廉價製造，產品重量輕、便於攜帶等等。因此近年來，有機聚合物光伏電池受到學術界和工業部門的廣泛關注。有機聚合物太陽能電池最常見的結構是由Heeger等提出了「本體異質結」。所謂「本體異質結」，就是將給體材料和受體材料混合起來，通過共蒸或者旋塗的方法製成一種混合薄膜。在本體異質結器件中，給體和受體在整個活性層範圍內充分混合，形成D/A互穿網絡結構，D/A界面分布於整個活性層，本體異質結中的電荷分離可以發生在整個活性層內。共混活性層增大了給受體界面，使D/A異質結更加分散，縮短了激子擴散到D/A界面的距離，從而減小了激子的複合，因此本體異質結中激子的解離效率更高。但是必須指出的是，這種結構也並非盡善盡美，本體異質結器件的載流子傳輸效率較差。這是因為在雙層異質結器件中，載流子(電子和空穴)的傳輸介質是空間範圍內連續分布的受體和給體材料，而本體異質結中給體和受體是呈共混狀態的，雖然可以增大D/A異質結界面，但這種互穿網絡結構的無序性也在一定程度上限制了載流子的傳輸。為了儘可能達到給體都與陽極接觸，受體都與陰極接觸的最理想狀態，後來的研究表明，可以通過熱處理(退火)的方法使共混活性層薄膜發生分子重排，在不影響互穿網絡結構的同時改變聚合物分子的微觀結構以增強其有序程度，形成微觀相分離，為載流子提供連續有效地傳輸路徑，有利於電荷的定向傳輸和提高遷移率。這種雙連續的D/A互傳網絡結構使得電荷分離與電荷傳輸收集 具有了同等效率。目前有機聚合物太陽能電池中的最高效率紀錄仍由本體異質結型電池保持。在過去的十幾年裡，經過科研工作者的不懈努力，有機聚合物光伏電池已獲得了較高的開路電壓。但是和無機光伏電池相比，其短路電流和填充因子還是較低，致使光電轉化效率較低；材料對環境中的水、氧較為敏感，導致器件穩定性較差，使用壽命不長，這兩點極大地限制了有機聚合物光伏電池的商業化進程。下面介紹一下聚合物材料對器件性能的影響有機聚合物光伏電池的光電轉化效率及穩定性是制約其產業化的瓶頸，因而也成為當前的研究熱點。
發明內容本實用新型的目的就是為克服現有技術的不足，針對有機聚合物光伏電池的光電轉化效率及穩定性的難題，提供一種新型有機聚合物太陽能電池的設計方案，改進聚合物光伏電池的結構，從而大大提高光電轉化效率及穩定性。本實用新型是通過這樣的技術方案實現的有機聚合物太陽能電池，其特徵在於，電池的主要結構由玻璃層、氧化銦錫塗層、抗靜電塗覆層、電子轉移校正層、苯甲酸鋰層以及鋁層構成；以玻璃為基礎層；由下至上依次為氧化銦錫塗層、抗靜電塗覆層、電子轉移校正層、苯甲酸鋰層以及鋁層；其中氧化銦錫塗層厚度為0. 5nm ;抗靜電塗覆層的塗層厚度為0. 7nm ;電子轉移校正層的塗層厚度為0. 5nm ;苯甲酸鋰塗層厚度為0. 4nm ;招層厚度為0. 6nm ；抗靜電塗覆層材料採用乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合而成；電子轉移校正層材料採用聚噻吩和富勒烯混合而成。本實用新型的優點①新型有機聚合物太陽能電池的光電轉化效率及穩定性大大提高；②電池重量輕，便於攜帶，適於野外作業；③有機聚合物質的組成可以通過化學工藝得以實現，材料成本低；④加工工藝相對簡單，生產成本低材料本身的柔韌性和成膜性好，可以實現卷對卷的批量生產。

圖I、有機聚合物太陽能電池結構圖。
具體實施方式
為了更清楚的理解本實用新型，結合附圖和實施例詳細描述本實用新型如圖I所示，有機聚合物太陽能電池的主要結構由玻璃層、氧化銦錫塗層、乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合塗層、聚噻吩和富勒烯混合塗層、苯甲酸鋰和氟化鋰混合塗層以及鋁層構成；氧化銦錫塗層厚度為0. 5nm ；乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合塗層厚度為0. Ixm ；乙撐二氧噻吩與聚苯乙烯磺酸含量比=3 4 ；聚噻吩和富勒烯混合塗層厚度為0. 5nm ；聚噻吩與富勒烯含量比=4 :3 ;苯甲酸鋰厚度為0. 4nm ；鋁層厚度為0. 6nm。有機聚合物太陽能電池的生產方法，包括以下次序的步驟A.以玻璃為基礎層；B.在玻璃基礎層上旋塗氧化銦錫溶液，其厚度0. 5nm ；C.在氧化銦錫塗層上旋塗乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合溶液，其厚度0. 7nm ；D.在乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合塗層上旋塗聚噻吩和富勒烯混合溶液，其厚度0.5nm ；E.在聚噻吩和富勒烯混合層上真空熱蒸苯甲酸鋰，其厚度0.4nm ；F.在苯甲酸鋰上真空熱蒸鋁絲，其厚度為0. 6nm ；上述步驟中，步驟B至步驟D採用常溫下溶液旋塗；步驟E、步驟F項採用真空熱蒸。根據上述說明，結合本領域技術可實現本實用新型的方案。
權利要求1.有機聚合物太陽能電池，其特徵在於，電池的主要結構由玻璃層、氧化銦錫塗層、抗靜電塗覆層、電子轉移校正層、苯甲酸鋰層以及鋁層構成；以玻璃為基礎層；由下至上依次為氧化銦錫塗層、抗靜電塗覆層、電子轉移校正層、苯甲酸鋰層以及鋁層；其中氧化銦錫塗層厚度為0. 5nm;抗靜電塗覆層的塗層厚度為0. 7nm ;電子轉移校正層的塗層厚度為0· 5nm ;苯甲酸鋰塗層厚度為0· 4nm ;招層厚度為0· 6nm。
專利摘要本實用新型涉及一種有機聚合物太陽能電池，電池的主要結構由玻璃層、氧化銦錫塗層、乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸混合塗層、聚噻吩和富勒烯混合塗層、苯甲酸鋰和氟化鋰混合塗層以及鋁層構成；噴塗過程在常溫下利用溶液旋塗工藝完成，本實用新型的優點新型有機聚合物太陽能電池的光電轉化效率及穩定性大大提高；電池重量輕，便於攜帶，適於野外作業；有機聚合物質的組成可以通過化學工藝得以實現，材料成本低；加工工藝相對簡單，生產成本低；材料本身的柔韌性和成膜性好，可以實現卷對卷的批量生產。
文檔編號H01L51/42GK202384403SQ20112047712
公開日2012年8月15日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者宋國旺 申請人:天津高科宇通人防設備製造有限公司