一種有機薄膜太陽能電池及其製備方法與流程
2023-10-11 07:13:24 2
本發明涉及一種太陽能電池領域，特別涉及一種有機薄膜太陽能電池及其製備方法。
背景技術：
自從太陽能電池商業應用以來，以無機半導體為主要材料製成的太陽能電池，單晶矽、多晶矽和非晶矽系列應用最為廣泛。經過最近幾年的發展，矽基太陽能電池相關的技術已有了長足的進步，但提純矽的方法依然是氧化還原法，這種氧化還原過程必然導致晶體矽太陽能電池製造能耗大、汙染高、工藝複雜且生產設備昂貴。與此相比有機半導體太陽能電池由於其製作成本低廉、工藝簡單、輕便便攜、可以彎曲等特點，引起越來越多的關注。有機太陽能電池的實現主要通過於有機半導體材料中的空穴和電子的遷移實現光電轉換功能，但是，目前的薄膜有機太陽能電池吸收太陽能的光電轉化率低，結構不夠合理，不能大規模生產，因此，導致有機薄膜太陽能利用率成本比較高，制約著有機薄膜太陽能行業的發展。
2014年，IBM研究院發明了一款微觀（microscopic）3D印表機，可以在柔軟的聚合物雕刻上納米級解析度圖案，隨後擴展在矽，III-V(砷化鎵)，或是石墨烯基板等材料進行雕刻。它可以像納米級解析度的銑床一樣運作，在有機化合物上雕刻出納米級的溝槽。
目前有機薄膜太陽能中常見的兩種光活性層的結構形式為：平面異質結構和體相異質結構。平面異質結接觸面積很有限，光電轉化效率低，而體相異質結構，雖然接觸面積得到很大提高，但是，電子和空穴在運動過程中大量湮滅，光電轉化效率也較低。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種有機薄膜太陽能電池，通過優化光活性層的結構，能夠加大P型材料和N型材料的接觸面積，激發更多的空穴和電子；同時這樣的結構可以降低電子和空穴運動過程中的湮滅，具有光電轉化效率高的特點。
一種有機薄膜太陽能電池，包括從上到下依次排列疊加的金屬陰極層1、陰極修飾層2、光活性層3、陽極緩衝層4、透明導電陽極層5和襯底層6；
所述的光活性層3包括電子受體7、盲孔8、凸臺9和電子給體10；
所述的盲孔8為圓柱形，凸臺9為圓柱形；
所述的盲孔8與凸臺9軸線重合；
所述金屬陰極層1的厚度為1-5μm；
所述陰極修飾層2的厚度為1-5nm；
所述光活性層3的厚度為130-180nm；
所述陽極緩衝層4的厚度為120-250nm；
所述襯底層6和透明導電陽極層5的厚度為0.3-2.0mm；
所述光活性層3中電子受體為材料為富勒烯衍生物，電子受體7厚度為110-130nm；最為優選的厚度為120nm。
所述光活性層3中盲孔8的直徑為40-60nm，盲孔深度為100nm。
所述光活性層3中電子給體材料為3-己基噻吩的聚合物，電子給體材料基座10厚度為20-50nm，最為優選的厚度為30nm。
所述光活性層3中凸臺9的直徑為40-60nm，凸臺高度為100nm。
所述金屬陰極層1為厚度為2μm 的鍍鋁層，所述陰極修飾層2為2nm 的氟化鋰，所述光活性層3為包括3-己基噻吩和料富勒烯衍生物的凸臺盲孔結構，厚度為150 nm，所述凸臺8的直徑為50nm，凸臺高度為100nm, 所述盲孔7的直徑為50nm，孔深為100nm，所述陽極緩衝層4為200nm 的3，4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物: 聚苯乙烯磺酸鹽，所述襯底層6和透明導電陽極層5的總厚度為0.7mm。
鋁的元素符號為Al，3-己基噻吩的聚合物符號為P3HT，氟化鋰符號為LiF，富勒烯衍生物符號為PC60BM, 4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物符號為PEDOT，聚苯乙烯磺酸鹽符號為PSS，導電氧化銦錫薄膜符號為ITO。
本發明所提供的有機太陽能電池的製備方法，包括如下步驟:
襯底層6和透明導電陽極層5的處理:
襯底層6材料選用ITO導電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過率85% ，厚度為0.3-2.0mm)，將其蝕刻電極圖案後，先清洗乾淨，然後依次用去離子水、無水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮氣吹乾，紫外/臭氧處理20min。
陽極緩衝層4的製備:
在ITO表面旋塗PEDOT:PSS陽極緩衝層，勻膠機轉速3000rpm，旋塗30s，厚度為120-250nm。在150℃下，退火l0min。
光活性層3的製備:
（1）用微觀3D印表機在單晶矽板（寧波保稅區捷迅國際貿易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直徑為40-60nm，深度為100nm的盲孔11，盲孔橫向間距為80-120nm，縱向間距為80-120nm,盲孔底端開直徑為30nm的通氣孔12，得到盲孔模板13。
（2）稱取12mg P3HT溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0.5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然後混合液用勻膠機在陽極緩衝層4表面旋塗成膜。勻膠機轉速1000rpm，旋塗40s，P3HT層厚度為120-150nm，在160℃下，熱處理10min，得到固化的P3HT層。
（3）用（1）中得到的單晶矽盲孔模板13在P3HT層上擠壓，施力大小5N, 在50℃下，熱處理2min，移除單晶矽盲孔模板13，得到帶有圓柱凸臺的P3HT層。
(4)稱取12mg PC60BM溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h。在(3)中得到的帶有圓柱凸臺的P3HT層上噴塗PC60BM，控制厚度為110-130nm，得到電子受體7和盲孔8。在160℃下處理10min，得到光活性層3。
陰極修飾層2的製備:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為1-5nm的LiF薄膜，形成陰極修飾層。
金屬陰極1的製備:
在1X10-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為1-5μm的Al膜，形成金屬陰極層。
與現有技術相比，本發明的優點在於:
本發明提供的一種有機薄膜太陽能電池，通過構建一個凸臺盲孔形式的光活性層，能夠有效的增加兩種材料的接觸面積，而且還能夠減少空穴和電子遷移過程中猝滅數量，有效提高太陽能電池的光電轉換效率。
附圖說明
圖1為本發明結構示意圖。
圖2電子受體結構示意圖。
圖3電子給體結構示意圖。
圖4為單晶矽盲孔模板結構示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖並結合實施例詳述本發明。
如圖1所示：一種有機薄膜太陽能電池，包括從上到下依次排列疊加的金屬陰極層1、陰極修飾層2、光活性層3、陽極緩衝層4、透明導電陽極層5和襯底層6；
所述的光活性層3包括電子受體7、電子給體10；
所述的光活性層3，製備完成時，凸臺9與盲孔8軸線重合。
一種有機薄膜太陽能電池的製備方法，包括以下步驟：
(1)對由襯底及透明導電陽極ITO所組成的基板進行清洗，清洗後用氮氣吹乾；
(2)在透明導電陽極ITO表面旋轉塗覆陽極緩衝層PEDOT:PSS溶液，並進行烘烤；
(3)用微觀3D列印技術製造單晶矽盲孔模板；
(4)在陽極緩衝層上採用旋塗方式製備P3HT層；
(5)用盲孔模板在P3HT層上擠壓出均勻分布的圓柱凸臺；
(6)在P3HT層上採用噴塗的方式製備PC60BM層，並進行烘烤，從而製成光活性層；
(7)在光活性層表面蒸發、旋轉塗覆或噴塗極性溶劑緩衝層；
(8)在極性溶劑緩衝層上蒸鍍LiF溶液，並將所形成的薄膜進行烘烤；
(9)在陰極緩衝層上蒸鍍金屬陰極。
實施例1
襯底層6和透明導電陽極層5的處理:
襯底6材料選用ITO導電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過率85% ，厚度為0.3mm)，將其蝕刻電極圖案後，先清洗乾淨，然後依次用去離子水、無水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮氣吹乾，紫外/臭氧處理20min。
陽極緩衝層4:
在ITO表面旋塗PEDOT:PSS陽極緩衝層，勻膠機轉速3000rpm，旋塗30s，厚度為120nm。在150℃下，退火l0min。
光活性層3的製備:
（1）用微觀3D印表機在單晶矽板（寧波保稅區捷迅國際貿易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直徑為40 nm，深度為100 nm的盲孔11，盲孔橫向間距為80 nm，縱向間距為80nm, 盲孔底端開直徑為30nm的通氣孔12，得到盲孔模板13。
（2）稱取12mg P3HT溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0.5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然後混合液用勻膠機在陽極緩衝層4表面旋塗成膜。勻膠機轉速1000rpm，旋塗40s，P3HT層厚度為120nm。
（3）用（1）中得到的單晶矽盲孔模板13在P3HT層上擠壓，施力大小5N, 在50℃下，熱處理2min，移除單晶矽盲孔模板13，得到帶有圓柱凸臺的P3HT層。
(4)稱取12mg PC60BM溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h。在(3)中得到的帶有圓柱凸臺的P3HT層上噴塗PC60BM，控制厚度為110nm，得到電子受體7和盲孔8。在160℃下處理10min，得到厚度為130nm的光活性層。
陰極修飾層2的製備:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為1nm的LiF薄膜，形成陰極修飾層。
金屬陰極1的製備:
在1X10-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為1μm的Al膜，形成金屬陰極層。
實施例2
襯底層6和透明導電陽極層5的處理:
襯底層材料選用ITO導電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過率85% ，厚度為2.0mm)，將其蝕刻電極圖案後，先清洗乾淨，然後依次用去離子水、無水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮氣吹乾，紫外/臭氧處理20min。
陽極緩衝層4的製備:
在ITO表面旋塗PEDOT:PSS陽極緩衝層，勻膠機轉速3000rpm，旋塗30s，厚度為250nm。在150℃下，退火lOmin。
光活性層3的製備:
（1）用微觀3D印表機在單晶矽板（寧波保稅區捷迅國際貿易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直徑為60nm，深度為100 nm的盲孔11，盲孔橫向間距為120 nm，縱向間距為120nm, 盲孔底端開直徑為30nm的通氣孔12，得到盲孔模板13。
（2）稱取12mg P3HT溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0.5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然後混合液用勻膠機在陽極緩衝層4表面旋塗成膜。勻膠機轉速1000rpm，旋塗40s，P3HT層厚度為150nm。
（3）用（1）中得到的單晶矽盲孔模板13在P3HT層上擠壓，施力大小5N, 在50℃下，熱處理2min，移除單晶矽盲孔模板13，得到帶有圓柱凸臺的P3HT層。
(4)稱取12mg PC60BM溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h。在(3)中得到的帶有圓柱凸臺的P3HT層上噴塗PC60BM，控制厚度為130nm，得到電子受體7和盲孔8。在160℃下處理10min，得到厚度為180nm的光活性層。
陰極修飾層2的製備:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為5nm的LiF薄膜形成陰極修飾層。
金屬陰極1的製備:
在1X10-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為5μm的Al膜形成金屬陰極。
實施例3
襯底層6和透明導電陽極層5的處理:
襯底層材料選用ITO導電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過率85%，厚度為0.7mm)，將其蝕刻電極圖案後，先清洗乾淨，然後依次用去離子水、無水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮氣吹乾，紫外/臭氧處理20min。
陽極緩衝層4的製備:
在ITO表面旋塗PEDOT:PSS陽極緩衝層，勻膠機轉速3000rpm，旋塗30s，厚度為235nm。在150℃下，退火l0min。
光活性層3的製備:
（1）用微觀3D印表機在單晶矽板（寧波保稅區捷迅國際貿易有限公司，尺寸：125mmX125mm，厚度：2mm）雕刻直徑為50 nm，深度為100 nm的盲孔11，盲孔橫向間距為100 nm，縱向間距為100nm, 盲孔底端開直徑為30nm的通氣孔12，得到盲孔模板13。
（2）稱取12mg P3HT溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0.5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然後混合液用勻膠機在陽極緩衝層4表面旋塗成膜。勻膠機轉速1000rpm，旋塗40s，P3HT層厚度為120nm。
（3）用（1）中得到的單晶矽盲孔模板13在P3HT層上擠壓，施力大小5N, 在50℃下，熱處理2min，移除單晶矽盲孔模板13，得到帶有圓柱凸臺的P3HT層。
(4)稱取12mg PC60BM溶於1mL氯苯，然後加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h。在(3)中得到的帶有圓柱凸臺的P3HT層上噴塗PC60BM，控制厚度為120nm，得到電子受體7和盲孔8。在160℃下處理10min，得到厚度為150nm的光活性層。
陰極修飾層2的製備:
在1 X 10-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為3nm的LiF薄膜，形成陰極修飾層。
金屬陰極1的製備:
在1X10-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為3μm的Al膜，形成金屬陰極層。
以上所述僅為本發明的具有代表性的實施例，不以任何方式限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。