光伏系统和用于生产光伏系统的喷涂方法技术方案

公开了光伏系统和用于生产光伏系统的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体涉及有机光伏系统和用于生产有机光伏系统的方法。本说明书还涉及用于光伏系统的低功函数电极和生产用于光伏系统的低功函数电极的方法。
技术介绍
光伏(PV)系统将电磁能转化为电能。光伏系统可基于装置的架构和构造的材料而归类。有机光伏系统包括有机光电活性材料。有机光电活性材料典型地包括半导体有机聚合物和富勒烯化合物。当半导体有机聚合物与在电磁谱的可见部分中或接近电磁谱的可见部分的入射光接触时，离域π电子由聚合物分子的最高占有分子轨道(HOMO)至最低未占有分子轨道(LUMO)的电磁能所激发。在半导体有机聚合物中电子的光致激发导致形成在LUMO能级上的包括电子空穴对的激子。半导体有机聚合物充当电子供体，并在激子解离之后，为传输空穴提供导电性网络。富勒烯化合物充当电子受体，并在解离之后为从空穴传输激发的电子提供导电性网络。有机光伏系统在发电方面的有效性和效率部分取决于系统从光电活性材料提取激发和解离的电子的能力。这通常需要邻近电子(用作阴极，即电子接受电极)具有足够低的功函数以收集来自光电活性材料的LUMO能级的激发和解离的电子。常规的低功函数电极和电子传输材料诸如碱土金属(例如，Ca、Mg)和金属氧化物(例如，ZnO、In2O3)由于多种原因，在有机光伏系统中是不利的。例如，碱土金属具有高化学反应性，且在暴露于环境空气和其他相对良性的氧化剂后容易氧化。碱土金属和金属氧化物层通常也需要复杂的沉积技术以形成有机光伏系统特征的相对较薄层(通常
少于1微米并经常少于100纳米)。这些复杂的和经常专业化的沉积技术限制了生产大面积有机光伏系统的能力。
技术实现思路
本专利技术的目标在于解决所有或至少一些上述现有技术的缺点。特别地，其目标在于提供由可商业应用的沉积技术生产的有效的和耐用的(robust)低功函数电极，这提供了通过与大规模、高产量(throughput)大量生产的要求相容的方法生产有机光伏系统。这些目标是通过如下所述的低功函数电极、光伏体系，和生产这些的方法来获得的。本专利技术因此涉及一种用于生产用于光伏系统的低功函数电极的方法，其包括在基板上沉积电极层。将乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)层喷涂于该电极层上。通过该方法生产的用于光伏系统的低功函数电极也处于本专利技术的范围内。此外，本专利技术涉及一种用于生产光伏系统的方法，其包括在基板上沉积第一电极层。将乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)层喷涂于该第一电极层上。将体异质结活性层沉积于该PEIE层上。将空穴传输层和/或第二电极层沉积于该体异质结活性层上。通过该方法生产的光伏系统也处于本专利技术的范围内。应理解，在该说明书中所公开并描述的本专利技术并不仅限于本
技术实现思路
中概述的方面，并可包括下述的额外方面。附图简述本说明书中描述的系统和方法的一些方面可参考附图更好地理解，其中：图1为展示用于生产根据本专利技术的光伏系统的自下而上的方法的流程图，其中在该图中，自下而上的沉积步骤的顺序应自上而下解读；图2为展示用于生产根据本专利技术的光伏系统的自下而上的方法的流程图，其中在该图中，自下而上的沉积步骤的顺序应自上而下解读；图3为展示用于生产根据本专利技术的光伏系统的自下而上的方法的流程图，其中在该图中，自下而上的沉积步骤的顺序应自上而下解读；图4为展示根据图1中展示的方法生产的根据本专利技术的光伏系统的示意图；图5为展示根据图2中展示的方法生产的根据本专利技术的光伏系统的示意图；图6为展示根据图3中展示的方法生产的根据本专利技术的光伏系统的示意图；和图7为展示根据本专利技术的另一种光伏系统的示意图。在考虑根据本说明书的方法和系统的以下详细描述后，读者将领会到前述的细节以及其他内容。具体实施方式如本说明书所述，本专利技术涉及用于生产用于有机光伏系统(诸如聚合物-富勒烯体异质结有机光伏系统)的低功函数的电极的方法。该方法可包括在基板上沉积电极层并在电极层上喷涂乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)层。该多层喷涂方法避免由其他沉积技术(诸如旋涂)施加的功能性表面区域的约束，并可用于生产具有相对高产量的大面积有机光伏系统。如包括权利要求的本说明书中使用的，术语“功函数”是指从固体材料移除电子至紧邻固体材料表面的某点所需要的最小能量。在有机光伏系统的活性材料中，在半导体聚合物中从其相应的空穴中解离的光致激发的电子占据受体材料(例如富勒烯化合物)的LUMO能级。因此，有机光伏系统中阴极的功函数必须足够低，以接近受体材料的LUMO能级并提取/收集来自活性材料的电子。在另一方面，有机光伏系统中阳极的功函数必须相对高于阴极的功函数，以为激子解离、传输和空穴的提取/收集提供驱动力。有机光伏系统中的阴极和阳极一般包含具有不同功函数的不同材料。电极必须还具有足够的导电性以产生电流。许多导电性金属诸如
银和导电性聚合物诸如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)的共混物具有必要的本征导电性，但这类材料的固有(intrinsic)功函数太高，而无法在有机光伏系统中有效地充当阴极。本说明书中描述的方法，通过在电极层上喷涂乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)层以降低电极层的功函数，由此制造适用作有机光伏系统中的阴极的电极材料，从而解决并克服了这些问题。以此方式，有机光伏系统中的阳极可包括诸如银或基于PEDOT:PSS的聚合物组合物的材料，和相应的阴极可包括相同材料，或不同材料，其中经喷涂的PEIE层位于阴极与活性材料之间并与之接触，其中PEIE层降低了阴极的功函数。乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)为包括伯和仲氨基的高度支化的共聚物，并具有以下的通用化学结构：其中x、y和z表示共聚物的重复单元。PEIE充当表面改性剂，降低了电极的功函数(当施加于电极的表面时)。无意受理论限制，据信PEIE分子中的胺基主要参与与电极材料的表面相互作用，这产生了界面偶极(dipole)，界面偶极降低了功函数但不改变有机光伏系统中活性材料与PEIE改性的电极之间的电透射率。PEIE的功函数改性特性描述于例如Zhou等人，第336卷，第327至332页(2012)和国际专利申请公开号WO 2012/166366 A1中，其两者均以引用的方式并入本说明书中。这些参考文献公开了在电极表面上旋涂PEIE层。旋涂为分批工艺，需要使用专门的设备，其旋转沉积基板以通过离心力分散涂层材料。因此，旋涂严格地限制材料可以沉
积于其上的表面区域和光伏装置生产的速率。本说明书所述的方法使用喷涂技术以沉积PEIE层和优选还有根据本专利技术的光伏系统包括的其他层。喷涂避免了通过其他沉积技术诸如旋涂所施加的功能性表面区域的约束。也可使用喷涂生产具有相对高产量的大面积有机光伏系统，使得本说明书所述的方法适用于以较高速率大量生产光伏系统。如包括权利要求的本说明书中使用，“喷涂”是指一种涂覆方法，其包括在充当推进涂料组合物的载体介质的压缩气流中雾化液体涂料组合物或使液体涂料组合物呈雾状散开，把包含涂料组合物的载体气体作为目标以与基板接触，和将来自载体气流的涂料组合物沉积于基板上，形成涂覆层。如包括权利要求的本说明书中使用，“喷涂”也包括电喷涂，其中将液体涂料组合物雾化或呈雾状散开，并使用电荷作为驱动机制，在有或无气态载体介质下推进以与基板接触(其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于生产光伏系统的方法，其包括：将第一电极层沉积于基板上；将乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)层喷涂于该第一电极层上；将体异质结活性层沉积于该PEIE层上；和将第二电极层沉积于该体异质结活性层上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.12 US 61/902,8361.用于生产光伏系统的方法，其包括：将第一电极层沉积于基板上；将乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)层喷涂于该第一电极层上；将体异质结活性层沉积于该PEIE层上；和将第二电极层沉积于该体异质结活性层上。2.权利要求1的方法，其中：将该第一电极层喷涂于该基板上；和/或将该体异质结活性层喷涂于该PEIE层上；和/或将该第二电极层喷涂于该体异质结活性层上。3.权利要求1的方法，其进一步包括：将介电层喷涂于该基板上；和将该第一电极层喷涂于该介电层上。4.权利要求3的方法，其中该介电层包含具有小于25纳米的表面粗糙度(Ra)的固化的丙烯酸类聚氨酯透明涂层。5.权利要求4的方法，其中该介电层具有小于15纳米的表面粗糙度(Ra)。6.权利要求1的方法，其进一步包括：将聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)空穴传输层喷涂于该体异质结活性层上；和将该第二电极层喷涂于该PEDOT:PSS空穴传输层上；其中该PEDOT:PSS层包括PEDOT:PSS CPP层，并使用包含聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸酯)、N-甲基-2-吡咯烷酮、γ-缩水甘
\t油氧基丙基三甲氧基硅烷交联剂、异丙醇和基于炔属醇的非离子表面活性剂的制剂喷涂。7.权利要求1的方法，其进一步包括：将低功函数金属层沉积于该第一电极层上，和将该PEIE层喷涂于该低功函数金属层上。8.权利要求1的方法，其中该体异质结活性层包括聚[[4,8-双[(2-乙基己基)氧基]苯并[l,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基]]::[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯(PTB7:PCBM)。9.权利要求1的方法，其中该体异质结活性层包括聚(3-己基噻吩):[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯(P3HT:PCBM)。10.权利要求1的方法，其中该第一电极层和该第二电极层包括经喷涂的银层。11.权利要求10的方法，其中该银层是由托伦斯氏反应的反应产物形成。12.权利要求1的方法，其中该第一电极层和该第二电极层包括包含聚PEDOT:PSS PH1000的经喷涂的...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·卡尔道奈，M·卡格里阿尼，M·巴拉里诺，F·布鲁内蒂，G·坡里诺，A·迪卡尔洛，
申请(专利权)人：PPG工业俄亥俄公司，
类型：发明
国别省市：美国;US