一种叠层结构聚合物薄膜太阳能电池制造技术

本发明专利技术为叠层结构聚合物太阳能电池。包括基板、阳极层、阳极修饰层、第一活性层、阴极修饰层和阴极层；还有电子传输层、金属层和空穴传输层组成的中间电极；中间电极由透光率较高的ｎ型金属氧化物电子传输层和ｐ型金属氧化物的空穴传输层组成，在两种金属氧化物中间引入一层薄的金属实现电子和空穴的有效复合。叠层电池中的上下两个子电池的活性层可为相同或不同的共轭聚合物混合物。叠层太阳能电池开路电压为上下两子电池开路电压之和，实现了两个聚合物光伏电池的串联连接。这种复合中间电极结构可以应用于吸光范围不同的共轭聚合物材料作为活性层的叠层器件中，从而使整个电池的光吸收更好地与太阳光光谱匹配，提高能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种叠层结构聚合物薄膜太阳能电池。技术背景有机/共轭聚合物薄膜太阳能电池具有无机太阳能电池所无法比 拟的优点，如可制备在柔软的衬底上；可以在连续印刷过程中实现 工业化大生产；同无机硅电池相比生产成本可大幅度下降；有重要的 生态和经济上的优势。但是，共轭聚合物材料通常具有较窄的吸收谱 带，与太阳光光谱不匹配导致吸收光的效率较低。另外，即使能量高 于共轭聚合物带隙的光子能够被全部吸收，处于高激发态的激子要以 释放热的方式回到最低激发态实现电荷分离，这样很多能量就被损失 掉。因此采用吸光范围不同的共轭聚合物材料制备叠层太阳能电池就 可以解决这一问题，提高光伏电池的能量转换效率。所谓叠层太阳能电池就是将两个或多个太阳能电池在垂直基底 的方向叠加起来，子电池之间采用透明导电的电极以串联或并联的方 式连接。通过选择相同或不同的共轭聚合物材料作为子电池的光敏层 实现对入射光的高效吸收或更大程度地覆盖整个太阳光光谱，提高有 机/聚合物光伏电池的能量转换效率。目前报道叠层聚合物薄膜光伏电池又以下两种。 一种为透明的 LiF(lnm)/A1(2. 5nm)/ Au(12. 5nra)电极将两个以MEH-PPV:PCBM为活性层的子电池分别用串联和并联的方式连接，实现了聚合物太阳能电池的叠加/ / h'eJZeers 2006， 88， 064104)。另一种叠层 电池采用吸光范围不同的共轭聚合物材料分别作为叠层电池的上下 两个子电池活性层，采用氧化钛/聚(3， 4-乙烯基二氧噻 吩)(Ti0x/PED0T)作为中间电极制备了叠层结构共轭聚合物光伏器 件，能量转换效率达6.2%，是目前报道的能量转换效率最高的聚合 物薄膜太阳能电池(5We飾2007， 317， 222)。
技术实现思路
本专利技术提供一种叠层结构聚合物太阳能电池。利用该结构实现叠 层结构聚合物太阳能电池，提高光伏电池的性能。该结构主要用于旋 涂方法制备的聚合物材料的叠层太阳能电池。本专利技术提供的一种叠层结构聚合物太阳能电池，其专利技术点就是中 间电极结构和使用的材料，其结构如图l所示 l是基板，材料为玻璃或塑料层； 2是铟锡氧化物(IT0)阳极层，厚度为180纳米； 3是阳极修饰层，采用聚噻吩衍生物聚(3，4-乙烯基二氧噻吩) (PED0T)掺杂聚苯乙烯磺酸(PSS)，其中PED0T与PSS的重量比为 1比6，该阳极修饰层厚度为20-100纳米；4是第一活性层，为共轭高分子材料和富勒烯衍生物的共混物， 其中优选共轭高分子材料聚3-己基噻吩(P3HT)作为电子给体，富勒 烯衍生物[6 ，6 ]-2-苯基Ce厂2-丁酸甲脂(PCBM)作为电子受体，其 中，PCBM的质量占P3HT和PCBM总质量的40-80%,利用氯苯溶解并 旋涂成膜，溶液浓度为10-20mg/ml，厚度为50-150纳米；5是电子传输层，其材料为n型金属氧化物TiOx、 ZnO和Sn02至 少一种，厚度为10-50纳米；6是金属层，其材料为金属铝、银和金至少一种，厚度为2-10 纳米；7是空穴传输层，其材料为p型金属氧化物Mo03和W0s至少一种， 厚度为5-20纳米；所述的电子传输层5、金属层6和空穴传输层7共同构成聚合物 叠层太阳能电池的中间电极。8是第二活性层，为共轭高分子材料和富勒烯衍生物的共混物， 其中共轭高分子材料聚3-己基噻吩(P3HT)作为电子给体，富勒烯衍 生物[6 ，6 ]-2-苯基(:61-2-丁酸甲脂(PCBM)作为电子受体，PCBM的 质量占P3HT和PC函总质量的40-80。/。，利用氯苯溶解并旋涂成膜，溶 液浓度为10-20毫克/毫升，厚度为50-150纳米；9是阴极修饰层，其材料为LiF、 CsF和Ca0至少一种，厚度为 1-3纳米；10是阴极层，其材料为金属铝、银和钙至少一种，厚度为60-200 纳米。本专利技术的叠层聚合物太阳能电池的制备步骤和条件如下 (1) IT0阳极层2与玻璃基板1组成IT0导电玻璃；将刻蚀好 的细条状ITO导电玻璃清洗干净并烘干，放置在旋涂机的托架上，通 过0. 45微米的过滤头，按配比将PED0T和PSS溶液均匀涂满整个片 子，通过调节旋涂机旋转速度1200-5000转每分钟，使PED0T和PSS在IT0阳极层2的表面上形成一层20-100纳米厚的薄膜，作为阳极 修饰层3，放入120。C的烘箱内加热30分钟；(2) 将步骤(1)烘好的涂有阳极修饰层3的ITO导电玻璃转移 到手套箱中，冷却后放置在旋涂机托架上，按配比把搅拌好的P3HT 和PCBM的混合溶液通过过滤头均匀涂在该ITO导电玻璃上，通过调 节旋涂机转速500-1000转每分钟，在阳极修饰层3上得到50-150纳 米的第一层活性层4;所述的搅拌好的P3HT和PCBM混合溶液中，PCBM的质量占P3HT 和PCBM总质量的40-80%;该混合溶液的制备方法如下以氯苯为溶 剂，浓度为10-20毫克/毫升，PCBM的质量占P3HT和PCBM总质量 的40-80%，在6(TC加热搅拌3小时，停止加热，继续搅拌12小时；(3) 把涂有一层活性层4的该ITO导电玻璃用转移瓶自手套箱 中取出，放在旋涂机托架上，把用无水乙醇稀释的电子传输的n型氧 化物通过过滤头均匀的涂在P3HT和PCBM构成的薄膜的活性层4上， 通过调节旋涂机转速1500-3000转每分钟，得到10-50纳米厚的电子 传输层5;将涂完电子传输层5的该ITO导电玻璃再次转移到手套箱 中，在手套箱中热台上于15(TC加热10分钟，去除电子传输层5中 的溶剂；冷却后，放入真空镀膜机中抽真空，当真空度达4X1(T帕 斯卡时蒸发2-10纳米厚的金属层6，然后再蒸发5-20纳米厚的p型 金属氧化物，形成空穴传输层7;(4) 将步骤(3 )的制得品取出后放入手套箱中的旋涂机托架上， 把搅拌好k浓度为10-20毫克/毫升、PCBM的质量占P3HT和PCBM总质量的40-80%的上述混合溶液，通过过滤头均匀涂在穴传输层7上， 通过调节旋涂机转速500-1000转每分钟，在穴传输层7上得到50-150 纳米的第二层活性层8;(5)最后，将步骤(4)得到的制得品放入真空镀膜机中抽真空， 当真空度达4X 10帕斯卡时蒸发1-3纳米厚的阴极修饰层9，再蒸发 60-200纳米厚的金属，构成阴极层10，将蒸完阴极层之后的制得品 转移到手套箱中，在ll(TC下热处理5分钟，冷却至室温后封装起来， 完成叠层聚合物太阳能电池的制作。在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测试本专利技术方法制备的聚合 物叠层太阳能电池的性能，包括开路电压、短路电流、能量转换效率 和填充因子。表1是对比例I、 II、 III、 IV、 V、 VI和实施例1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9在100毫瓦/平方厘米白光照射下电池的性能 参数。从表1中可以看出聚合物叠层电池(实施例1)的开路电压近 似等于上下两个子电池(对比例1和2)开路电压之和。两子电池(对 比例1和2)的开路电压分别为0. 58伏和0. 59伏，叠层电池(实施 例1)的开路电压为1.11伏。叠层电池的短路电流受限于短路电流 较小的子电池，两子电池(对比例1和2)的短路电流分别为9. 10和 6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叠层结构聚合物太阳能电池，其包括：（１）是基板，材料为玻璃或塑料层；（２）是铟锡氧化物阳极层，厚度为１８０纳米；（３）是阳极修饰层，采用３，４－乙烯基二氧噻吩掺杂聚苯乙烯磺酸，其中３，４－乙烯基二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸的重量比为１比６，该阳极修饰层厚度为２０－１００纳米；（４）是第一活性层，为共轭高分子材料聚３－己基噻吩作为电子给体，富勒烯衍生物［６，６］－２－苯基Ｃ↓［６１］－２－丁酸甲脂作为电子受体，其中，聚３－己基噻吩的质量占聚３－己基噻吩和［６，６］－２－苯基Ｃ↓［６１］－２－丁酸甲脂总质量的４０－８０％，厚度为５０－１５０纳米；（８）是第二活性层，为聚３－己基噻吩作为电子给体，富勒烯衍生物［６，６］－２－苯基Ｃ↓［６１］－２－丁酸甲脂作为电子受体，的共混物，［６，６］－２－苯基Ｃ↓［６１］－２－丁酸甲脂的质量占聚３－己基噻吩和［６，６］－２－苯基Ｃ↓［６１］－２－丁酸甲总质量的４０－８０％，厚度为５０－１５０纳米；（９）是阴极修饰层，其材料为ＬｉＦ、ＣｓＦ和ＣａＯ至少一种，厚度为１－３纳米；（１０）是阴极层，其材料为金属铝、银和钙至少一种，厚度为６０－２００纳米；特征在于：（５）是电子传输层，其材料为ｎ型金属氧化物ＴｉＯ↓［ｘ］、ＺｎＯ和ＳｎＯ↓［２］至少一种，厚度为１０－５０纳米；（６）是金属层，其材料为金属铝、银和金至少一种，厚度为２－１０纳米；（７）是空穴传输层，其材料为ｐ型金属氧化物ＭｏＯ↓［３］和ＷＯ↓［３］至少一种，厚度为５－２０纳米；所述的电子传输层５、金属层６和空穴传输层７共同构成聚合物叠层太阳能电池的中间电极。...

【技术特征摘要】
1.一种叠层结构聚合物太阳能电池，其包括(1)是基板，材料为玻璃或塑料层；(2)是铟锡氧化物阳极层，厚度为180纳米；(3)是阳极修饰层，采用3，4-乙烯基二氧噻吩掺杂聚苯乙烯磺酸，其中3，4-乙烯基二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸的重量比为1比6，该阳极修饰层厚度为20-100纳米；(4)是第一活性层，为共轭高分子材料聚3-己基噻吩作为电子给体，富勒烯衍生物[6，6]-2-苯基C61-2-丁酸甲脂作为电子受体，其中，聚3-己基噻吩的质量占聚3-己基噻吩和[6，6]-2-苯基C61-2-丁酸甲脂总质量的40-80％，厚度为50-150纳米；(8)是第二活性层，为聚3-己基噻吩作为电子给体，富勒烯衍生物[6，6]-2-苯基C61-2-丁酸甲脂作为电子受体，的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志元，郭晓阳，王利祥，刘凤敏，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]