有机光伏阵列和制造方法技术

本发明专利技术公开了使用全喷雾工艺制造的大型反向有机太阳能阵列的制造和表征，所述有机太阳能阵列由在基材上的四个层：ITO-Cs2CO3-(P3HT:PCBM)-改性的PEDPT:PSS构成。利用PEDPT:PSS作为正极，包封的太阳能阵列在可见光到近IR范围内显示了超过30%的透光率。基于单电池或多电池阵列对热退火进行了优化。已证明太阳光照将太阳能阵列的效率提高高达250%，在AM1.5辐照度下装置效率为1.80%。在光照下性能的提高仅发生在喷涂的装置上，表明在太阳光下装置得到增强，这对于太阳能应用是有利的。所述太阳能模块的半透明性质使其可用于在窗口和挡风玻璃上的应用、室内应用和柔软织物物质如帐篷、军用背包或战斗制服，从而为部署的军力提供高度便携式可再生能源供应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】有机光伏阵列和制造方法相关申请的交叉参考本申请主张2011年2月14日提交的题目为“OrganicPhotovoltaicArrayandMethodofManufacture”的美国临时专利申请61/422,561号的优先权，通过参考将其内容并入本文中。
本专利技术涉及喷雾制造的有机太阳能光伏电池。具体地，本专利技术提供一种使用喷雾沉积制造有机太阳能光伏电池的新方法和由所述方法制造的有机太阳能光伏电池。
技术介绍
近年来，能耗急剧增加，部分是由于在全球范围内工业的快速发展。增高的能耗使得自然资源如化石燃料紧张，同时使得全球对消耗这些资源的副产物的处理能力变得紧张。而且，预期未来对能量的需求大大增加，因为人口增加且发展中国家需要更多的能量。这些因素要求开发经济、高效并对全球环境影响最小的新型清洁能源。自从20世纪70年代开始，已经将光伏电池用作传统能源的替代。因为光伏电池使用源自太阳光的现有能量，所以由光伏发电造成的环境影响比传统发电小得多。大部分商业化的光伏电池是使用单晶硅、多晶硅或无定形硅的无机太阳能电池。传统上，将由硅制成的太阳能模块安装在建筑物的屋顶上。然而，这些无机硅基光伏电池以复杂的工艺方式并在高成本下制得，限制了光伏电池的使用。这些硅晶片基电池是易碎的不透明物质，限制了其在诸如窗口技术上的使用，在所述窗口技术中透明度是关键问题。此外，安装也是问题，因为这些太阳能模块重且易碎。另外，与在正常建筑中的窗口区域相比，诸如屋顶的安装位置受到限制，尤其是在摩天楼中更少。为了克服这种缺点，已经积极地对使用有机材料的光伏电池进行了研究。在OPV中的光伏过程首先从主要通过聚合物吸收光开始，随后形成激子。然后，激子迁移到供体(聚合物)/受体(富勒烯)的界面处并在所述位置解离。分开的电子和空穴通过跳动移动到相反电极上并被收集在电极上，产生开路电压(Voc)。在连接电极时，产生光电流(短路电流Isc)。在发现聚合物与碳C60之间的快速电荷转移之后，已经对基于π共轭聚合物的有机光伏电池进行了集中研究(Sariciftci等,Science1992,258,1474；Yu等,Science1995,270,1789；Yang和Heeger,Synth.Met.1996,83,85；Shaheen等,Appl.Phys.Lett.2001,78,841；Padinger等,Adv.Funct.Mater.2003,13,85；Brabec等,Appl.Phys.Lett.2002,80,1288；Ma等,Adv.Funct.Mater.2005,15,1617；Reyes-Reyes等,High-efficiencyphotovoltaicdevicesbasedonannealedpoly(3-hexylthiophene)and1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phenyl-(6,6)C61blends.Appl.Phys.Lett.2005,87,083506-9；Chen等,Polymersolarcellswithenhancedopen-circuitvoltageandefficiency.Nat.Photonics,2009,3(11),649-53)。常规的有机光伏装置使用透明基材如铟的氧化物如铟锡氧化物(ITO)或IZO作为正极并使用铝或其他金属作为负极。将包括电子供体材料和电子受体材料的光活性材料夹在正极与负极之间。常规装置中的供体材料为聚-3-己基噻吩(P3HT)，其为共轭聚合物。常规的受体材料为(6,6)-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)，其为富勒烯的衍生物。ITO和铝的触点两者都使用溅射和热气相沉积，所述溅射和热气相沉积两者都是昂贵的、高真空技术。在这些光伏电池中，光典型地入射到基材侧面上，从而需要透明的基材和透明的电极。然而，这限制了基材和电极可选择的材料。此外，为了提高电导率，需要30～500nm的最小厚度。而且，有机光电转换层对氧气和水汽敏感，所述氧气和水汽降低功率转换效率并缩短有机太阳能电池的寿命周期。对有机光伏电池的开发已经实现了3.6％的转换效率(P.Peumans和S.R.Forrest,Appl.Phys.Lett.79,126(2001))。在OPV中的光伏过程首先从主要通过聚合物吸收光开始，随后形成激子。然后，激子迁移到供体(聚合物)/受体(富勒烯)的界面处并在所述位置解离。分开的电子和空穴通过跳动移动到相反电极上并被收集在电极上，产生开路电压(Voc)。在连接电极时，产生光电流(短路电流Isc)。这些聚合的OPV保持潜在成为成本高效的光伏电池的可能，因为其是溶液可处理的。使用印刷(Krebs和Norrman,Usinglight-inducedthermocleavageinaroll-to-rollprocessforpolymersolarcells,ACSAppl.Mater.Interfaces2(2010)877–887；Krebs等,Aroll-to-rollprocesstoflexiblepolymersolarcells:modelstudies,manufactureandoperationalstabilitystudies,J.Mater.Chem.19(2009)5442–5451；Krebs等,Largeareaplasticsolarcellmodules,Mater.Sci.Eng.B138(2007)106–111；Steim等,FlexiblepolymerPhotovoltaicmoduleswithincorporatedorganicbypassdiodestoaddressmoduleshadingeffects,Sol.EnergyMater.Sol.Cells93(2009)1963–1967；Blankenburg等,Reeltoreelwetcoatingasanefficientup-scalingtechniquefortheproductionofbulkheterojunctionpolymersolarcells,Sol.EnergyMater.Sol.Cells93(2009)476–483)、旋涂和激光刻绘(Niggemann,etal.,Organicsolarcellmodulesforspecificapplications—fromenergyautonomoussystemstolargeareaphotovoltaics,ThinSolidFilms516(2008)7181–7187；Tipnis等,Large-areaorganicphotovoltaicmodule—fabricationandperformance,Sol.EnergyMater.Sol.Cells93(2009)442–446；Lungenschmied等,Flexible,long-lived,large-area,organicsolarcells,Sol.EnergyMater.Sol.Cells91(2007)379–384)以及辊涂(Jung和Jo,Annealing本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.14 US 61/442,5611.制造有机太阳能光伏电池的方法，所述方法包括如下步骤：获得铟锡氧化物基材；在铟锡氧化物基材上喷涂Cs2CO3层；在手套箱内对所述Cs2CO3层进行退火；在所述Cs2CO3层上喷涂聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯的有源层以形成装置，该步骤包括：a)将聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯的溶液在60℃下加热48小时，b)喷涂聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯的溶液的多个轻层以形成约200nm至约300nm的最终层厚度；在真空下在前室中干燥所述装置至少12小时；使用有机溶剂除去过量的有源层；在所述有源层上喷涂包含混合有5体积％二甲亚砜的聚(3,4)亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯的层；将有机太阳能光伏电池放入高真空中历时1小时；对有机太阳能光伏电池进行退火，其中在120℃下、160℃下、或在120℃下历时10分钟随后在高真空下历时1小时并在160℃下退火10分钟来实施退火；以及利用UV固化环氧树脂对有机太阳能光伏电池进行包封，其中获得铟锡氧化物基材的步骤还包括：获得涂布有铟锡氧化物的基材；使用光刻图案化铟锡氧化物；对铟锡氧化物进行蚀刻；以及对蚀刻后的铟锡氧化物和基材进行清洁，其中通过丙酮、异丙醇或UV-臭氧中的至少一种对蚀刻后的铟锡氧化物和基材进行清洁，并且在50℃下实施所述清洁，各自20分钟，随后利用N2进行干燥。2.如权利要求1所述的方法，其中利用HCl和HNO3的混合溶液对铟锡氧化物进行蚀刻。3.如权利要求1所述的方法，其中通过以2mg/ml的比率将Cs2CO3溶于2-乙氧基乙醇中并搅拌1小时来制备Cs2CO3层。4.如权利要求1所述的方法，其中在填充有N2的手套箱内在150℃下对所述Cs2CO3层进行退火10分钟。5.如权利要求1所述的方法，其中通过在二氯苯中以1:1的重量比混合聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯来制备有源层溶液。6.如权利要求5所述的方法，其中在喷雾之前在60℃下在电热板上将聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯搅拌48小时。7.如权利要求1所述的方法，其中通过如下操作制备包含混合有5体积％二甲亚砜的聚(3,4)亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯的层：对聚(3,4)亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯进行稀释，将稀释后的聚(3,4)亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯过滤通过0.45μm的过滤器；以及将二甲亚砜混入稀释后的聚(3,4)亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋晓梅，贾森·莱维斯，
申请(专利权)人：南佛罗里达大学，
类型：
国别省市：