CN101877386A

CN101877386A - 基于介观光学结构的万向太阳能电池

Info

Publication number: CN101877386A
Application number: CN 201010219023
Authority: CN
Inventors: 肖立新; 王芸; 张世勇; 陈志坚; 曲波; 龚旗煌
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2010-11-03

Abstract

本发明公开了基于介观光学结构的万向太阳能电池。该万向太阳能电池是一种激子型太阳能电池，包括衬底及位于衬底一侧表面上的阳极、光活性层和阴极，其中所述衬底和阳极是透明的，在衬底的另一侧表面具有介观光学结构。本发明通过对太阳能电池的衬底进行粗化加工，形成介观光学结构，使太阳能电池在各种入射光角度下的光电转换效率均得到提高，从而不需要外接跟踪太阳光的随动装置就实现了万向太阳能电池。

Description

基于介观光学结构的万向太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能电池(solar cell，SC)领域，特别涉及一种实现万向太阳能电池功能的激子型太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为光伏电池。太阳能电池根据是否形成激子可分为非激子型(如无机硅基太阳能电池等)与激子型(如有机太阳能电池)两种。其中激子型太阳能电池具有制作简单、制备过程温度低、造价低廉、可以制作大面积柔性器件等优点。Kodak研究室的Tang报道了第一个PV(photovoltaic)异质结激子型太阳能电池(C.W.Tang，“Two-layer organicphotovoltaic cell”，Appl.Phys.Lett.1986，48，183)。激子型太阳能电池的基本结构包括阳极、光活性层(photoactive layer)、和阴极。激子型太阳能电池将光能转换成电能可以分为三个主要过程：(1)光活性层吸收一定能量的光子产生电子空穴对即激子(exciton)；(2)激子在外加电场下或不同物质的界面处(异质结)分离成自由的光生载流子(电子和空穴)；(3)光生载流子被太阳能电池的两极所收集，接通外电路即有电流通过。

激子型太阳能电池目前又可以分为有机小分子、聚合物和染料敏化太阳能电池。有机小分子太阳能电池一般采用真空蒸镀技术，聚合物太阳能电池一般采用旋涂或喷墨打印技术制作。其中聚合物太阳能电池由于其简单的制作技术，可以制备低廉大面积器件而最具吸引力。一般将可溶性的富勒烯(电子受体，传输电子)衍生物与共轭聚合物(电子给体，传输空穴)混合形成光活性层。染料敏化太阳能电池采用纳米晶TiO₂增强激子的分离效率并吸光与传输的分离，从而提高能量转换效率。

表征太阳能电池性能的参数主要有短路电流密度、开路电压、填充因子、光电转换效率。太阳能电池在短路条件下的单位受光面积的工作电流称为短路电流密度(J_sc)，此时电池输出的电压为零；太阳能电池在开路条件下的输出电压称为开路电压(V_oc)，此时电池输出的电流为零；填充因子(FF)是单位受光面积的最大输出功率P_max与J_scV_oc的比值，FF越大，太阳能电池的性能越好；光电转换效率是单位受光面积的最大输出功率P_max与入射的太阳光能量密度P_in的百分比，它是太阳能电池的一个重要输出特性，主要与器件结构、结的特性、材料性质和环境等有关。

用做光活性层的电子给体和电子受体材料的能级需要匹配，以使电子、空穴更好的传输到两电极。文献“Gang Li，Vishal Shrotriya，Jinsong Huang，et al.NATURE MATERIALS，2005，4，864”报道用P3HT/PCBM作为活性层(active layer)，P3HT与PCBM通常按照1∶1或1∶0.8的比例混合溶解在邻二氯苯中，然后旋涂在ITO/PEDOT:PSS上，ITO/PEDOT:PSS是依次涂覆在玻璃衬底上的，器件的结构是玻璃衬底/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al，这也是目前最常见的聚合物太阳能电池的结构。文献“Brian O’Regan，Michael

，Nature，1991，353，737”第一次报道了染料敏化太阳能电池；文献“B.Ratier，W.Hojeij，B.Lucas and A.Moliton，Eur.Phys.J.，Appl.Phys.2006，36，289”中报道了用酞菁铜作为电子给体、C60作为电子受体的有机小分子太阳能电池。这些激子型太阳能电池所采用的衬底都是光滑透明的玻璃。

太阳能电池要将太阳光转变为电能，为了在一天当中都有较大的光电转换率，可以采用一个跟随太阳走向转动的随动系统(“人造向日葵”)，带动着太阳能电池板面向太阳光最强的方向，尽可能使太阳光垂直入射到太阳能电池板上，这种随动装置是比较复杂的，一般由单片机采样控制、由电机带动电池板转向跟踪太阳光。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激子型太阳能电池，该太阳能电池不需要外接复杂的随动系统以跟踪太阳光，在位置固定的情况下即可实现在各种入射光角度下太阳能电池光电转换效率的提高。

本发明的技术方案如下：

一种激子型太阳能电池，包括衬底及位于衬底一侧表面上的阳极、光活性层和阴极，其中所述衬底和阳极是透明的，在衬底的另一侧表面具有介观光学结构。

所谓“介观((mesoscopic))”是指介于宏观和微观之间的领域，介观光学结构是指微结构的尺度在太阳光波长量级内(即250纳米～2.5微米)的光学结构。

本发明的激子型太阳能电池可以是有机小分子、聚合物或染料敏化太阳能电池。对于有机小分子和聚合物太阳能电池，在阳极和光活性层之间通常具有空穴缓冲层，在光活性层和阴极之间具有电子传输层。而对于染料敏化太阳能电池，通常不具有空穴缓冲层和另外的电子传输层。

适用于本发明激子型太阳能电池的衬底材料有玻璃、柔性塑料等透明材料。

本发明激子型太阳能电池的阳极材料可以是铟锡氧化物(ITO，Indium Tin Oxides)、氟锡氧化物(FTO，fluorine doped tin oxide)、铝锌氧化物(AZO，aluminium-doped zinc oxide)等常用的阳极材料。

空穴缓冲层所用材料可以为聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：polystyrenesulfonate，PEDOT:PSS)、自组装膜(SAM，self-assembled monolayers)、酞菁铜、聚乙烯氧化物(PEO，polyethylene oxide)等有机物，还可以为金属氧化物如氧化镍(NiO)、氧化银(AgO_x)、氧化钼(MoO_x)、氧化锌(ZnO)等，及金属如金(Au)、铂(Pt)等，其中PEDOT:PSS是目前太阳能电池器件中最常用的有机空穴缓冲层材料之一。

对于激子型太阳能电池中的聚合物太阳能电池，其光活性层是p型有机半导体与n型半导体的共混体系，最常用的材料之一是P3HT:PCBM共混体系，其中P3HT(poly(3-hexylthiophene))是一种聚噻吩，作为电子给体；而PCBM(包括[6，6]-phenylC61-butyricacidmethylester和[6，6]-phenylC71-butyricacidmethylester)是富勒烯(包括C₆₀和C₇₀)的衍生物，作为电子受体。其他导电聚合物光活性层材料也适用于本发明，通常使用的电子给体材料例如PCPDTBT(poly[2，6-(4，4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2，1-b；3，4-b’dithiophene)-alt-4，7-(2，1，3-benzothiadiazole)])以及聚对苯乙烯类材料，其中聚对苯乙烯类材料如MEH-PPV(poly(2-methoxy-5-2’-ethylhexyloxy)-1，4-phenylenevinylene)和MDMO-PPV(poly[2-methyl，5-(3*，7**dimethyl-octyloxy)]-p-phenylene vinylene)等等，通常使用的电子受体材料为富勒烯及其衍生物。

对于有机小分子太阳能电池，其光活性层材料通常包括酞菁(Phthalocyanine)类化合物(如酞菁铜、酞氰锌和酞氰锡)和部花菁(merocyanine)等等小分子电子给体材料，电子受体材料通常是富勒烯及其衍生物、二酰亚胺及酰亚胺类等。

对于染料敏化太阳能电池，其光活性层与聚合物太阳能电池和有机小分子太阳能电池有一些不同，其通常包括染料敏化剂、氧化还原电解质、纳米多孔半导体薄膜等。

电子传输材料可以使用金属氟化物，最常用如氟化锂(LiF)；也可以是氧化物如氧化锰(MnO)、氧化镍(NiO)、氧化钴(CoO)、三氧化二钒(V₂O₃)、氧化铼(ReO_x)、氧化钛(TiO_x)(x≤3)等。

阴极材料可以是铝、镁银合金、锂铝合金、钙铝合金等。

本发明还提供了所述激子型太阳能电池的制备方法，选择透明的衬底，在衬底的一侧表面形成介观光学结构，而在其另一侧表面上依次形成太阳能电池的其他各层结构。

介观光学结构的形成可以采用机械打磨、人工砂纸打磨、或者其他外力如激光加工等手段使衬底表面成介观光学结构，呈现类似于毛玻璃的形貌；或者在衬底表面粘附上具有介观光学结构的薄膜。可以先在衬底一侧表面形成介观光学结构，然后在另一侧形成器件的各层结构；也可以先在衬底一侧表面形成器件的各层结构，最后在衬底另一侧表面形成介观光学结构。

激子型太阳能电池的衬底通常是在一侧表面上已预先涂覆有透明阳极的玻璃或透明塑料等衬底，如ITO玻璃衬底。这样的衬底一般在其没有涂覆阳极的表面形成介观光学结构(可以通过打磨或激光加工等方法使衬底该侧表面呈现介观光学结构，或者直接在衬底的该表面粘附上具有介观光学结构的薄膜)，而在阳极上形成其他各层结构。器件中各层结构可以采用真空蒸镀、溶液旋涂、印刷(包括喷墨打印、丝网印刷)等中的一种方法或者多种方法混合制作，这些方法已为本领域技术人员所熟知，于此不再赘述。

本发明通过对太阳能电池的衬底进行粗化加工，形成介观光学结构，所制作的激子型太阳能电池器件在各种入射光角度下均能提高太阳能电池的光电转换效率，从而不需要外接跟踪太阳光的随动装置，利用简单易行、成本低廉的方法实现了万向太阳能电池。

附图说明

图1a是实施例中所制备的参比器件的结构示意图；

图1b是实施例中所制备的实施器件的结构示意图。

图2a和图2b是实施例中所制备的实施器件的介观光学结构的光学显微镜放大图，其中图2a是放大100倍的明场图，图2b是放大400倍的明场图。

图3a是在不同的入射光角度下，实施例中参比器件的伏安特性曲线；

图3b是在不同的入射光角度下，实施例中实施器件的伏安特性曲线。

图4a是不同入射光角度下，实施例参比器件和实施器件的开路电压(Voc)比较图；

图4b是不同入射光角度下，实施例参比器件和实施器件的短路电流密度(Jsc)比较图；

图4c是不同入射光角度下，实施例参比器件和实施器件的填充因子(FF)比较图；

图4d是不同入射光角度下，实施例参比器件和实施器件的光电转换效率(η)比较图。

具体实施方法

以下结合附图，通过实施例详细描述本发明在不同入射光角度下，都提高激子型太阳能电池器件开路电压、填充因子和光电转换效率的方法，但不构成对本发明的限制。

(一)参比器件：

根据下列步骤制备参比器件：

(1)清洗ITO(铟锡氧化物)玻璃：分别在去离子水、丙酮、乙醇中超声清洗10分钟，然后在等离子体清洗仪器中处理3分钟；

(2)在阳极ITO上旋涂空穴缓冲层PEDOT:PSS，其中PEDOT:PSS水溶液中PEDOT:PSS和H₂O体积比为1∶4，过滤头孔径0.2微米，转速3000转/分钟，旋涂时间30秒，旋涂后200℃退火，先在空气中退火5分钟后，在真空(＜10Pa)中退火15分钟，降温；

(3)在空穴缓冲层PEDOT:PSS上旋涂光活性层P3HT:PCBM混合溶液，其中混合溶液浓度为(P3HT:PCBM)/邻二氯苯＝(15mg:12mg)/ml，过滤头孔径0.2微米，转速600～800转/分钟，旋涂时间15秒，旋涂后待溶剂挥发，在真空(10^-3Pa)中150℃下退火1小时，降温；

(4)高真空(10^-4Pa)下，在光活性层P3HT:PCBM上真空蒸镀LiF，厚度

(5)在LiF上真空蒸镀阴极Al，厚度

所制备的参比器件结构参见图1a，其中11是背面光滑的玻璃衬底，12是ITO阳极，13是PEDOT:PSS空穴缓冲层，14是P3HT:PCBM光活性层，15是LiF电子传输层，16是阴极Al。

(二)实施器件

1、具有介观光学结构玻璃衬底的制备：

基于常用的ITO玻璃衬底，在没有涂覆ITO的一面用砂纸打磨，直至宏观上呈现半透明的毛玻璃形貌，其微观形貌通过光学显微镜观察如图2a和图2b所示，其中图2a是放大100倍的明场图(图2a中标尺为80μm)，图2b是放大400倍的明场图(图2b中标尺为20μm)，可以看到其表面的微结构在介观尺度范围内。

2、实施器件制备方法：

实施器件的各层结构的制备和参比器件的制备方法完全相同，并且是在相同的实验室条件下同时制备的，唯一不同就在于玻璃衬底的差别，参比器件是常用的ITO玻璃衬底，实施器件是打磨过的ITO玻璃衬底。

所制备的实施器件结构见图1b，其中21是打磨过的玻璃衬底，22是ITO阳极，23是PEDOT:PSS空穴缓冲层，24是P3HT:PCBM光活性层，25是LiF电子传输层，26是阴极Al。

(三)器件的测量与结果

参比器件和实施器件在100mW/cm²太阳能模拟器(Newport)AM 1.5G光照下的电流-电压由电流-电压仪(Keithley 2611)室温空气中测量。测量结果如图3a、图3b所示，由图3a、3b读出Voc、Jsc，并计算出FF和η，以上数据集中列在表1a和表1b中，图4a～4d分别是参比器件与实施器件在不同入射光角度下Voc、Jsc、FF和η的比较。可以看出不同入射光角度下(设垂直入射时入射角为0°)，实施器件在开路电压(Voc)、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)方面比参比器件都有较大提高。

表1a参比器件在不同入射光角度下的伏安性能参数大小

表1b实施器件在不同入射光角度下的伏安性能参数大小

以上通过实施例详细描述了本发明所提供的介观光学结构衬底在激子型太阳能电池器件中的应用及制备方法。这种衬底可以在不同的入射光角度下都提高太阳能电池的伏安性能，以非常简单易行成本低廉的方法实现了万向太阳能电池。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明的器件结构做一定的变形或修改，其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims

1.一种激子型太阳能电池，包括衬底及位于衬底一侧表面上的阳极、光活性层和阴极，其中所述衬底和阳极是透明的，在衬底的另一侧表面具有介观光学结构。

2.如权利要求1所述的激子型太阳能电池，其特征在于，所述衬底材料为玻璃或柔性塑料。

3.如权利要求1所述的激子型太阳能电池，其特征在于，所述阳极材料为铟锡氧化物、氟锡氧化物或铝锌氧化物。

4.如权利要求1所述的激子型太阳能电池，其特征在于，所述阴极材料是铝、镁银合金、锂铝合金或钙铝合金。

5.如权利要求1所述的激子型太阳能电池，其特征在于，所述激子型太阳能电池是有机小分子太阳能电池、聚合物太阳能电池或染料敏化太阳能电池。

6.如权利要求5所述的激子型太阳能电池，其特征在于，所述激子型太阳能电池是有机小分子太阳能电池或聚合物太阳能电池，在阳极和光活性层之间具有空穴缓冲层，在光活性层和阴极之间具有电子传输层。

7.如权利要求6所述的激子型太阳能电池，其特征在于，所述激子型太阳能电池是聚合物太阳能电池，其空穴缓冲层材料选自聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)、自组装膜、酞菁铜、聚乙烯氧化物、金属氧化物和金属中的一种；光活性层材料是p型有机半导体与n型半导体的共混体系；电子传输层材料选自金属氟化物和氧化物中的一种。

8.权利要求1～7任一所述有机太阳能电池的制备方法，选择透明衬底，在衬底的一侧表面形成介观光学结构，在另一侧表面上依次形成太阳能电池的其他各层结构。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在衬底表面形成介观光学结构的方法是：通过机械打磨、人工砂纸打磨或者激光加工使得衬底表面成介观光学结构；或者，在衬底表面粘附上具有介观光学结构的薄膜。