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CN102637826A - 一种大面积有机太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents

一种大面积有机太阳能电池结构及其制备方法 Download PDF

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初蓓
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Abstract

一种大面积有机太阳能电池结构及其制备方法，涉及有机光电器件技术领域，解决现有大面积有机太阳能电池采用透明金属氧化物作为器件的空穴收集电极层，导致空穴收集电极层的电阻较大，进而导致大面积器件的功率转换效率降低的问题，包括衬底、空穴收集电极层、金属网格辅助电极层、阳极缓冲层、有机光活性层、阴极缓冲层和电子收集电极层。其中，空穴收集电极层采用直流磁控溅射法沉积，金属网格辅助电极层首先采用直流磁控溅射法沉积一层金属薄膜，然后采用湿法刻蚀工艺将金属薄膜刻蚀成特定图案的辅助电极，本发明可大大降低大面积有机太阳能电池的串联电阻，从而提高器件的功率转换效率。

Description

一种大面积有机太阳能电池结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机光电器件技术领域，具体涉及一种大面积有机太阳能电池结构及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是将太阳辐射的光能直接转化为电能的器件。目前研究和应用最广泛的是无机的硅基（包括单晶硅、多晶硅、和非晶硅）太阳能电池，但是复杂的制备工艺、高昂的成本限制了它的广泛应用。有机太阳能电池因其重量轻、工艺简单、成本低、材料易得且性能易于调控、可集成在大面积和柔性衬底上等优点受到广泛关注。有机太阳能电池的工作过程可简要概述如下：在光照下，器件中的有机光活性层吸收辐照的光子能量产生光生激子（电子-空穴对），光生激子分解产生自由载流子（电子和空穴），电子和空穴分别向电子收集电极层和空穴收集电极层扩散并被收集，最终在外电路中形成电流。由此可知，电子和空穴的收集是决定器件功率转换效率的关键因素之一。
目前报道的有机太阳能电池的功率转换效率已经达到8%，但是这些效率是在小面积（一般小于20mm2）的原理性器件上获得的。而有机太阳能电池要实现实用化，必须获得高效率的大面积器件。目前大部分有机太阳能电池采用透明导电金属氧化物，如铟锡氧化物（indium tin oxides，ITO），作为器件的空穴收集电极层，所用的导电金属氧化物面电阻较大（一般大于10Ω）。在采用透明导电金属氧化物作为大面积有机太阳能电池的空穴收集电极层时，透明导电金属氧化物的电阻使大面积器件的串联电阻随器件面积增大而显著增大，造成光生载流子在收集过程中损失增大，导致大面积器件的功率转换效率随器件面积增大迅速下降。为了改善大面积有机太阳能电池的功率转换效率，有效降低空穴收集电极层的电阻是必要的途径之一，比如在器件的空穴收集电极层四周采用真空热蒸发工艺沉积技术沉积一层金属Al辅助电极。这种方法在提高相对较小面积器件的功率转换效率上有一定效果，但是这种方法无法降低大面积器件中有效面积内部空穴收集电极层的电阻。
发明内容
本发明为解决现有大面积有机太阳能电池采用透明金属氧化物作为器件的空穴收集电极层，导致空穴收集电极层的电阻较大，进而导致大面积器件的功率转换效率降低的问题，提供一种大面积有机太阳能电池结构及其制备方法。
一种大面积有机太阳能电池结构，该结构包括衬底层、空穴收集电极层、金属网格辅助电极层、阳极缓冲层、有机光活性层、阴极缓冲层和电子收集电极层；所述衬底层上生长空穴收集电极层，所述空穴收集电极层上沉积金属薄膜，在金属薄膜上刻蚀金属网格辅助电极层，在所述金属网格辅助电极层上依次生长阳极缓冲层、有机光活性层、阴极缓冲层和电子收集电极层；所述金属网格辅助电极层的厚度为20-200nm，金属网格辅助电极层的材料为金属Cr或Ag。
基于一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、在衬底上采用直流磁控溅射法沉积空穴收集电极层；
步骤二、在步骤一所述的空穴收集电极层上采用直流磁控溅射法沉积一层金属薄膜，采用湿法刻蚀工艺在金属薄膜上刻蚀金属网格辅助电极层；
步骤三、在步骤二所述的金属网格辅助电极层依次沉积阳极缓冲层、有机光活性层和阴极缓冲层；
步骤四、在步骤三所述的阴极缓冲层上采用真空热蒸发工艺沉积电子收集电极层。
本发明的有益效果：本发明所述的大面积有机太阳能电池结构在空穴收集电极层上加入了金属网格辅助电极层，可有效降低空穴收集电极层的电阻，减少光生载流子在收集过程中的损失，改善光生载流子的收集效率，提高器件的短路电流、填充因子以及功率转换效率。
附图说明
图1为本发明所述的大面积有机太阳能电池结构的示意图，图中1、衬底，2、空穴收集电极层，3、金属网格辅助电极层，4、阳极缓冲层，5、有机光活性层，6、阴极缓冲层，7、电子收集电极层；
图2为现有标准器件2中的金属辅助电极示意图；
图3为具体实施方式三中所述的本发明器件1所采用的金属网格辅助电极示意图；
图4为具体实施方式三中所述的本发明器件2所采用的金属网格辅助电极示意图；
图5为图2中所述的现有标准器件和本发明器件的I-V特性曲线示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种大面积有机太阳能电池结构，该结构包括衬底层1、空穴收集电极层2、金属网格辅助电极层3、阳极缓冲层4、有机光活性层5、阴极缓冲层6和电子收集电极层7；所述衬底层1上生长空穴收集电极层2，所述空穴收集电极层2上沉积金属薄膜，在金属薄膜上刻蚀金属网格辅助电极层3，在所述金属网格辅助电极层3上依次生长阳极缓冲层4、有机光活性层5、阴极缓冲层6和电子收集电极层7；所述金属网格辅助电极层3的厚度为20-200nm，金属网格辅助电极层3的材料为金属Cr或Ag。
本实施方式所述的金属网格电极层由空穴收集电极层2四周的辅助电极（外线条）和空穴收集电极层2内部的辅助电极（内线条）两部分组成。
本实施方式中所述的衬底层1采用玻璃或聚合物材料衬底，如聚乙烯（polyethylene，PE）、聚对苯二甲酸乙二醇（polythylene terephthalate，PET）；空穴收集电极层2采用透明导电金属氧化物，如铟锡氧化物（indium tin oxides，ITO）、氟锡氧化物（fluorine-doped tin oxide，FTO）、铝锌氧化物（aluminum-dopedzinc oxide，AZO）；金属网格辅助电极层3材料采用金属Cr或Ag；阳极缓冲层4采用金属氧化物，如三氧化钼(MoO3)、三氧化钨(WO3)、五氧化二钒（V2O5），或采用有机物，如聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystrrenesulfonate，PEDOT:PSS）、聚乙烯氧化物（polyethylene oxide，PEO）；有机光活性层5采用金属酞菁配合物，如酞菁铜（copper phthalocyanine，CuPc）、酞菁锌(zinc phthalocyanine，ZnPc)、酞菁锡(tin phthalocyanine，SnPc)，或聚噻吩衍生物，如P3HT（poly(3-hexylthiophene)）,或聚苯乙烯衍生物，如MEH-PPV（poly(2-methoxy-5-2’-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene，或富勒烯衍生物，如C60、PCBM([6,6]-phenylC61-butyricacidmethylester)中的一种或多种材料，有机光活性层5可采用单层、多层或混合层结构；阴极缓冲层6采用有机物，如BCP(bathocuproine)、Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)、Alq3(tris(8-hydroxyquinoline)aluminum)、Alq3：Mg、Bphen：Li，或采用金属氧化物，如二氧化钛（TiO2）、氧化锰(MnO)；电子收集电极层7采用金属Al、金属Ca、Mg：Ag合金。
本实施方式所述的衬底层1的厚度为0.1-2mm；空穴收集电极层2的厚度为20-400nm；阳极缓冲层4的厚度为1-100nm；有机光活性层5的厚度为20-500nm；阴极缓冲层6的厚度为0.5-50nm；电子收集电极层7的厚度为10-200nm。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法，该方法的实现过程为：
首先，在衬底上采用直流磁控溅射法沉积空穴收集电极层2；
其次，在空穴收集电极层2上采用直流磁控溅射法沉积一层金属薄膜，采用湿法刻蚀工艺将金属薄膜刻蚀成特定图案的金属网格辅助电极层3；
然后，依次沉积阳极缓冲层4、有机光活性层5、阴极缓冲层6，以上各层可采用真空热蒸发工艺或溶液旋涂工艺沉积；
最后，在阴极缓冲层6上采用真空热蒸发工艺沉积电子收集电极层7。
本实施方式中所述的特定图案的金属网格辅助电极层3可以为矩形、正方形、三角形图案等。所述的金属网格辅助电极层3由空穴收集电极层2四周辅助电极（外线条）和内部辅助电极（内线条）两部分组成。金属网格辅助电极层3的厚度为20-200nm；金属网格辅助电极层3线条宽度为0.1-2mm，辅助电极外线条宽度和内线条宽度可以相等。
本实施方式中所述的衬底层1采用玻璃或聚合物材料衬底，如PE、PET；空穴收集电极层2采用透明导电金属氧化物，如ITO、FTO、AZO；金属网格辅助电极层3材料采用Cr或Ag；阳极缓冲层4采用金属氧化物，如MoO3、WO3、V2O5，或采用有机物，如PEDOT:PSS、PEO；有机光活性层5采用金属酞菁配合物，如CuPc、ZnPc、SnPc，或聚噻吩衍生物，如P3HT,或聚苯乙烯衍生物，如MEH-PPV，或富勒烯衍生物，如C60、PCBM中的一种或多种材料，有机光活性层5可采用单层、多层或混合层结构；阴极缓冲层6采用有机物，如BCP、Bphen、Alq3、Alq3：Mg、Bphen：Li，或采用金属氧化物，如TiO2、MnO；电子收集电极层7采用Al、Ca或Mg：Ag合金。
本实施方式所述的衬底层1的厚度为0.1-2mm；空穴收集电极层2的厚度为20-400nm；阳极缓冲层4的厚度为1-100nm；有机光活性层5的厚度为20-500nm；阴极缓冲层6的厚度为0.5-50nm；电子收集电极层7的厚度为10-200nm。
具体实施方式三、结合图3和图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式二所述的一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法的实施例：本实施例采用实施方式一所述的本发明的电池结构，
采用1.2mm的玻璃作为衬底层1，洗净衬底层1后，采用直流磁控溅射法在衬底层1上沉积ITO作为空穴收集电极层2，厚度为300nm；采用直流磁控溅射法在空穴收集电极层2上沉积金属Cr层，厚度为50nm；采用湿法刻蚀工艺将Cr金属层刻蚀成如图3所示网格辅助电极结构，获得金属网格辅助电极层3，其中Cr金属网格辅助电极层3的外线条宽度3-1和内线条宽度3-2分别为1mm和0.2mm；在空穴收集电极层2和金属网格辅助电极层3上沉积MoO3作为阳极缓冲层4，厚度为5nm；在阳极缓冲层4上依次沉积30nm CuPc和40nmC60作为有机光活性层5；在有机光活性层5上沉积Bphen作为阴极缓冲层6，厚度为8nm；最后在阴极缓冲层6上沉积金属Al作为电子收集电极层7，厚度为100nm；以上阳极缓冲层4,有机光活性层5,阴极缓冲层6和电子收集电极层7都采用真空热蒸发工艺沉积技术，真空度约为5×10-4Pa。本发明器件1的I-V特性曲线采用Keithley 2400数字源表进行测量，测试在功率为100mW/cm2的氙灯照射下进行。所有测量都是在大气环境下进行的。所测得的I-V特性曲线为图5中本发明器件1对应的曲线。由图中可知，本发明器件1的开路电压与现有标准器件1和现有标准器件2相当，但是本发明器件1的短路电流、填充因子和功率转换效率与现有标准器件1和现有标准器件2相比均有显著提高。
具体实施方式四、结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式二所述的一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法的实施例：本实施例采用实施方式一所述的本发明所述的电池结构，
采用1.2mm的玻璃作为衬底层1，洗净衬底层1后，采用直流磁控溅射法在衬底层1上沉积ITO作为空穴收集电极层2，厚度为300nm；采用直流磁控溅射法在空穴收集电极层2上沉积金属Cr层，厚度为50nm；采用湿法刻蚀工艺将Cr金属层刻蚀成如图4所示网格辅助电极结构，获得金属网格辅助电极层3，其中Cr金属网格辅助电极层3的外线条宽度3-1和内线条宽度3-2分别为1mm和0.2mm；在空穴收集电极层2和金属网格辅助电极层3上沉积MoO3作为阳极缓冲层4，厚度为5nm；在阳极缓冲层4上依次沉积30nm CuPc和40nmC60作为有机光活性层5；在有机光活性层5上沉积Bphen作为阴极缓冲层6，厚度为8nm；最后在阴极缓冲层6上沉积金属Al作为电子收集电极层7，厚度为100nm；以上阳极缓冲层4,有机光活性层5,阴极缓冲层6和电子收集电极层7都采用真空热蒸发工艺沉积技术，真空度约为5×10-4Pa。本发明器件2的I-V特性曲线采用Keithley 2400数字源表进行测量，测试在功率为100mW/cm2的氙灯照射下进行。所有测量都是在大气环境下进行的。所测得的I-V特性曲线为图5中本发明器件2对应的曲线。由图中可知，本发明器件2的开路电压与现有标准器件1和现有标准器件2相当，但是本发明器件2的短路电流、填充因子和功率转换效率与现有标准器件1和现有标准器件2相比均有显著提高。
结合图5，所有器件都采用厚度为1.2mm玻璃作为衬底层1，厚度为300nm的ITO作为空穴收集电极层2，现有标准器件1的结构为ITO/MoO3（5nm）/CuPc（30nm）/C60（40nm）/Bphen（8nm）/Al（100nm）,现有标准器件2、本发明器件1和本发明器件2的结构为ITO/Cr（50nm）/MoO3（5nm）/CuPc（30nm）/C60（40nm）/Bphen（8nm）/Al（100nm）。其中，现有标准器件2、本发明器件1和本发明器件2的辅助电极结构分别如图2、图3和图4所示。
表1为现有标准器件1、现有标准器件2和本发明器件1、本发明器件2的性能比较。现有标准器件1、现有标准器件2和本发明器件1、器件2的有效面积（定义为空穴收集电极层2与电子收集电极层7的交叉部分面积）均为30×30mm2，器件的电流-电压（I-V）特性曲线测试在功率为100mW/cm2的氙灯照射下进行，所有器件的性能测试在大气环境中同一条件下进行。
表1
Figure BDA00001603957300061

Claims (10)

1.一种大面积有机太阳能电池结构，该结构包括衬底层（1）、空穴收集电极层（2）、金属网格辅助电极层（3）、阳极缓冲层（4）、有机光活性层（5）、阴极缓冲层（6）和电子收集电极层（7）；所述衬底层（1）上生长空穴收集电极层（2），所述空穴收集电极层（2）上沉积金属薄膜，其特征是，在金属薄膜上刻蚀金属网格辅助电极层（3），在所述金属网格辅助电极层（3）上依次生长阳极缓冲层（4）、有机光活性层（5）、阴极缓冲层（6）和电子收集电极层（7）；所述金属网格辅助电极层（3）的厚度为20-200nm，金属网格辅助电极层（3）的材料为金属Cr或Ag。
2.根据权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构，其特征在于，所述衬底层（1）的材料采用玻璃或聚合物材料，衬底层（1）的厚度为0.1-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构，其特征在于，所述空穴收集电极层（2）的材料采用铟锡氧化物、氟锡氧化物或铝锌氧化物，空穴收集电极层（2）的厚度为20-400nm。
4.根据权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构，其特征在于，所述阳极缓冲层（4）的材料采用金属氧化物或有机物，阳极缓冲层（4）的厚度为1-100nm。
5.根据权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构，其特征在于，所述有机光活性层（5）采用金属酞菁配合物、聚噻吩衍生物、聚苯乙烯衍生物或富勒烯衍生物中的一种或几种的组合；所述有机光活性层（5）采用单层、多层或混合层结构，有机光活性层（5）的厚度为20-500nm。
6.根据权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构，其特征在于，所述阴极缓冲层（6）采用有机物或金属氧化物，阴极缓冲层（6）的厚度为0.5-50nm。
7.根据权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构，其特征在于，所述电子收集电极层（7）采用金属Al、金属Ca或Mg：Ag合金；电子收集电极层（7）的厚度为10-200nm。
8.基于权利要求1所述的一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、在衬底上采用直流磁控溅射法沉积空穴收集电极层（2）；步骤二、在步骤一所述的空穴收集电极层（2）上采用直流磁控溅射法沉积一层金属薄膜，在金属薄膜上刻蚀金属网格辅助电极层（3）；金属网格辅助电极层（3）的厚度为20-200nm；
步骤三、在步骤二所述的金属网格辅助电极层（3）上依次沉积阳极缓冲层（4）、有机光活性层（5）和阴极缓冲层（6）；
步骤四、在步骤三所述的阴极缓冲层（6）上采用真空热蒸发工艺沉积电子收集电极层（7）。
步骤三所述的在金属网格辅助电极层（3）上依次沉积阳极缓冲层（4）、有机光活性层（5）和阴极缓冲层（6），沉积方法为采用真空热蒸发工艺或溶液旋涂工艺沉积。
9.根据权利要求8所述的一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，步骤二所述的金属网格辅助电极层（3）线条宽度为0.1-2mm。
10.根据权利要求8所述的一种大面积有机太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，步骤二所述的金属网格辅助电极层的刻蚀方法为：采用湿法刻蚀技术刻蚀。
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