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CN111446372A - 一种波浪形ito透明电极及有机太阳能电池 - Google Patents

一种波浪形ito透明电极及有机太阳能电池 Download PDF

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CN111446372A CN202010200971.6A CN202010200971A CN111446372A CN 111446372 A CN111446372 A CN 111446372A CN 202010200971 A CN202010200971 A CN 202010200971A CN 111446372 A CN111446372 A CN 111446372A
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臧月
陈岭风
辛青
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Abstract

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种波浪形ITO透明电极及有机太阳能电池，所述波浪形ITO透明电极由下到上依次包括衬底和波浪形ITO导电膜；所述波浪形ITO导电膜的截面为由若干个曲线单元构成波浪形结构；所述曲线单元的曲率半径为80~160nm，曲线长度为180~340nm。本发明的波浪形ITO透明电极，利用波浪形电极结构在单位体积内最大限度保证对入射光的捕获，提升光电流，减少入射光在器件内的无效反射，提高入射光在器件内的有效路径，使得包括该波浪形ITO透明电极的有机太阳能电池的光学及电学特性同步提升。

Description

一种波浪形ITO透明电极及有机太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种波浪形ITO透明电极及有机太阳能电池。
背景技术
有机太阳能电池是一种利用光伏原理将太阳辐射转换为电能的器件。透明电极作为有机太阳能电池的前电极，对于有机太阳能电池的转换效率起到了至关重要的作用。为了最大程度的提高有机太阳能电池的转换效率，透明电极除了需要具备透过率高、电导性强的特点外，还需要对器件内的光有较强的反射能力。因此，必须改变透明电极薄膜结构，提升透明电极对入射光的反射能力。
目前，有机太阳电池常用的透明电极材料为ITO，而且多为平面结构，并以玻璃为衬底构成器件底电极。随着科研的不断进行，出现了一种绒面结构的透明电极，能够改善入射光在器件内的反射率，提升器件的转换效率。然而，绒面形貌不规则、无序的结构特点会导致很多入射光在器件内产生无效的反射，损失一部分太阳光辐射。因此，为了提高透明电极对入射光的反射率，提升光在器件内的有效路径，必须设计一种能够增加入射光在器件内有效反射的透明电极结构。
发明内容
本发明为了克服传统ITO透明电极对入射光的反射率低，有机太阳能电池器件的光电转换效率低的问题，提供了一种对入射光具有较高反射率的波浪形ITO透明电极。
本发明还提供了一种包含上述波浪形ITO透明电极的有机太阳能电池，该有机太阳能电池能够减少入射光在器件内的无效反射，提高入射光在器件内的有效路径，提高光电转换效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种波浪形ITO透明电极，所述波浪形ITO透明电极由下到上依次包括衬底和波浪形ITO导电膜；所述波浪形ITO导电膜的截面为由若干个曲线单元构成波浪形结构；所述曲线单元的曲率半径为80~160nm，曲线长度为180~340nm。单个曲线单元的规格对透明电极的性能影响很大，曲率半径过大，曲线长度一定时，会导致薄膜失去波浪形的特性；曲率半径一定，曲线长度过大，对增加对入射光的无效反射。
本发明设计的波浪形ITO透明电极，能够有效的代替平面透明电极，利用波浪形电极结构在单位体积内最大限度保证对入射光的捕获，提升光电流。相比于绒面透明电极，波浪形ITO透明电极利用规则的形貌结构减少入射光在器件内的无效反射，提高入射光在器件内的有效路径，使得电池的光学及电学特性同步提升。
作为优选，所述波浪形ITO导电膜的厚度为100~200nm，波浪形ITO导电膜厚度过厚时会增加薄膜表面的粗糙程度，影响器件性能。
作为优选，所述衬底的材料为玻璃。
作为优选，所述衬底的上表面为与所述波浪形ITO导电膜形状适配的波浪形结构。
一种包括上述波浪形ITO透明电极的有机太阳能电池，所述有机太阳能电池从底面至顶面依次包括波浪形ITO透明电极、阳极缓冲层、光活性层、阴极缓冲层和背电极。
作为优选，所述阳极缓冲层为第一金属氧化物、聚合物或石墨烯；所述光活性层为电子给体和电子受体复合薄膜，所述电子给体为P3HT、PTB7、PTB7-Th或PBDB-T；所述电子受体为富勒烯衍生物或非富勒烯受体材料；所述阴极缓冲层材料为第二金属氧化物或有机材料。电子给体和电子受体复合薄膜作为光活性层在有机太阳能电池器件中具有吸收太阳光，产生复合电子对并分离形成电子和空穴的作用。
作为优选，所述第一金属氧化物为所述第一金属氧化物为MoO3、V2O5、WO3、NiO或者V2O5；上述金属氧化物具有较高功函数的特性，同时在可见光和近红外区域具有良好的光学透光率，作为阳极缓冲层在有机太阳能电池器件中具有与活性层形成欧姆接触，促进电荷分离，有效阻挡电子和保证空穴高效传输的作用。
作为优选，所述聚合物为PEDOT:PSS或PANI，上述聚合物具有较高的导电性、易于合成和良好的环境稳定性的特性，作为阳极缓冲层在有机太阳能电池器件中具有抑制界面电荷的复合，调控活性层形貌，提高转换效率和保证空穴高效传输的作用。
作为优选，所述富勒烯衍生物为PC61BM或PC71BM；所述非富勒烯受体材料为Y6或IEICO-4F。
作为优选，所述第二金属氧化物为ZnO或SnO2；上述金属氧化物具有合适的能级结构、环境友好、低成本和高透明度的特性，作为阴极缓冲层在有机太阳能电池器件中具有调节活性层内部的光场分布，提升内部光场强度，阻挡空穴和提升电极界面处的电子传输、收集能力的作用。
作为优选，所述有机材料为Bphen或PFN-Br，上述有机材料具有在不同溶剂中有良好的溶解性、易调节物理和化学性质的特性，作为阴极缓冲层在有机太阳能电池器件中具有提高其与电极之间的偶极，提升开路电压、短路电流和填充因子的作用。
作为优选，所述背电极材料为Ag、Au、Cu或Al。
因此，本发明具有如下有益效果：本发明的波浪形ITO透明电极，利用波浪形电极结构在单位体积内最大限度保证对入射光的捕获，提升光电流，减少入射光在器件内的无效反射，提高入射光在器件内的有效路径，使得包括该波浪形ITO透明电极的有机太阳能电池的光学及电学特性同步提升。
附图说明
图1是本发明的波浪形ITO透明电极的一种结构示意图。
图2是本发明的有机太阳能电池的一种结构示意图。
图3是实施例3的有机太阳能电池器件I-V曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
把镀有波浪形ITO导电膜的玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为80nm，曲线长度为180nm，波浪形ITO导电膜的厚度为100nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的PEDOT：PSS（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和PC71BM的混合溶液，PTB7-Th与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.4%。
实施例2
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为100nm，曲线长度为210nm，波浪形ITO导电膜的厚度为100nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的V2O5（阳极缓冲层）；接着，旋涂P3HT和PC61BM的混合溶液，P3HT与PC61BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的P3HT与PC61BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Cu作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.6%。
实施例3
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为120nm，曲线长度为250nm，波浪形ITO导电膜的厚度为100nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的MoO3（阳极缓冲层）；接着，旋涂PBDB-T和PC71BM的混合溶液，PBDB-T与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PBDB-T与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Au作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.2%。该实施例的有机太阳电池器件的I-V曲线图如图3所示。
实施例4
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为140nm，曲线长度为300nm，波浪形ITO导电膜的厚度为100nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的WO3（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7和Y6的混合溶液，PTB7与Y6的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7与Y6的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Al作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.0%。
实施例5
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为160nm，曲线长度为340nm，波浪形ITO导电膜的厚度为100nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的NiO（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和IEICO-4F的混合溶液，PTB7-Th与IEICO-4F的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与IEICO-4F的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.4%。
实施例6
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为160nm，曲线长度为340nm，波浪形ITO导电膜的厚度为120nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的V2O5（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和PC71BM的混合溶液，PTB7-Th与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.8%。
实施例7
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为160nm，曲线长度为340nm，波浪形ITO导电膜的厚度为140nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的PANI（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和PC71BM的混合溶液，PTB7-Th与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的PFN-Br阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.6%。
实施例8
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为160nm，曲线长度为340nm，波浪形ITO导电膜的厚度为160nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的PEDOT：PSS（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和PC71BM的混合溶液，PTB7-Th与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的Bphen阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.4%。
实施例9
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为160nm，曲线长度为340nm，波浪形ITO导电膜的厚度为180nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的PEDOT：PSS（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和PC71BM的混合溶液，PTB7-Th与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的SnO2阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.4%。
实施例10:
把具有波浪形ITO透明薄膜的波浪形玻璃衬底作为有机太阳电池的前电极。其中，如图1所示，波浪形ITO透明电极单个曲线单元的曲率半径为160nm，曲线长度为340nm，波浪形ITO导电膜的厚度为200nm。对玻璃衬底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、丙酮中进行超声清洗，清洗后用氮气吹干。
在玻璃衬底表面利用蒸镀法真空蒸镀上一层8nm厚的PEDOT：PSS（阳极缓冲层）；接着，旋涂PTB7-Th和PC71BM的混合溶液，PTB7-Th与PC71BM的质量比为1:1.5，得到一层厚度为90nm的PTB7-Th与PC71BM的混合膜（活性层）；然后在活性层上旋涂30nm的ZnO阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为150 °C，退火时间为10分钟；最后，在阴极修饰层上真空蒸镀上一层100nm厚的Ag作为阴极，从而得到如图2所示的有机太阳电池，其光电转换效率为4.2%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种波浪形ITO透明电极，其特征在于，所述波浪形ITO透明电极由下到上依次包括衬底和波浪形ITO导电膜；所述波浪形ITO导电膜的截面为由若干个曲线单元构成波浪形结构；所述曲线单元的曲率半径为80~160nm，曲线长度为180~340nm。
2.根据权利要求1所述的一种波浪形ITO透明电极，其特征在于，所述波浪形ITO导电膜的厚度为100~200nm。
3.根据权利要求1所述的一种波浪形ITO透明电极，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种波浪形ITO透明电极，其特征在于，所述衬底的上表面为与所述波浪形ITO导电膜形状适配的波浪形结构。
5.一种包括如权利要求1-4任一所述的波浪形ITO透明电极的有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池从底面至顶面依次包括波浪形ITO透明电极、阳极缓冲层、光活性层、阴极缓冲层和背电极。
6.根据权利要求5所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述阳极缓冲层为第一金属氧化物、聚合物或石墨烯；所述光活性层为电子给体和电子受体复合薄膜，所述电子给体为P3HT、PTB7、PTB7-Th或PBDB-T；所述电子受体为富勒烯衍生物或非富勒烯受体材料；所述阴极缓冲层材料为第二金属氧化物或有机材料。
7.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述第一金属氧化物为所述第一金属氧化物为MoO3、V2O5、WO3、NiO或者V2O5；所述聚合物为PEDOT:PSS或PANI。
8.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述富勒烯衍生物为PC61BM或PC71BM；所述非富勒烯受体材料为Y6或IEICO-4F。
9.根据权利要求6所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述第二金属氧化物为ZnO或SnO2；所述有机材料为Bphen或PFN-Br。
10.根据权利要求6-9任一所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述背电极材料为Ag、Au、Cu或Al。
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