[發(fā)明專利]一種基于微腔結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210319235.8
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN102832346A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈亮;阮圣平;劉彩霞;于文娟;郭文濱;董瑋;張歆東;陳維友;陸斌武
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué);無錫海達(dá)安全玻璃有限公司
• 主分類號: H01L51/44
• 分類號: H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微腔結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)太陽能電池多數(shù)以ITO作為電極，而且昂貴的銦是構(gòu)成ITO的主要原料，因此高成本將是導(dǎo)致有機(jī)太陽能電池在大規(guī)模生產(chǎn)中出現(xiàn)瓶頸的主要因素之一。另一方面，生產(chǎn)ITO需要很強(qiáng)的能量，在提供能量的過程中會引起很多環(huán)境問題，這些環(huán)境問題最終會導(dǎo)致能源成本的提高，從而引起太陽能電池成本的提高。而聚合物太陽能電池由于其廉價、柔性、大面積等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來清潔、可再生能源研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)，其中ITO-Free聚合物太陽能電池在一步步的探索中被認(rèn)為具有很強(qiáng)大的商業(yè)潛能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于微腔結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池的制備方法，該太陽能電池以石英玻璃為襯底，以在石英玻璃上蒸鍍的WO₃/Ag/WO₃膜為底電極，以聚合物材料為有源層，以LiF/Al復(fù)合層為頂電極；Ag和Al電極之間形成金屬微腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使器件內(nèi)部的光來回振蕩，發(fā)生光學(xué)諧振作用，使有源層材料的吸收得到增強(qiáng)，從而提高了器件的短路電流密度和能量轉(zhuǎn)化效率，利用本方法制備的微腔結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池，解決了傳統(tǒng)聚合物太陽能電池吸收范圍窄、光子率利用率低的問題。有源層為P3HT（Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，聚3己基噻吩）與PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric?acid?methyl?ester，富勒烯衍生物）按照1：0.8～1的質(zhì)量比混合物。

本發(fā)明所述的一種基于微腔結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池的制備方法，其步驟如下：

1.使用清潔的石英玻璃作為襯底，首先通過真空蒸發(fā)的方式在石英玻璃上得到半透明底電極（WO₃/Ag/WO₃）：在多源有機(jī)氣相分子沉積系統(tǒng)中，在石英玻璃上依次蒸鍍30～50nm厚的WO₃，10～20nm厚的Ag和15～30nm厚的WO₃，蒸發(fā)速度為0.2～0.5nm/s，使用膜厚儀檢測材料蒸發(fā)速度；

2.有源層是聚合物太陽能電池的吸光層，平整的有源層薄膜是獲得高效率電池的基礎(chǔ)，我們使用聚合物材料制備體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的有源層：將給體材料P3HT（Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，聚3己基噻吩）與受體材料PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric?acid?methyl?ester，富勒烯衍生物）按照1：0.8～1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，然后加入有機(jī)溶劑（二氯苯、氯苯、甲苯等）中，磁力攪拌72～90小時，配置成均勻的濃度為10～20mg/mL的混合溶液；然后將混合溶液旋涂在具有半透明底電極的石英玻璃上，旋涂速度為500～1500rpm，得到50～100nm厚的有源層薄膜；最后對有源層薄膜進(jìn)行退火，退火溫度為140℃～160℃，退火時間為0.3～0.5小時；

3.最后通過真空蒸發(fā)的方法在有源層薄膜上制備頂電極：在多源有機(jī)氣相分子沉積系統(tǒng)中，在有源層薄膜上蒸鍍厚度為0.8～1.2nm的LiF，在LiF上再蒸鍍厚度為80～120nm的Al，構(gòu)成LiF/Al復(fù)合頂電極，從而制備完成本發(fā)明所述的一種基于微腔結(jié)構(gòu)（ITO-Free）的聚合物太陽能電池。

本發(fā)明所制備得到的WO₃薄膜非常均勻致密，與玻璃表面接觸良好，可以減少太陽能電池的串聯(lián)電阻。WO₃是一種有機(jī)P型半導(dǎo)體材料，可以有效地傳導(dǎo)激子（光照下有源層中產(chǎn)生）分離后的空穴。ITO-Free有微腔結(jié)構(gòu)器件和ITO無微腔結(jié)構(gòu)器件的短路電流、開路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率的比較詳見表1。

表1：ITO-Free有微腔結(jié)構(gòu)的器件與ITO無微腔結(jié)構(gòu)的器件在100mW/cm²和AM（大氣質(zhì)量）為1.5G的環(huán)境下的特征參數(shù)比較：

從表1中可以看出，當(dāng)有源層的厚度為70nm時，對于ITO非微腔器件，短路電流密度為4.62mA/cm²，開路電壓為0.59V，填充因子為57.7％，能量轉(zhuǎn)化效率為1.57％；對于ITO-free微腔器件，短路電流密度為5.85mA/cm²，開路電壓為0.59V，填充因子為57.9％，能量轉(zhuǎn)化效率為2.0％。