[發明專利]一種聚合物太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201210357270.9
• 申請日: 2012-09-21
• 公開（公告）號: CN102867916A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 林紅;張永昌;保戶塚梢
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，特別涉及一種新型結構聚合物太陽能電池及其制備方法。

背景技術

聚合物太陽能電池又被稱為有機太陽能電池。有機高分子聚合物具有加工容易，價格便宜，具有能夠制作大面積柔性器件的特性。使用有機共軛高分子制作的聚合物太陽能電池具有全固態的特征，易于制備，并且其中的納米結構的尺寸、形狀和表面性質可用化學方法調節，極具潛在的應用價值。聚合物太陽能電池目前是太陽能電池研究熱點之一。

然而由于聚合物太陽能電池電荷分離機理及載荷傳輸距離的限制，目前聚合物太陽能電池普遍采用有機共軛聚合物和富勒烯衍生物組成的被稱為體異質結的雙貫穿結構作為活性層完成光電轉換，這種結構最早是由Yu和Heeger等（G.?Yu,?J.?Gao,J.?C.?Hummelen,?Science,1995,?270,?1789）創造性地使用的，但仍受制于載荷傳輸距離的限制不能制作活性層厚度較大的電池。同時，由于在傳統的聚合物太陽能電池工藝中，活性層在旋涂有PEDOT:PSS(一種空穴傳遞材料)的ITO透明導電玻璃上進行旋涂，上層熱蒸鍍覆蓋一層低功函數的金屬作為負極，在這種結構上酸性的PEDOT:PSS與ITO的直接接觸以及低功函數金屬的使用會降低電池的壽命。由此出現了反轉電池的結構，在這種結構中ITO玻璃上為一層低功函數材料，而作為空穴收集材料的PEDOT:PSS或其他高功函數材料則轉移到了相對的電極，這樣ITO玻璃成為負極，相對的正電極材料通常為金或者銀。

直接覆蓋在透明導電玻璃上的載荷收集層可以采用堿金屬化合物或者過渡金屬化合物，如Cs₂CO₃、ZnO、TiO₂。此外，沉積在透明導電玻璃上的電子收集材料可以具有一定的納米結構，例如TiO₂納米管結構（G.?K.?Mor,?K.?Shankar,?M.?Paulose,?O.?K.?Varghese,?C.?A.?Grimes,?Appl.?Phys.?Lett.?2007,?91,?152111），有助于載荷的分離以及在分離后載荷傳遞的定向性，有效地提高了光電流密度和電池的光電轉換效率。

德克薩斯州大學及分子制膜有限公司申請了使用壓印光刻技術制作納米結構用于太陽能電池的專利（中國專利公開號CN101952970A）；江蘇華創光電科技有限公司申請了一維陣列納米材料在半導體薄膜太陽能電池中應用的專利（中國專利公開號CN101820010A）。目前在科研領域納米材料的結構研究也是熱點，但對于適用簡易方法生長獲得的半導體氧化物納米棒陣列結構在體異質結聚合物太陽能電池中的應用目前仍未見相關文獻報道。

發明內容

本發明的目的是提出一種新型結構聚合物太陽能電池及其制備方法，特點在于提出一種聚合物太陽能電池載荷收集層材料的制備方法并應用于反轉結構電池中，以改善聚合物太陽能電池活性層的載荷分離以及載荷的傳輸和收集，抑制復合，增大電池的短路電流密度，最終獲得效率明顯改善的聚合物太陽能電池。

本發明提出的聚合物太陽能電池為反轉結構，包括以下部分：（1）透明導電基板；（2）電子收集層；（3）活性層；（4）空穴收集層；（5）金屬電極，其特征在于：該聚合物太陽能電池的電子收集層分為兩層，第一電子收集層為覆蓋在所述透明導電基板上的二維平面薄膜，第二電子收集層設在所述第一電子收集層上，所述第二電子收集層為具有一維納米陣列結構的薄膜。

上述電池結構中，一維納米陣列結構薄膜空隙中填充所述活性層，且活性層厚度高于一維納米陣列長度10～200nm。

上述電池結構中，所述的一維納米陣列結構包括但不限于納米棒陣列、納米線陣列等柱體陣列結構。該陣列其一維結構長度為50～2000nm，直徑為10～200nm，陣列的間隙尺寸為10～1000nm。

上述電池結構中，所述的第一電子收集層厚度為1nm～200nm。

上述電池結構中，所述的電子收集層（第一電子收集層及第二電子收集層）材料包括但不限于TiO₂、ZnO、SnO₂等半導體氧化物及其摻雜物。

上述電池結構中，所述的透明導電基板包括但不限于FTO玻璃、ITO玻璃、AZO玻璃等剛性基板，以及ITO-PEN等柔性基板。