[發明專利]一種場效應有機太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410393402.2
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN105374938B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 朱紅飛;陳立桅;王學文;張珽
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48;H01L51/44
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產權代理有限公司44304
• 代理人: 孫偉峰

技術領域

本發明涉及太陽能電池等光伏器件的技術領域，尤其是一種場效應太陽能電極及其制備方法。

背景技術

有機太陽能電池具有柔性、價格低廉、可大面積制備等優點，具有巨大的市場前景，成為學術研究與產業開發所關注的熱點。從實際應用角度考慮，實驗室有機太陽能電池的光電轉換效率至少需要達到10％，且壽命超過7年才有可能嘗試批量生產和商業應用。近年來有機太陽能電池效率的提升取得了非常鼓舞人心的成果，多個研究組報導了>8％的效率，2012年更有小組已經達到了10％這一器件效率門檻。從研究角度看，熱力學理論分析認為有機太陽能電池的效率極限可以達到22–27％，因此有機太陽能電池的效率還有很大的上升空間。目前，提高有機太陽能電池效率的手段主要有兩個：(1)設計新型活性材料分子結構，包括降低給體分子帶隙寬度、降低給體材料HOMO能級、設計二維給體聚合物分子骨架以及調節給體分子的分子量等；(2)優化器件制備工藝：包括調控器件中材料界面，材料形貌等。這些研究的目的是為了提高器件的三個參數：開路電壓V_oc、短路電流J_sc和填充因子FF。然而研究發現，V_oc與J_sc相互制約，提升V_oc的同時往往以降低J_sc為代價，反之亦然，而影響FF的因素多而復雜，因此難以同時提高這三個性能參數。

現有的傳統有機太陽能電池的光電轉換效率普遍偏低，為了提高有機太陽能電池的光電轉換效率，研究者(1)從材料合成角度進行了活性材料分子結構設計包括降低給體分子帶隙寬度、降低給體材料HOMO能級、設計二維給體聚合物分子骨架以及調節給體分子的分子量等；這個方面的研究費時，費力，昂貴，目的性不強，而且還受制于器件的制備工藝，不確定性因素很多。(2)從器件物理的角度出發，研究者對器件的制備工藝進行了一系列的研究。然而研究發現，V_oc與J_sc相互制約，提升V_oc的同時往往以降低J_sc為代價，反之亦然，而影響FF的因素多而復雜，因此難以同時提高這三個性能參數。這類研究得到的工藝參數只適用于某種或某類材料，并沒有普適性，因此這種方法也有很多不確定性因素。

在2012年“納米快訊”上，研究者發表了用Cu₂O和硅作為活性材料，用幾十到幾百納米寬的半透明的金屬作為太陽能電池的一個電極，在電極上方蓋上絕緣層和門電極。用來調控器件的光電轉換效率。這種設計的缺陷在于:(1)器件能夠利用的光能會很少(半透明電極的透光率只有40％)；(2)由于電極大小的限制，使得器件的內阻增加，從而導致器件的開路電壓很小，沒有實用價值。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種場效應有機太陽能電池的制備方法，其包括如下步驟：

步驟一：在襯底上分別刻蝕陽電極、陰電極、以及獨立于所述陽電極、陰電極的門電極，所述門電極與所述襯底至少一邊緣連通；

步驟二：在所述門電極上利用原子層沉積法生長介電層；

步驟三：在所述介電層上通過氣相聚合的方法原位生長陽極材料；然后對所述陽極材料進行刻蝕，形成具有若干通孔的網狀陽極層；

步驟四：在所述網狀陽極層上形成活性層，退火處理；所述活性層通過所述通孔與所述介電層連接；

步驟五：然后在所述活性層上形成陰極層。

其中，所述門電極還還包括：開設于所述襯底中心的第一部分；以及開設于所述第一部分與所述襯底邊緣之間的橋接部，用于連通所述第一部分以及所述襯底邊緣。

其中，所述門電極還包括與所述襯底邊緣連通的第二部分，所述第二部分與所述第一部分通過所述橋接部連通。

其中，所述門電極占所述襯底面積的10～20％。

其中，所述網狀陽極層的占空比為1:1.5；所述網狀陽極層的材料為高分子聚合物、金屬材料或導電氧化物；

所述介電層材料為金屬氧化物、金屬氮化物或高分子聚合物；所述介電層的厚度為10～10000納米。

其中，所述活性層由空穴傳輸材料和活性材料構成。

本發明還提供這種場效應有機太陽能電池，其從下至上依次包括：刻蝕有陽電極、陰電極的襯底、介電層、網狀陽極層，活性層以及陰極層；所述襯底還刻蝕有獨立于所述陽電極、陰電極的門電極，所述門電極與所述襯底至少一邊緣連通。