[發(fā)明專利]具有納米凹凸結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580001097.0
• 申請日: 2015-02-02
• 公開（公告）號: CN105594007B
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋炯俊;鄭祈男;李建熙;高榮晙;李種權(quán);李昌熙;崔萬秀
• 申請（專利權(quán)）人: 多次元能源系統(tǒng)研究集團(tuán);首爾大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42
• 代理公司: 深圳市順天達(dá)專利商標(biāo)代理有限公司 44217
• 代理人: 蔡曉紅;柯夏荷

本發(fā)明提供了一種有機(jī)光伏電池，包括形成在基板上的第一電極層，結(jié)合在第一電極層表面的金屬納米顆粒，形成在金屬納米顆粒上的空穴傳輸層與金屬納米顆粒共同形成的納米凹凸結(jié)構(gòu)，形成在空穴傳輸層上的光敏層和形成在光敏層的第二電極層。由于納米凹凸結(jié)構(gòu)使表面等離子效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而使光電流增加。光敏層具有非平整結(jié)構(gòu)，相對平整結(jié)構(gòu)來說，非平整結(jié)構(gòu)使光敏層可吸收大量的光線，提高了有機(jī)光伏電池的光伏效率。另外，納米凹凸結(jié)構(gòu)可通過簡化的干氣溶膠設(shè)置形成，不需要復(fù)雜的曝光或轉(zhuǎn)移過程，在經(jīng)濟(jì)效益上具有顯著改善。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有納米凹凸結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池及其制備方法，尤其涉及一種采用能增強(qiáng)表面等離子體效應(yīng)和光吸收效率的納米凹凸結(jié)構(gòu)以提高光伏轉(zhuǎn)換率的有機(jī)光伏電池以及制備有機(jī)光伏電池的方法。

背景技術(shù)

石油價格的上漲是由于化石燃料的全球消費(fèi)量的增加，替代能源需求的日益增長也導(dǎo)致了環(huán)境問題，如全球變暖。

太陽能電池技術(shù)是利用太陽能進(jìn)行發(fā)電的一種取之不盡的能源，在各種可再生能源技術(shù)中，太陽能電池發(fā)電一直備受關(guān)注。目前太陽能電池中很大一部分是無機(jī)硅太陽能電池，其具有很高的商業(yè)價值，但其原料昂貴、制造工藝復(fù)雜，從經(jīng)濟(jì)角度考慮有很大缺陷。

在這種情況下，一種用于替代無機(jī)硅太陽能電池的有機(jī)光伏電池(OPV)受到廣泛關(guān)注。有機(jī)光伏電池作為下一代太陽能電池由于其重量輕、靈活性高、價格低而具有很多潛在的應(yīng)用前景。然而，有機(jī)光伏電池與無機(jī)硅太陽能電池比較，其功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)相對較低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步改善有機(jī)光伏電池的性能。

因此為達(dá)到有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽能電池的更高轉(zhuǎn)換效率，急需開發(fā)新的活躍層材料，該材料能夠在很寬波長范圍內(nèi)吸收光、具有高載流遷移率、以及合適的光帶間隙以獲得最佳的開路電壓(VOC)。

為了提高太陽能電池的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性已經(jīng)提出了很多建議，例如：已經(jīng)提出的技術(shù)包括：改善與電極和活性層(active layer)之間接口相關(guān)的裝置的結(jié)構(gòu)特性、或通過誘導(dǎo)表面等離子來增強(qiáng)活性層的光學(xué)特性。不論采用何種材料這些技術(shù)都是適用的，因此需要這些技術(shù)來獲得高功率轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)光伏電池。

有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率主要由入射光子對電流轉(zhuǎn)換效率決定，其功率轉(zhuǎn)換效率可通過光吸收效率和內(nèi)部量子效率來表示。因此要求較高的入射光子至電流轉(zhuǎn)換效率以獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率。

然而光吸收效率和內(nèi)部量子效率之間的權(quán)衡使得難于增加入射光子電流轉(zhuǎn)換效率。也就是說，活性層厚度的增加同時導(dǎo)致低載流子遷移率和內(nèi)部量子效率的減少，雖然增加了光吸收但最終可能會降低功率轉(zhuǎn)換效率。因此需要一種在相同活性層厚度下增加光吸收的方法。

在嘗試克服上述問題時，已知的一種方法是引入納米粒子或納米結(jié)構(gòu)以增加進(jìn)入活性層的光的強(qiáng)度，并誘導(dǎo)較長的光傳播路徑。尤其是，通過光進(jìn)入納米顆粒或納米結(jié)構(gòu)以在納米顆粒或納米結(jié)構(gòu)周圍創(chuàng)建一個電場，使金屬納米粒子或納米結(jié)構(gòu)內(nèi)形成偶極子，因此在納米顆粒或納米結(jié)構(gòu)周圍發(fā)生表面等離子體現(xiàn)象使光吸收增加。

現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)提出了許多利用納米顆粒表面等離子體現(xiàn)象的方法，例如，已知的一種方法就是將納米顆粒混合在溶液中并將混合液涂覆在薄膜上。然而根據(jù)此方法，在溶液混合過程中會損失很多納米顆粒，導(dǎo)致低效率。此方法所存在的其它問題是難以控制納米顆粒的大小和分布，并且需要使用一保護(hù)膜以防止納米粒子聚合。進(jìn)一步地，光吸收層包括溶液處理后獲得的納米顆粒，該光吸收層是一種平面結(jié)構(gòu)，因此很難進(jìn)一步期待有表面等離子體效應(yīng)。

在真空環(huán)境下金屬的熱沉積會形成一層納米顆粒薄膜。這種情況下，可以防止損失納米顆粒【參見A.Yakimov,S.R.Forrest,“高光伏異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的多金屬納米簇”Appl.Phys.Lett.801667(2002)】，然而為確保具有充足的入射光透射率，薄膜的厚度為有限的幾納米或更少。因此納米顆粒的大小和高度被限定在幾納米。由于這個尺寸的限制，所以納米顆粒的大小和顆粒之間的間隔不能被控制，因此要獲得光學(xué)效應(yīng)就存在局限。