[發明專利]有機太陽能電池的新型器件結構

在審

• 申請號: 201910189976.0
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN111697139A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 侯劍輝;張赟
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01L51/44
• 分類號: H01L51/44;H01L51/42
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 趙天月

本發明提出了太陽能電池及其制備方法，所述太陽能電池包括：依次層疊設置的導電層、活性層、透明電極層和金屬柵格電極層。本發明的太陽能電池兼顧高透光性和高導電性，性能優異，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及材料領域。具體地，本發明涉及有機太陽能電池的新型器件結構。

背景技術

早在上世紀50年代末，Kallmann和Pope等利用蒽單晶制備了第一個單層的有機光電轉換器件，因輸出功率極低(3×10-12W)^[1]，在此后的多年間，有機光伏領域并未引動廣泛的關注。直至，1986年柯達公司的鄧青云等首次引入了電子給體和電子受體兩種材料，制備出雙層異質結結構的有機太陽電池，電池的光電轉換效率約為1％^[2]，在有機光伏領域實現了突破性的進展。此后，1995年加州大學圣巴巴拉分校Heeger研究組俞剛等人發明了本體異質結結構的有機太陽電池^[3]，本體異質結結構中電子給/受體材料共混并均勻分布于整個活性層中，給/受體間的界面面積明顯增大，這一創新型的器件結構為有機太陽電池的效率提升開辟了一條重要的途徑。自此以后，以有機材料作為主體材料的有機光伏領域得到了長足的發展，尤其是進入21世紀以后，有機太陽電池的效率不斷得到提升，目前實驗室領域的電池效率已經高達14％^[4]。

傳統的有機太陽電池結構為“三明治”結構，即自下而上，電池分為三個部分：底層為透明導電電極、中間層為電子給/受體共混的活性層、頂層為不透光的金屬電極，一般來說底層的透明導電電極是覆蓋于透明的襯底基材上。但一般意義上的有機太陽電池仍然采用透明導電電極一側即底層來收集太陽光以實現光電轉換的目的。

目前的有機太陽能電池領域中底部的透明電極來源可分為以下幾種：

1、在透明電極材料方面，占據主導地位的是ITO(氧化銦錫，In₂O₃:SnO₂)電極，為了保證一定的透光率(大于80％)，ITO層的厚度大致在100～300納米左右，在這種情況下，電導率在103S·cm^-1量級。一方面，ITO透明電極在作為導電電極制備小面積電池時，因電池面積較小，電阻帶來的損失基本是可以忽略不計；而當電池面積增加時，因電阻隨之增加而導致的效率損失比較大。其二，ITO作為透明導電電極使用時一般是通過濺射工藝將其覆蓋于硬質的玻璃或柔性的PET(聚對苯二甲酸乙二酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯) 或PI(聚酰亞胺)等基底上，相對而言，制備工藝較為復雜，加工成本也略高。另一方面， ITO因含有元素銦，材料本身的成本也較為昂貴。

2、采用碳材料作為透明導電電極，包括高分散的碳納米管、石墨烯等。在這方面，無論是碳納米管還是石墨烯，材料本身的低成本、規模化生產的問題仍然存在諸多問題，目前并不是透明導電電極材料的首選項。

3、使用高分散的金屬納米線作為透明導電電極，比如銀納米線。采用金屬納米線作為透明導電電極目前的劣勢與碳材料類似，同樣存在制備工藝不成熟，難以規模化生產、面積增加會導致電阻變大等缺點。

4、其他材料制備的透明導電電極，如導電聚合物(PEDOT：PSS)、摻雜的金屬氧化物(鋁摻雜的ZnO，AZO)等。

綜上所述，在兼顧透光率和高導電性的情況下，上述的透明導電電極材料均存在一些材料本身或是加工工藝方面的固有缺陷。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決現有技術中存在的技術問題至少之一。