專利名稱：一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽
能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
為了最大限度的利用太陽光的整個光譜范圍，最近提出了用窄帶隙的半導(dǎo)體納 米晶量子點(如CdSe、 PbS、 PbSe)來敏化共軛聚合物的有機/無機雜化太陽能電池的結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中在大于650nm的長波長方向表現(xiàn)出增強的光吸收性能(1 : S.A.Mcdonald， G.Konstantatos， S.Zhang， P.W.Cyr， E丄D.Klem， L丄evina， and E.H.Sargent， Nature Mater.2005， 4， 138 ; 2 : D.Cui， J.Xu， T.Zhu， G.Paradee， and S.Ashok， Appl.Phys. Lett.2006， 88， 183111)。同時，有機/無機雜化太陽能電池具有制備工藝簡單、重量 輕、造價低廉、容易制備大面積柔性器件等優(yōu)點而得到廣泛的關(guān)注(l : W.U.Huynh， J丄Dittmer， and A.P.Alivisotos， Science 2002， 295， 2425; 2: X.Jiang， R.D.Schaller， S.B丄ee， J.M.Pietryga， V丄Klimov， and A.A.Zakhidov， J.Mater.Res.2007， 22， 2204;
3 : D.Qi， M.Fischbein， M.Drndic， and S.Selmic， Appl.Phys丄ett.2005， 86， 093103 ;
4 : S.Kumar and G.D.Scholes， Microchim.Acta 2008， 160， 315 ; 5 : G.Konstantatos,
1. Howard， A.Fischer， S.Hoogland， J.Clifford, E.Klem， L丄evina， and E.H.Sargent, Nature 2006， 442， 180)。幾乎所有的有機/無機雜化太陽能電池結(jié)構(gòu)應(yīng)用的都是本體 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這是由于在本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中共軛聚合物中的光生激子能夠有效的在給受 體界面分離，有很高的光生載流子效率。然而，研究表明在共軛聚合物/半導(dǎo)體納米 晶共混而成的本體異質(zhì)結(jié)中，空穴和電子在復(fù)合前的遷移距離要小于在純聚合物中的 足巨離(1 : W.U.Huynh， J丄Dittmer， N.Teclemariam， D丄Milliron， A.P.Alivisatos， and K.W丄Bamham， Phys.Rev.B 2003， 67， 115326)。如果能用溶液加工的方法將平面異質(zhì)結(jié) 和本體異質(zhì)結(jié)集成在一起，不僅能夠改善載流子的傳輸和收集效率，而且能夠進一步充 分利用太陽光全光譜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法。
—種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池，包括依次層疊的玻璃襯底l、陽極
2、 陽極修飾層3、光電活化層4、陰極5，其特征在于在陽極修飾層3和光電活化層4之 間設(shè)有共軛聚合物電子給體材料層6，所述共軛聚合物電子給體材料層厚度為2-30nm。
所述共軛聚合物電子給體材料選自聚對亞苯基亞乙烯類、聚亞芳基亞乙烯基 類、聚對亞苯基類、聚亞芳基類、聚噻吩類、聚喹啉類。 所述光電活化層4為共軛聚合物電子給體材料與半導(dǎo)體納米晶電子受體材料混 合而成的光電活化層，其中，所述共軛聚合物電子給體材料選自聚(對亞苯基亞乙烯) 類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、聚(對亞苯基)類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉
3類，所述半導(dǎo)體納米晶電子受體材料是從III-V族、II-VI族和IV-VI族化合物半導(dǎo)體的組
中選取的。 所述陰極包括堿金屬、堿土金屬、鋁、銀、銅、或者上述金屬組成的合金。
—種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，其特征在于該方法步驟 如下 (1)超聲清洗濺射有ITO陽極的透明導(dǎo)電玻璃，然后用臭氧處理基片表面；
(2)再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾薄膜，干燥；
(3)將共軛聚合物電子給體材料溶于溶劑中，用旋轉(zhuǎn)涂膜或噴墨打印的方法將其 涂覆在上述經(jīng)陽極修飾的基片上，80-25(TC下干燥10-48min，自然冷卻至室溫，形成厚 度為2-30nm的共軛聚合物電子給體材料層； (4)將共軛聚合物電子給體材料與半導(dǎo)體納米晶電子受體材料與溶劑混合，將形 成的混合溶液用旋轉(zhuǎn)涂膜或噴墨打印的方法直接涂覆在共軛聚合物電子給體材料層上， 干燥后自然冷卻至室溫，形成光電活化層； (5)通過掩模板直接在光電活化層上真空蒸鍍金屬形成陰極，得到共軛聚合物/
半導(dǎo)體納米晶平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池。 所述步驟(3)中旋轉(zhuǎn)涂膜時轉(zhuǎn)速為1000-3000轉(zhuǎn)每分。 本發(fā)明的有益效果為 1.該方法能通過旋轉(zhuǎn)涂膜或噴墨打印的方法直接涂敷將共軛聚合物/半導(dǎo)體納米 晶光電活性層直接涂覆在下層共軛聚合物上； 2.在旋涂或噴墨打印上層共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶光電活性層時對下層共軛聚 合物沒有任何破壞； 3.該方法工藝簡單，成本低廉，膜厚容易控制，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；
4.該方法中的共軛聚合物層需較高溫度干燥，干燥溫度可以從80到250攝氏 度，干燥時間可以從10分鐘到48小時； 5.以該集成結(jié)構(gòu)制備的共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶太陽能電池具有優(yōu)于傳統(tǒng)本體 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件的光電能量轉(zhuǎn)換效率。


圖l是太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)，其中，(a)為本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，(b)為本發(fā)
明的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶太陽能電池； 圖2是太陽能電池的斷面掃描電鏡圖，其中，(a)為本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，(b)
為本發(fā)明的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶太陽能電池； 圖3是實施例1制備的本體異質(zhì)結(jié)和平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)(1000rpm制備
P3HT)太陽能電池和對比例制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100mW/cm2的532nm光
照下的I-V曲線； 圖4是實施例1制備的本體異質(zhì)結(jié)和平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)(1000rpm制備 P3HT)太陽能電池和對比例制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100mW/cm2的808nm光 照下的I-V曲線； 圖5是實施例2制備的本體異質(zhì)結(jié)和平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)(2000rpm制備P3HT)太陽能電池和對比例制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100mW/cm2的532nm光 照下的I-V曲線； 圖6是實施例2制備的本體異質(zhì)結(jié)和平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)(2000rpm制備 P3HT)太陽能電池和對比例制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100mW/cm2的808nm光 照下的I-V曲線； 圖7是實施例3制備的本體異質(zhì)結(jié)和平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)(3000rpm制備 P3HT)太陽能電池和對比例制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100mW/cm2的532nm光 照下的I-V曲線； 圖8是實施例3制備的本體異質(zhì)結(jié)和平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)(3000rpm制備 P3HT)太陽能電池和對比例制備的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100mW/cm2的808nm光 照下的I-V曲線； 圖中標(biāo)號1-玻璃襯底；2-陽極；3-陽極修飾層；4-光電活化層；5-陰極；6
共軛聚合物電子給體材料層。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明 本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池如圖l(a)所示，包括依次層疊的玻璃襯底l、陽極 2、陽極修飾層3、光電活化層4、陰極5，本發(fā)明平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電 池，如圖l(b)所示，包括依次層疊的玻璃襯底l、陽極2、陽極修飾層3、光電活化層4、 陰極5，并且在陽極修飾層3和光電活化層4之間設(shè)有共軛聚合物電子給體材料層6，所 述共軛聚合物電子給體材料層厚度為2-30nm。
對比例傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池 將濺射有ITO(陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾 薄膜，15(TC干燥10分鐘，將P3HT與PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶 液中含10毫克P3HT，含50毫克PbSe)在1000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng) 陽極修飾的基片上，然后8(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為50nm的光電 活性層；最后，通過掩模板在5X10-5帕下真空蒸鍍150納米的鋁作陰極，得到本體異質(zhì) 結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池，器件結(jié)構(gòu)如圖l(a)所示。 以下實施例中做對比的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池均為本對比例中制備的太陽 能電池，從圖中可以看出，傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池在100毫瓦每平方厘米的 532nm光照射下開路電壓為0.28伏，短路電流為0.9毫安每平方厘米，填充因子為0.39， 轉(zhuǎn)換效率為0.1%，在100毫瓦每平方厘米的808nm光照射下開路電壓為0.25伏，短路電 流為1.1毫安每平方厘米，填充因子為0.36，轉(zhuǎn)換效率為0.1%。
實施例1 將濺射有ITO(陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極修 飾薄膜，15(TC干燥10分鐘，將10毫克每毫升的P3HT氯苯溶液(每毫升氯苯溶液中含 10毫克P3HT)在1000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，然后
515(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為20nm的共軛聚合物電子給體材料層， 將P3HT與PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶液中含10毫克P3HT，含 50毫克PbSe)在1000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于P3HT膜上，然后8(TC干燥30分 鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為50nm的光電活性層；最后，通過掩模板在5X10-5帕 下真空蒸鍍150納米的鋁作為陰極，得到共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶平面-本體異質(zhì)結(jié)集 成結(jié)構(gòu)太陽能電池，器件結(jié)構(gòu)如圖l(b)所示。 圖2所示的斷面掃描電鏡照片清晰的反映出上層的P3HT:PbSe混合膜未對下層 P3HT造成任何破壞。 圖3、圖4表示出了本實施例制得的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池經(jīng) 100毫瓦每平方厘米的53211111和80811111照射下的電流-電壓曲線，從圖中可以看出，本 實施例制得的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池在100毫瓦每平方厘米的532nm光照 射下開路電壓為0.39伏，短路電流為0.94毫安每平方厘米，填充因子為0.35，轉(zhuǎn)換效率 為0.13%，器件性能比傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率提高了33% ;在100毫瓦每平方厘 米的808nm光照射下開路電壓為0.36伏，短路電流為1.36毫安每平方厘米，填充因子為 0.33，轉(zhuǎn)換效率為0.16%，器件性能比傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率提高了60%。
實施例2 將濺射有ITO(陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極修 飾薄膜，15(TC干燥10分鐘，將10毫克每毫升的P3HT氯苯溶液(每毫升氯苯溶液中含 10毫克P3HT)在2000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，然后 15(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為15nm的共軛聚合物電子給體材料層， 將P3HT與PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶液中含10毫克P3HT，含 50毫克PbSe)在1000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于P3HT膜上，然后8(TC干燥30分 鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為50nm的光電活性層；最后，通過掩模板在5X10-5帕 下真空蒸鍍150納米的鋁作為陰極，得到共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶平面-本體異質(zhì)結(jié)集 成結(jié)構(gòu)太陽能電池，器件結(jié)構(gòu)如圖l(b)所示。 圖5、圖6表示出了本實施例制得的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池經(jīng)100 毫瓦每平方厘米的53211111和80811111照射下的電流-電壓曲線，從圖中可以看出，本實施 例制得的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池在100毫瓦每平方厘米的532nm光照射 下開路電壓為0.35伏，短路電流為1.35毫安每平方厘米，填充因子為0.44，轉(zhuǎn)換效率為 0.21%，器件性能比傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率提高了 110% ;在100毫瓦每平方厘米 的808nm光照射下開路電壓為0.38伏，短路電流為1.73毫安每平方厘米，填充因子為 0.40，轉(zhuǎn)換效率為0.26%，器件性能比傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率提高了 160%。
實施例3 將濺射有ITO(陽極)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、去離子水、丙酮、異丙醇 超聲清洗，然后用臭氧處理基片表面，再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極修 飾薄膜，15(TC干燥10分鐘，將10毫克每毫升的P3HT氯苯溶液(每毫升氯苯溶液中含 10毫克P3HT)在3000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于上述經(jīng)陽極修飾的基片上，然后 15(TC干燥30分鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為10nm的共軛聚合物電子給體材料層，將P3HT與PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶液中含10毫克P3HT，含 50毫克PbSe)在1000轉(zhuǎn)每分(rpm)的轉(zhuǎn)速下直接旋涂于P3HT膜上，然后8(TC干燥30分 鐘，自然冷卻至室溫，形成厚度為50nm的光電活性層；最后，通過掩模板在5X10-5帕 下真空蒸鍍150納米的鋁作為陰極，得到共軛聚合物/半導(dǎo)體納米晶平面-本體異質(zhì)結(jié)集 成結(jié)構(gòu)太陽能電池，器件結(jié)構(gòu)如圖l(b)所示。 圖7、圖8表示出了本實施例制得的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池經(jīng) 100毫瓦每平方厘米的53211111和80811111照射下的電流-電壓曲線，從圖中可以看出，本 實施例制得的平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池在100毫瓦每平方厘米的532nm光照 射下開路電壓為0.38伏，短路電流為1.12毫安每平方厘米，填充因子為0.38，轉(zhuǎn)換效率 為0.16%，器件性能比傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率提高了60% ;在100毫瓦每平方厘 米的808nm光照射下開路電壓為0.36伏，短路電流為1.57毫安每平方厘米，填充因子為 0.36，轉(zhuǎn)換效率為0.20%，器件性能比傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率提高了 100%。
以上實施例表明，平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)能夠有效的提高器件的性能。該 結(jié)構(gòu)不僅提高開路電壓，增大短路電流，同時也提高了填充因子，進而增加了太陽能電 池的光電轉(zhuǎn)換效率。其廉價的成本、簡單的工藝和其卓越的性能使其在工業(yè)上具有很大 的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池，包括依次層疊的玻璃襯底(1)、陽極(2)、陽極修飾層(3)、光電活化層(4)、陰極(5)，其特征在于在陽極修飾層(3)和光電活化層(4)之間設(shè)有共軛聚合物電子給體材料層(6)，所述共軛聚合物電子給體材料層厚度為2-30nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于所述共軛聚合物電子給體材料選自聚(對亞苯基亞乙烯)類、聚(亞芳基亞乙烯基)類、 聚(對亞苯基)類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉類。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于所 述光電活化層(4)為共軛聚合物電子給體材料與半導(dǎo)體納米晶電子受體材料混合而成的光電活化層，其中，所述共軛聚合物電子給體材料選自聚(對亞苯基亞乙烯)類、聚(亞 芳基亞乙烯基)類、聚(對亞苯基)類、聚(亞芳基)類、聚噻吩類、聚喹啉類，所述半導(dǎo)體納米晶電子受體材料是從III-V族、IIVI族和IV-VI族化合物半導(dǎo)體的組中選取的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于所 述陰極包括堿金屬、堿土金屬、鋁、銀、銅、或者上述金屬組成的合金。
5. —種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，其特征在于該方法步驟如下(1) 超聲清洗濺射有ITO陽極的透明導(dǎo)電玻璃，然后用臭氧處理基片表面；(2) 再旋轉(zhuǎn)涂上30納米厚的PEDOT:PSS作為陽極修飾薄膜，干燥；(3) 將共軛聚合物電子給體材料溶于溶劑中，用旋轉(zhuǎn)涂膜或噴墨打印的方法將其涂覆 在上述經(jīng)陽極修飾的基片上，80-25(TC下干燥10-48min，自然冷卻至室溫，形成厚度為 2-30nm的共軛聚合物電子給體材料層；(4) 將共軛聚合物電子給體材料與半導(dǎo)體納米晶電子受體材料與溶劑混合，將形成的 混合溶液用旋轉(zhuǎn)涂膜或噴墨打印的方法直接涂覆在共軛聚合物電子給體材料層上，干燥 后自然冷卻至室溫，形成光電活化層；(5) 通過掩模板直接在光電活化層上真空蒸鍍金屬形成陰極，得到共軛聚合物/半導(dǎo) 體納米晶平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，其 特征在于所述步驟(3)中旋轉(zhuǎn)涂膜時轉(zhuǎn)速為1000-3000轉(zhuǎn)每分。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域的一種平面-本體異質(zhì)結(jié)集成結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明太陽能電池包括依次層疊的玻璃襯底、陽極、陽極修飾層、光電活化層、陰極，其特征在于在陽極修飾層和光電活化層之間設(shè)有厚度為2-30nm的共軛聚合物電子給體材料層，用旋轉(zhuǎn)涂膜或噴墨打印的方法制備共軛聚合物電子給體材料涂層和共軛聚合物電子給體材料與半導(dǎo)體納米晶電子受體材料混合而成的光電活化層。本發(fā)明兼?zhèn)淦矫娼Y(jié)構(gòu)和本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電池的優(yōu)點，具有制作工藝簡單、控制容易，重現(xiàn)性好，可溶液加工等多種優(yōu)點，同時使用該結(jié)構(gòu)的太陽能電池較普通本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換效率有顯著提高。
文檔編號H01L51/46GK101692481SQ20091009353
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者楊勇平, 譚占鰲 申請人:華北電力大學(xué)