專利名稱：一種摻雜的有機太陽能電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種在光活性層中摻雜無機材料的有機太陽能電池，屬于太陽能電池技術領域。
背景技術：
有機太陽能電池可以實現(xiàn)大面積制造，可使用柔性襯底，器件生產(chǎn)成本低，具有生態(tài)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，備受學術界與產(chǎn)業(yè)界的關注。有機太陽能電池是通過有機材料在光照下產(chǎn)生光激子，光激發(fā)不會直接產(chǎn)生自由的電荷載流子，而是產(chǎn)生稱為激發(fā)子的電子-空穴對，再通過電子給體(P型)和電子受體(N型)材料的界面分離為自由的電荷載流子，由于光活性層的光譜響應范圍和太陽光譜的不完全匹配問題、有機材料的載流子遷移率低，限制了光生載流子的傳輸及收集效率，使得有機太陽能電池光電轉換效率仍然較低，為了提高光電轉換效率，通過增加光活性層的厚度來増加光的傳播路徑，吸收更多的陽光獲得多的光激子，但是光活性層的厚度的増加會導致內建電場變小，使得光活性層的激子難以分離成自由載流子。再者，在不增加光活性層厚度的情況下，對光活性層進行改進，形成陣列排布的圓柱，利用光子晶體的反光原理，増加了光在活性層中的傳播路徑，吸收更多的陽光獲得多的光激子，雖然克服了増加厚度導致的自由載流子下降的問題，但由于有機材料本身載流子遷移率較低的限制，仍然不能滿足商業(yè)化應用的要求。相對于有機材料而言，無機半導體材料中的載流子遷移率較高，主要有兩種形式，ー種是將無機材料與有機材料進行摻雜，如2004年J. Janssen等人采用氧化鋅納米粒子和[2-甲氧基-5- (3，7- ニ甲基辛氧基)-對苯こ烯撐](MDMO-PPV)共混構造體異質結雜化太陽能電池(資料來源Adv. Mater. 2004，16, No. 12 June 17)，中國專利 CN101640133A 也是采用這樣的技術，由于光活性層中無機納米晶材料和有機光活性材料混合在一起，分離的電子也可快速通過無機納米晶材料傳輸至陰極，從而提高了電子的傳輸與收集效率，但存在有機材料與無機材料不能完全匹配的問題，導致有機材料的載流子可利用無機材料的通道偏少；另ー種是將無機材料嵌入有機材料中，如將氧化鋅(ZnO)納米棒插入到太陽能器件的功能層中(資料來源Solar Energy Materials & Solar Cells, 94 (2010) 182-186),増加了有機材料與無機材料的接觸面積，增多了有機材料載流子的單方向遷移通道，但無法同時增加有機材料的電子、空穴傳輸至陰極和陽極的通道，不能真正有效提高電池的轉換效率。 因此，如何拓寬太陽能電池的光吸收范圍，提高有機太陽能電池中電子和空穴的遷移率和收集效率，并提高太陽能電池的轉換效率，成為亟待解決的技術難題。

實用新型內容本實用新型針對現(xiàn)有技術的不足，設計ー種摻雜無機材料的有機太陽能電池，通過拓寬太陽光的吸收范圍，產(chǎn)生足夠的載流子，并增大光活性層與電子傳輸層和空穴傳輸層的接觸面積，増加遷移通道，提高轉化效率。[0006]為了實現(xiàn)以上任務，本實用新型采用的技術方案是設計ー種摻雜的有機太陽能電池，包括在透明基板上順序層疊的透明陽極層、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和陰極層，其特征在于所述光活性層由有機電子給體材料、有機電子受體材料和無機納米晶材料混合制成，且光活性層的上下表面分別設有陣列排布的柱體，所述空穴傳輸層和電子傳輸層均設有與光活性層的柱體相対的沉孔。光活性層由有機電子給體材料、電子受體材料和有電子傳輸能力的無機納米晶材料混合制成，通過納米壓印エ藝，將光活性層的兩面均生成柱體，兩面的柱體分別伸入到相接觸的空穴傳輸層和電子傳輸層，實現(xiàn)更多的載流子和更多的遷移通道，拓寬了太陽能電池的吸收范圍，増加了能發(fā)生光電轉換的給受體界面，光活性層上下表面的柱體是圓柱或方柱。光活性層上下表面柱體的直徑或邊長為40-140 nm，高度為50-120 nm，相鄰柱體的中心距為50-150 nm?？昭▊鬏攲雍碗娮觽鬏攲拥暮穸却笥诠饣钚詫拥目昭ㄖw和電子柱體的高度。光活性層上下表面的柱體錯位或正對排列，且光活性層上下表面的柱體分別嵌入電子傳輸層和空穴傳輸層的沉孔內。光活性層的有機給體材料是聚噻吩及其衍生物如聚(3-己基)噻吩、酞菁染料、聚 對亞苯基亞こ烯及其衍生物、并五苯、P卜啉化合物菁染料中的ー種或多種的混合物；有機電子受體材料是富勒烯或其衍生物；無機納米晶為Ti0x、Zn0、Sn02中ー種或者多種的混合物?？昭▊鬏攲佑蒀u20、Ni0、Mo03、V205、W03中的ー種制成。電子傳輸層由TiOx、ZnO、SnO2中的ー種制成。陰極層由Al、Ca、Ba中的ー種制成,無機納米晶為CdS或CdTe或CdSe。陽極層由ITO或AZO或FTO薄膜電極制成。本實用新型產(chǎn)生的有益效果太陽能電池的活性層中存在著兩種活性界面，即有機給體材料與有機受體材料間的界面，和有機給體材料與光活性的無機納米晶材料間的界面，在這兩種界面上都能發(fā)生光電轉換，產(chǎn)生更多的電子和空穴，本實用新型設計的太陽能電池相當于由具有相同給體材料，不同的受體材料的兩個電池，即有機/有機太陽能電池與有機/無機雜化的太陽能電池并聯(lián)而成，總的短路電流提高；ニ是本發(fā)明的太陽能電池中光活性物質有三種，比普通的有機太陽能電池和有機/無機雜化的太陽能電池都多了一種光活性物質，拓寬了太陽能電池的光譜響應范圍，能吸收更多的太陽光；三是由于無機納米晶在光活性層中形成連續(xù)網(wǎng)絡結構，使得光生載流子既能通過有機材料遷移，也能通過無機納米晶連續(xù)網(wǎng)絡結構進行遷移，増加了載流子遷移通道，減少空穴和電子的復合，產(chǎn)生更多有效載流子；四是由于増加了光活性層與空穴傳輸層和電子傳輸層的接觸面積，縮短了電子和空穴的傳輸路徑，減少了空穴和電子的復合，同時提高電子和空穴的遷移率和收集效率，從而提聞了電池的轉換效率。

圖I :本實用新型的剖面結構示意圖。圖2 :本實用新型光活性層結構示意圖。圖3 :圖2中的A向結構示意圖。圖中1、透明基板，2、透明陽極層，3、空穴傳輸層，4、光活性層，5、電子傳輸層，6、陰極層，401、表面層，402、空穴柱體，403、電子柱體。
具體實施方式
[0015]本實用新型的設計的有機太陽能電池結構為在透明基板I順序層疊的透明陽極層2、空穴傳輸層3、光活性層4、電子傳輸層5和陰極層6,其中光活性層4包括表面層401、空穴柱體402和電子柱體403，表面層401上有陣列排布的空穴柱體402和電子柱體403，空穴柱體402填充在空穴傳輸層3相應的沉孔內，電子柱體403充滿電子傳輸層5相應的沉孑し。實施例I :本實施例透明基板I為超白玻璃，透明陽極層2為氧化銦錫(IT0)，空穴傳輸層3為氧化亞銅(Cu2O)，光活性層4為P3HT、PCBM與氧化鋅納米晶的混合物，電子傳輸層5為氧化鋅(ZnO)，陰極層6為金屬鋁(Al)，其具體制作方法如下(I)在玻璃透明基板I濺射鍍膜ITO透明陽極層2 ；(2)將鍍有ITO玻璃透明基板I依次用洗滌劑、去離子水反復清洗后，烘干待用；(3)把清洗烘干后的ITO玻璃透明基板I放在勻膠機的托架上，通過過濾頭將氧化亞銅(Cu2O)こニ醇分散液均勻涂在ITO基板上，控制好勻膠轉速與時間，在ITO表面形成一層氧化亞銅空穴傳輸層3，再將上面的玻璃透明基板I放入真空烘箱內加熱除掉部分溶劑；采用納米壓印的方式在空穴傳輸層3上形成納米陣列的沉孔，沉孔直徑為40 nm,高度為50nm，相鄰沉孔中心距為50nm，然后烘干，冷卻；(4)配制P3HT與PCBM溶液，并與氧化鋅納米晶分散液混合，作為光活性層4的材料溶液；(5)將經(jīng)過步驟(3)制備的透明基板I放在勻膠機的托架上，將上面步驟(4)制備的混合液通過過濾頭均勻涂在上述基板上面，控制好勻膠轉速與時間，形成光活性層4，光活性層4的空穴柱體402除了將納米陣列沉孔的空隙填滿，在納米陣列的上面形成表面層401，采用納米壓印的方式在光活性層4上形成納米陣列的電子柱體403，柱體直徑為40nm，高度為50 nm，相鄰柱體中心距為50 nm，再將上面的電池放入真空烘箱內加熱烘干，冷卻；(6)通過過濾頭氧化鋅(ZnO)分散液滴在基板上的活性層4上，控制好勻膠轉速與時間，使氧化鋅除了填滿納米陣列的電子柱體403タト，形成電子傳輸層5 ；(7)真空蒸鍍鋁膜，形成陰極層6，進行退火處理得到有機太陽能電池。實施例2 與實施例I相比，空穴傳輸層3用氧化鎳(NiO)，光活性層4為P3HT、PCBM與氧化錫納米晶的混合物，電子傳輸層5為氧化錫，制作方法中，將實施例I中的第(6)電子傳輸層5的制作改為磁控濺射氧化錫，光活性層上下表面柱體的直徑或邊長為140 nm，高度為120nm,相鄰柱體的中心距為150 nm,其它與實施例I相同。實施例3 與實施例I相比，空穴傳輸層3用氧化鑰(MoO3),光活性層4為P3HT、PCBM與氧化鈦納米晶的混合物，電子傳輸層5為氧化鈦，光活性層上下表面柱體的直徑或邊長為80nm，高度為100 nm，相鄰柱體的中心距為120 nm，具體實施方式
與實施例I相同。 實施例4 與實施例I相比，空穴傳輸層3用氧化鎢(WO3),光活性層4為P3HT、PCBM與氧化鈦納米晶的混合物，電子傳輸層5為氧化鈦,光活性層上下表面柱體的直徑或邊長為60 nm,高度為90 nm，相鄰柱體的 中心距為100 nm，具體實施方式
與實施例I相同。
權利要求1.一種摻雜的有機太陽能電池，包括在透明基板上順序層疊的透明陽極層、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和陰極層，其特征在于所述光活性層具有兩種活性界面，一種是有機給體材料與有機受體材料的界面，另一種是有機給體材料與光活性的無機納米晶材料的界面，且光活性層的上下表面分別設有陣列排布的柱體，所述空穴傳輸層和電子傳輸層均設有與光活性層的柱體相對的沉孔。
2.如權利要求I所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于光活性層上下表面的柱體錯位或正對排列，且光活性層上下表面的柱體分別嵌入電子傳輸層和空穴傳輸層的沉孔內。
3.如權利要求I或2所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于光活性層上下表面的柱體是圓柱或方柱。
4.如權利要求3所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于光活性層上下表面柱體的直徑或邊長為40-140 nm，高度為50-120 nm，相鄰柱體的中心距為50-150 nm。
5.如權利要求I或4所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于所述空穴傳輸層和電子傳輸層的厚度大于光活性層的空穴柱體和電子柱體的高度。
6.如權利要求I所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于所述光活性層的有機給體材料是聚噻吩及其衍生物如聚(3-己基)噻吩、酞菁染料、聚對亞苯基亞乙烯及其衍生物、并五苯、葉啉化合物菁染料中的一種；有機電子受體材料是富勒烯或其衍生物；無機納米晶為TiOx、ZnO、SnO2 中的一種。
7.如權利要求I所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于所述空穴傳輸層由Cu20、Ni0、Mo03、V2O5、WO3 中的一種制成。
8.如權利要求I所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于所述電子傳輸層由TiOx、ZnO> SnO2中的一種制成。
9.如權利要求I所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于所述陰極層由Al、Ca、Ba中的一種制成，無機納米晶為CdS或CdTe或CdSe。
10.如權利要求I所述摻雜的有機太陽能電池，其特征在于所述陽極層由ITO或AZO或FTO薄膜電極制成。
專利摘要本實用新型涉及一種摻雜的有機太陽能電池，屬太陽能電池技術領域，解決如何拓寬太陽能電池的光吸收范圍，提高有機太陽能電池中電子和空穴的遷移率和收集效率等問題，設計一種新型有機太陽電池，其光活性層由有機電子給體材料、有機電子受體材料和無機納米晶材料混合制成，且光活性層的上下表面分別設有陣列排布的柱體，拓寬了電池對光譜的吸收范圍，增加了有機材料產(chǎn)生的載流子的遷移通道，提高了電池的轉換效率。
文檔編號H01L51/46GK202395045SQ20112046955
公開日2012年8月22日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權日2011年11月23日
發(fā)明者唐小林, 姜希猛, 李毅, 楊波, 汪磊, 王付然, 陳佩佩 申請人:深圳市創(chuàng)益科技發(fā)展有限公司