太陽能電池器件及其制備方法
【專利摘要】一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層及陰極，所述活性層的材料選自P3HT:PCBM、MODO-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的至少一種，所述陰極的材料包括金屬、金屬氟化物及電子緩沖材料，所述金屬選自鋁、銀、金及鉑中的至少一種，所述金屬氟化物選自氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰及氟化鈣中的至少一種，所述電子緩沖材料選自疊氮化銫、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。該太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高。此外，還提供了一種太陽能電池器件的制備方法。
【專利說明】太陽能電池器件及其制備方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種太陽能電池器件及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]太陽能電池器件由于具有廉價(jià)、清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。目前常用的太陽能電池器件結(jié)構(gòu)包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極?；钚詫拥募ぷ臃蛛x產(chǎn)生空穴和電子后，空穴到達(dá)陽極，電子到達(dá)陰極，從而被電極收集，形成有效的能量轉(zhuǎn)換。目前常用的太陽能電池對光的吸收率較低，從而導(dǎo)致太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率較低。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003]基于此，有必要提供一種能量轉(zhuǎn)換效率較高的太陽能電池器件及其制備方法。
[0004]一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層及陰極，所述活性層的材料選自P3HT: PCBM.MODO-PPV: PCBM及MEH-PPV: PCBM中的至少一種，所述陰極的材料包括金屬、金屬氟化物及電子緩沖材料，所述金屬選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種，所述金屬氟化物選自氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰及氟化鈣中的至少一種，所述電子緩沖材料選自疊氮化銫、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
[0005]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述陰極的厚度為50nnT400nm。
[0006]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述陰極中所述金屬氟化物與所述金屬的質(zhì)量比為I: 10-3: 5，所述電子緩沖材料與所述金屬的質(zhì)量比為1:20(Tl: 10。
[0007]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
[0008]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述陽極為銦錫氧化物玻璃、摻氟氧化錫玻璃、摻鋁的氧化鋅玻璃或摻銦的氧化鋅玻璃。
[0009]一種太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟:
[0010]在陽極表面依次旋涂制備空穴緩沖層及活性層，所述活性層的材料選自Ρ3ΗΤ: PCBM、MODO-PPV: PCBM 及 MEH-PPV: PCBM 中的至少一種；及
[0011]將金屬、金屬氟化物及電子緩沖材料分別放在三個(gè)蒸發(fā)舟中，在所述活性層表面蒸鍍制備陰極，所述金屬選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種，所述金屬氟化物選自氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰及氟化鈣中的至少一種，所述電子緩沖材料選自疊氮化銫、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
[0012]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述陰極的厚度為50nnT400nm。
[0013]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述陰極中，所述金屬氟化物與所述金屬的質(zhì)量比為I: 10-3:5，所述電子緩沖材料與所述金屬的質(zhì)量比為l:20(Tl:10。
[0014]在優(yōu)選的實(shí)施例中，蒸鍍陰極在真空壓力為5X10_3~2X10_4Pa下進(jìn)行，所述金屬的蒸鍍速率為lnm/s"10nm/s,所述金屬氟化物的蒸鍍速率為0.lnm/s"lnm/s,所述電子緩沖材料的蒸鍍速率為0.lnm/s^lnm/so
[0015]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3，4-二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
[0016]上述太陽能電池器件及其制造方法，通過制備摻雜陰極，用低折射率材料與金屬進(jìn)行混合，同時(shí)加入電子緩沖材料,低折射率材料可使穿過活性層的光線發(fā)生全反射，回到活性層被活性層材料吸收，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率；而摻雜電子緩沖層后，無需制備電子緩沖層，簡化了制備工藝，同時(shí)，電子緩沖材料與金屬材料進(jìn)行混合后，形成一種顆?；ハ喽询B的結(jié)構(gòu)，顆粒之間連接緊密，形成致密的薄膜，粒徑增大，對光有很強(qiáng)的反射作用，增強(qiáng)太陽能電池器件對光的吸收，可進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0017]通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0018]圖1為一實(shí)施例的太陽能電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為一實(shí)施例的太陽能電池器件的制備方法的流程圖；
[0020]圖3為實(shí)施例1的太陽能電池器件的電流密度與電壓關(guān)系圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0021]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很 多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
[0022]請參閱圖1，一實(shí)施例的太陽能電池器件100包括依次層疊的陽極10、空穴緩沖層20、活性層30及陰極40。
[0023]陽極10為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃(FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0024]空穴緩沖層20形成于陽極10表面?？昭ň彌_層20的材料為聚3，4_ 二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物。其中PEDOT與PSS的質(zhì)量比為2:1~6:1，優(yōu)選為6:1?？昭ň彌_層20的厚度為20nnT80nm，優(yōu)選為40nm。
[0025]活性層30形成于空穴緩沖層20表面?；钚詫?0的材料選自P3HT (聚3_己基噻吩):PCBM (富勒烯的丁酸甲酯衍生物)、MODO-PPV (聚2-甲氧基_5_(3，7- 二甲基辛氧基)對苯撐乙烯):PCBM及MEH-PPV (聚(2-甲氧基-5-(2'-乙烯基-己氧基)聚對苯乙烯撐):PCBM中的一種。其中P3HT與PCBM的質(zhì)量為1: 0.8~1: 1，MODO-PPV與PCBM的質(zhì)量比為1:1~1:4，MEH-PPV與PCBM的質(zhì)量為1:1~1:4，活性層30的材料優(yōu)選為質(zhì)量比為1:0.8的P3HT:PCBM?；钚詫?0的厚度為80nnT300nm，優(yōu)選為200nm。
[0026]陰極40形成于活性層表面。陰極40的材料包括金屬、摻雜在金屬中的金屬氟化物及電子緩沖材料。金屬選自鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少一種。金屬氟化物選自氟化鎂(MgF2)、氟化鈉(NaF)氟化鋰(LiF)及氟化鈣(CaF2)中的至少一種。電子緩沖材料選自疊氮化銫(CsN3)、碳酸鋰(Li2CO3)及碳酸銫(Cs2CO3)中的至少一種。金屬氟化物與金屬的質(zhì)量比為1: 10-3:5。電子緩沖材料與金屬的質(zhì)量比為l:20(Tl: 10。陰極40的厚度為50nm~400nm。
[0027]該太陽能電池器件100，通過制備摻雜陰極40，用低折射率材料與金屬進(jìn)行混合，同時(shí)加入電子緩沖材料，低折射率材料可使穿過活性層的光線發(fā)生全反射，回到活性層被活性層材料吸收，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率；而摻雜電子緩沖層后，無需制備電子緩沖層，簡化了制備工藝，同時(shí)，電子緩沖材料與金屬材料進(jìn)行混合后，形成一種顆粒互相堆疊的結(jié)構(gòu)，顆粒之間連接緊密，形成致密的薄膜，粒徑增大，對光有很強(qiáng)的反射作用，增強(qiáng)太陽能電池器件100對光的吸收，可進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0028]請同時(shí)參閱圖2，一實(shí)施例的太陽能電池器件100的制備方法，其包括以下步驟:
[0029]步驟S110、在陽極10表面依次旋涂制備空穴緩沖層20及活性層30。
[0030]陽極10為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃(FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0031]本實(shí)施方式中，對陽極10前處理包括去除陽極10表面的有機(jī)污染物及對陽極10進(jìn)行等氧離子處理。將陽極10采用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇、異丙酮各超聲波清洗15min，以去除基底10表面的有機(jī)污染物；對陽極10進(jìn)行等氧離子處理時(shí)間為5mirTl5min，功率為 10~50W。
[0032]空穴緩沖層20由PED0T:PSS的水溶液旋涂在陽極10表面制成。旋涂的轉(zhuǎn)速為2000rpm~6000rpm，時(shí)間為IOs~30s。其中PEDOT與PSS的質(zhì)量比為2:1~6:1，優(yōu)選為6:1。PEDOT:PSS的質(zhì)量濃度為1%~5%，優(yōu)選為1.3%。旋涂后，在100°C~200°C下加熱15~60min，優(yōu)選的，旋涂后在150°C下加熱30min?？昭ň彌_層20的厚度為20nnT80nm，優(yōu)選為40nm。
[0033]活性層30由活性層溶液旋涂在空穴緩沖層20表面制成。旋涂的轉(zhuǎn)速為4000rpnT6000rpm,時(shí)間為IOs~30s。活性層溶液中活性層材料的濃度為8mg/ml~30mg/ml,優(yōu)選為18mg/ml。活性層溶液的溶劑選自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一種，優(yōu)選為氯苯。活性層材料選自P3HT:PCBM、M0D0-PPV:PCBM及MEH-PPV:PCBM中的一種，其中，P3HT與PCBM 的質(zhì)量為 1:0.8-1:1,MODO-PPV 與 PCBM 的質(zhì)量比為 1: 1-1:4,MEH-PPV 與 PCBM 的質(zhì)量比為I: 1-1:4，優(yōu)選的，活性層材料為質(zhì)量比為1:0.8的P3HT:PCBM。旋涂活性層30在充滿惰性氣體的手套箱中進(jìn)行，之后在50°C ~200°C下退火5分鐘~100分鐘，或在室溫下放置24~48小時(shí)，優(yōu)選在200°C下退火5分鐘?；钚詫?0的厚度為80nnT300nm，優(yōu)選為200nm。
[0034]步驟S120、將金屬、金屬氟化物及電子緩沖材料分別放在三個(gè)蒸發(fā)舟中，在活性層30表面蒸鍍制備陰極40，金屬選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種，金屬氟化物選自氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰及氟化鈣中的至少一種，電子緩沖材料選自疊氮化銫、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
[0035]金屬氟化物與金屬的質(zhì)量比為1:10-3:5。電子緩沖材料與金屬的質(zhì)量比為1:200~1:10。陰極40的厚度為50nm~400nm。
[0036]蒸鍍陰極40在真空壓力為5X10_，2xl0_4Pa下進(jìn)行，所述金屬的蒸鍍速率為Inm/s~10nm/s,金屬氟化物的 蒸鍍速率為0.lnm/s^lnm/s,電子緩沖材料的蒸鍍速率為0.1nm/s~lnm/s.
[0037]上述太陽能電池器件制備方法，無需制備電子緩沖層，制備工藝簡單；制備的太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高。
[0038]以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的太陽能電池器件的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明實(shí)施例及對比例所用到的制備與測試儀器為:高真空鍍膜設(shè)備(沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司，壓強(qiáng)〈IX 10_3Pa)、電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號:2602)、用500W氙燈(Osram)與AM 1.5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。
[0040]實(shí)施例1
[0041]本實(shí)施例制備的結(jié)構(gòu)為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/MgF2:CsN3:Ag的太陽能電池器件。
[0042]先將ITO進(jìn)行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機(jī)污染物；清洗干凈后對導(dǎo)電基底進(jìn)行氧等離子處理，處理時(shí)間為5-15min，功率為10-50W ;在上述基底上旋涂空穴緩沖層，采用濃度為
1.3%的PED0T:PSS的水溶液，其中，PEDOT與PSS的質(zhì)量比為6:1，旋涂的轉(zhuǎn)速為4000rpm，時(shí)間為20s，旋涂后在150°C下加熱30min，空穴緩沖層厚度為40nm ;接著旋涂活性層，活性層由濃度為18mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶劑為氯苯，其中P3HT:PCBM的質(zhì)量為1:0.8，旋涂的轉(zhuǎn)速為4500rpm，時(shí)間為15s，旋涂后在200°C下退火5分鐘，活性層厚度為200nm ;蒸鍍陰極，材料為MgF2、CsN3及Ag，MgF2與Ag的質(zhì)量比為2:5, CsN3與Ag的質(zhì)量比為1:200,陰極厚度為150nm，蒸鍍在真空壓力為5X 10_4Pa下進(jìn)行，MgF2的蒸鍍速率為0.5nm/s,CsN3的蒸鍍速率為0.2nm/s,Ag的蒸鍍速率為2nm/s,最后得到所需要的聚合物太陽能電池。
[0043]請參閱圖3，所示為實(shí)`施例1中制備的結(jié)構(gòu)為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/MgF2: CsN3: Ag的太陽能電池器件(曲線I)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為IT0/PED0T: PSS/P3HT: PCBM/CsN3/Ag太陽能電池器件(曲線2)的電流密度與電壓關(guān)系，表1所示為實(shí)施例1中制備的結(jié)構(gòu)為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/MgF2:CsN3:Ag的太陽能電池器件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/CsN3/Ag的太陽能電池器件的電流密度、電壓、能量轉(zhuǎn)換效率(η )及填充因子數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的太陽能電池器件中各層厚度與實(shí)施例1制備的太陽能電池器件中各層厚度相同。
[0044]表1
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能電池器件，其特征在于，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層及陰極，所述活性層的材料選自P3HT: PCBM、MODO-PPV: PCBM及MEH-PPV: PCBM中的至少一種，所述陰極的材料包括金屬、金屬氟化物及電子緩沖材料，所述金屬選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種，所述金屬氟化物選自氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰及氟化鈣中的至少一種，所述電子緩沖材料選自疊氮化銫、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述陰極的厚度為50nm~400nmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述陰極中所述金屬氟化物與所述金屬的質(zhì)量比為1:10-3:5，所述電子緩沖材料與所述金屬的質(zhì)量比為l:20(Tl:10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述陽極為銦錫氧化物玻璃、摻氟氧化錫玻璃、摻鋁的氧化鋅玻璃或摻銦的氧化鋅玻璃。
6.一種太陽能電池器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 在陽極表面依次旋涂制備空穴緩沖層及活性層，所述活性層的材料選自P3HT:PCBM、MODO-PPV: PCBM 及 MEH-PPV: PCBM 中的至少一種；及 將金屬、金屬氟化物及電子緩沖材料分別放在三個(gè)蒸發(fā)舟中，在所述活性層表面蒸鍍制備陰極，所述金屬選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種，所述金屬氟化物選自氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰及氟化鈣中的至少一種，所述電子緩沖材料選自疊氮化銫、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述·的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述陰極的厚度為 50nm~400nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述陰極中，所述金屬氟化物與所述金屬的質(zhì)量比為1:10-3:5，所述電子緩沖材料與所述金屬的質(zhì)量比為1:200~1:10。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:蒸鍍陰極在真空壓力為5X10_，2X10_4Pa下進(jìn)行，所述金屬的蒸鍍速率為lnm/iTlOnm/s，所述金屬氟化物的蒸鍍速率為0.lnm/s"lnm/s,所述電子緩沖材料的蒸鍍速率為0.lnm/s"lnm/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
【文檔編號】H01L51/42GK103824945SQ201210468802
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月19日
【發(fā)明者】周明杰, 王平, 黃輝, 陳吉星 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司