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、第一活性層、中間層、第二活性層、電子緩沖層及陰極，所述第一活性層和第二活性層的材料為聚3-己基噻吩與6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述中間層的材料包括金屬氧化物及分散在金屬氧化物中的鐵鹽，所述金屬氧化物選自氧化鋅、二氧化鈦、氧化鎂或氧化鈣中的至少一種，所述鐵鹽選自三氯化鐵、三溴化鐵及硫化鐵中的至少一種。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、清潔、可再生等優(yōu)點而得到了廣泛的應(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、第一活性層、電子緩沖層及陰 極。第一活性層的激子分離產(chǎn)生空穴和電子后，空穴到達陽極，電子到達陰極，從而被電極 收集，形成有效的能量轉(zhuǎn)換。目前，傳統(tǒng)的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、第一活性層、中間層、第 二活性層、電子緩沖層及陰極，所述第一活性層和第二活性層的材料為聚3-己基噻吩與 6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述中間層的材料包括金屬氧化物及分散在金屬氧化 物中的鐵鹽，所述金屬氧化物選自氧化鋅、二氧化鈦、氧化鎂或氧化鈣中的至少一種，所述 鐵鹽選自三氯化鐵、三溴化鐵及硫化鐵中的至少一種。
[0005] 在優(yōu)選的實施例中，所述中間層的厚度為50nm?200nm。
[0006] 在優(yōu)選的實施例中，所述中間層中所述金屬氧化物與所述鐵鹽的質(zhì)量比0. 5:1? 1:0· 5〇
[0007] 在優(yōu)選的實施例中，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)選的實施例中，所述第一活性層及第二活性層中所述聚3-己基噻吩與所述 6, 6-苯基-C61_ 丁酸甲酯的質(zhì)量比為1:0. 5?1:4。
[0009] 一種太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 在陽極表面上旋涂制備空穴緩沖層；
[0011] 在所述空穴緩沖層上旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-c61-丁酸甲酯的溶液， 形成第一活性層；
[0012] 將含有中間層材料的懸浮液旋涂在所述第一活性層表面制備中間層，所述中間層 材料包括金屬氧化物及分散在金屬氧化物中的鐵鹽，所述金屬氧化物選自氧化鋅、二氧化 鈦、氧化鎂或氧化鈣中的至少一種，所述鐵鹽選自三氯化鐵、三溴化鐵及硫化鐵中的至少一 種；
[0013] 在所述中間層表面旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-c61-丁酸甲酯的溶液，形 成第二活性層；及
[0014] 在所述第二活性層的表面依次蒸鍍制備電子緩沖層及陰極。
[0015] 在優(yōu)選的實施例中，所述中間層中所述金屬氧化物與所述鐵鹽的質(zhì)量比0. 5:1? 1:0· 5〇
[0016] 在優(yōu)選的實施例中，所述中間層的厚度為50nm?200nm。
[0017] 在優(yōu)選的實施例中，旋涂制備中間層時，轉(zhuǎn)速為2000rpm?4000rpm，時間為10 秒?30秒，烘干溫度為100°C?200°C。
[0018] 在優(yōu)選的實施例中，所述含有中間層材料的懸浮液中，所述懸浮液中溶劑選自為 水，乙醇，異丙醇或正丁醇中至少一種，所述中間層材料的所述金屬氧化物與所述溶劑的質(zhì) 量比為1:20?3:10。
[0019] 上述太陽能電池器件及其制備方法，通過在第一活性層及第二活性層之間制備中 間層，提高太陽能電池器件的第一活性層及第二活性層的光吸收效率，從而提高光電轉(zhuǎn)換 效率；由金屬氧化物與鐵鹽的混合物形成中間層，金屬氧化物可收集由第一活性層傳輸過 去的電子，提高電子的收集效率，而鐵鹽存在大量游離電子，從而形成了空穴，起到收集空 穴的作用，提高了第二活性層的空穴收集效率，中間層起到收集載流子的作用，提高了收集 效率，進而提1?中間層收集空穴和電子的效率，從而提1?光電轉(zhuǎn)換效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為一實施例的太陽能電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為一實施例的太陽能電池器件的制備方法流程圖；
[0022] 圖3為實施例1的太陽能電池器件及傳統(tǒng)的太陽能電池器件的電流密度與電壓關(guān) 系圖。

【具體實施方式】
[0023] 為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中 給出了本發(fā)明的首選實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所 描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容更加透徹全面。
[0024] 請參閱圖1，一實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、第一活性層30、中間層40、第二活性層50、電子緩沖層60及陰極70。
[0025] 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 (ΑΖ0)或摻銦的氧化鋅玻璃（ΙΖ0)。
[0026] 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（PED0T)與聚苯磺酸鈉（PSS)的混合物。其中PED0T與PSS的質(zhì)量比為2:1?6:1，優(yōu)選 為3:1。空穴緩沖層20的厚度為20nm?80nm，優(yōu)選為60nm。
[0027] 第一活性層30形成于空穴緩沖層20表面。第一活性層30的材料為聚3-己基 噻吩（P3HT)與6, 6-苯基-C6「丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的質(zhì)量為 1 :0.5?1:4，優(yōu)選為1:0.8。第一活性層30的厚度為10011111?30011111，優(yōu)選為18011111。
[0028] 中間層40形成于第一活性層30的表面。中間層40的材料包括金屬氧化物及分 散在金屬氧化物中的鐵鹽。金屬氧化物選自氧化鋅（ZnO )、二氧化鈦（T i 02 )、氧化鎂（MgO ) 或氧化鈣（CaO)中的至少一種。鐵鹽選自三氯化鐵（FeCl3)、三溴化鐵（FeBr3)及硫化鐵 (Fe 2S3)中的至少一種。金屬氧化物與所述鐵鹽的質(zhì)量比0. 5:1?1:0. 5。中間層40的厚 度為 50nm ?200nm。
[0029] 第二活性層50形成于中間層40的表面。第二活性層50的材料為聚3-己基噻吩 (P3HT)與6,6-苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC 61BM的質(zhì)量為1:0. 5? 1:4優(yōu)選為1:0.8。第二活性層50的厚度為100nm?300nm，優(yōu)選為180nm。
[0030] 電子緩沖層60形成于第二活性層50表面。電子緩沖層60的材料選自疊氮化銫 (CsN 3)、氟化鋰（LiF)、碳酸鋰（Li2C03)及碳酸銫（Cs2C0 3)中的至少一種，優(yōu)選為LiF。電子 緩沖層60的厚度為0· 5nm?10nm，優(yōu)選為0· 7nm。
[0031] 陰極70形成于電子緩沖層60表面。陰極70的材料選自鋁（A1)、銀（Ag)、金（Au) 及鉬（Pt)中的至少一種，優(yōu)選為A1。陰極70的厚度為80nm?300nm，優(yōu)選為150nm。
[0032] 該太陽能電池器件100,通過在第一活性層30及第二活性層50之間制備中間層 40,提高太陽能電池器件10的第一活性層30及第二活性層50的光吸收效率，從而提高光 電轉(zhuǎn)換效率；由富金屬氧化物與鐵鹽的混合物形成中間層40,金屬氧化物可收集由第一活 性層30傳輸過去的電子，提高電子的收集效率，而鐵鹽存在大量游離電子，從而形成了空 穴，起到收集空穴的作用，提高了第二活性層50的空穴收集效率，中間層起到收集載流子 的作用，提1? 了收集效率，進而提1?中間層收集空穴和電子的效率，從而提1?光電轉(zhuǎn)換效 率。
[0033] 需要說明的是，上述太陽能電池器件100還可以根據(jù)需要設(shè)置其他功能層。
[0034] 請同時參閱圖2, 一實施例的太陽能電池器件100的制備方法，其包括以下步驟：
[0035] 步驟S110、在陽極10表面旋涂制備空穴緩沖層20。
[0036] 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 (ΑΖ0)或摻銦的氧化鋅玻璃（ΙΖ0)。
[0037] 本實施方式中，對陽極10前處理包括去除陽極10表面的有機污染物及對陽極 10進行等氧離子處理。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表面的有機污染物；對陽極10進行等氧離子處理時間為5min? 15min，功率為10?50W。
[0038] 空穴緩沖層20通過在陽極10表面旋涂含有空穴緩沖材料的溶液制備。旋涂的轉(zhuǎn) 速為2000rpm?6000rpm，時間為10s?30s，優(yōu)選的，旋涂的轉(zhuǎn)速為3000rpm，時間為15s。 空穴緩沖材料為聚3, 4-二氧乙烯噻吩（PED0T)與聚苯磺酸鈉（PSS)的混合物。其中PED0T 與PSS的質(zhì)量比為2:1?6:1，優(yōu)選為3:1。含有空穴緩沖材料的溶液中PED0T的質(zhì)量百分 含量為1%?5%，優(yōu)選為3%，溶劑為水。旋涂后在100°C?200°C下加熱15分鐘?60分鐘， 優(yōu)選在200°C下加熱30分鐘?？昭ň彌_層20的厚度為20nm?80nm，優(yōu)選為60nm。
[0039] 步驟S120、在空穴緩沖層20表面旋涂制備第一活性層30。
[0040] 第一活性層30由第一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 4000rpm?6000rpm，時間為10s?30s，優(yōu)選的，旋涂轉(zhuǎn)速為4500rpm，時間為10s。第一活 性層溶液中第一活性層材料的濃度為8mg/ml?30mg/ml，優(yōu)選為15mg/ml。第一活性層溶 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。第一活性層材料為聚 3-己基噻吩（P3HT)與6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的 質(zhì)量為1:0. 5?1:4,優(yōu)選為1:0. 8。旋涂第一活性層30在充滿惰性氣體的手套箱中進行， 之后在50°C?200°C下退火5分鐘?100分鐘，優(yōu)選在150°C下退火15分鐘。第一活性層 30的厚度為100nm?300nm，優(yōu)選為180nm。
[0041] 步驟S130、將含有中間層材料的懸浮液旋涂在第一活性層30表面制備中間層40。
[0042] 中間層40的材料包括金屬氧化物及分散在金屬氧化物中的鐵鹽。金屬氧化物選 自氧化鋅（ZnO)、二氧化鈦（Ti02)、氧化鎂（MgO)或氧化|丐（CaO)中的至少一種。鐵鹽選自 三氯化鐵（FeCl 3)、三溴化鐵（FeBr3)及硫化鐵（Fe2S3)中的至少一種。金屬氧化物與所述鐵 鹽的質(zhì)量比〇. 5:1?1:0. 5。中間層40的厚度為50nm?200nm。
[0043] 含有中間層材料的懸浮液中的溶劑為水，乙醇，異丙醇或正丁醇。中間層材料的金 屬氧化物與溶劑的質(zhì)量比為1:20?3:10。
[0044] 旋涂的轉(zhuǎn)速為2000rpm?4000rpm，時間為10s?30s。旋涂后在100°C?200°C 下烘干。中間層40的厚度為50nm?200nm。
[0045] 步驟S140、在中間層40表面旋涂制備第二活性層50。
[0046] 第二活性層50由第二活性層溶液旋涂在中間層50表面制成。旋涂的轉(zhuǎn)速為 4000rpm?6000rpm，時間為10s?30s，優(yōu)選的，旋涂轉(zhuǎn)速為4500rpm，時間為10s。第二活 性層溶液中第二活性層材料的濃度為8mg/ml?30mg/ml，優(yōu)選為16mg/ml。第二活性層溶 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。第二活性層材料為聚 3-己基噻吩（P3HT)與6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的 質(zhì)量為1:0. 5?1:4,優(yōu)選為1:1。旋涂第二活性層50在充滿惰性氣體的手套箱中進行，之 后在50°C?200°C下退火5分鐘?100分鐘，優(yōu)選在150°C下退火15分鐘。第二活性層50 的厚度為l〇〇nm?300nm，優(yōu)選為180nm。
[0047] 步驟S150、在第二活性層50的表面依次蒸鍍制備電子緩沖層60及陰極70。
[0048] 電子緩沖層60形成于第二活性層50表面。電子緩沖層60的材料選自疊氮化銫 (CsN 3)、氟化鋰（LiF)、碳酸鋰（Li2C03)及碳酸銫（Cs2C0 3)中的至少一種，優(yōu)選為LiF。電子 緩沖層60的厚度為0· 5nm?10nm，優(yōu)選為0· 7nm。蒸鍍在真空壓力為3 X 10_3?2 X 10_5Pa 下進行，蒸鍍速率為〇. lnm/s?lnm/s。
[0049] 陰極70形成于電子緩沖層60表面。陰極70的材料選自鋁（A1)、銀（Ag)、金（Au) 及鉬（Pt)中的至少一種，優(yōu)選為A1。陰極70的厚度為80nm?300nm，優(yōu)選為150nm。蒸鍍 在真空壓力為3X 1CT3?2X lCT5Pa下進行，蒸鍍速率為lnm/s?10nm/s。
[0050] 上述太陽能電池器件制備方法，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。
[0051] 以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明提供的太陽能電池器件的制備方法進行詳細說明。
[0052] 本發(fā)明實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<lXl(T 3Pa)、電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號： 2602)、用500W氙燈（Osram)與AM1. 5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。
[0053] 實施例1
[0054] 本實施例制備的結(jié)構(gòu)為：IT0/PED0T: PSS/P3HT: PC61BM/FeCl3: Zn0/P3HT: PC61BM/ LiF/Al的太陽能電池器件。其中，"/"表示層疊結(jié)構(gòu)，"："表示摻雜或混合，以下實施例相 同。
[0055] 先將ΙΤ0進行光刻處理，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污染物；清洗干凈后對導(dǎo)電基底進行氧等離 子處理，處理時間為5-15min，功率為10-50W ;旋涂制備空穴緩沖層，材料為PED0T:PSS的質(zhì) 量比為3:1，PED0T的質(zhì)量分數(shù)為3%，旋涂的轉(zhuǎn)速為3000rpm，時間為15s，旋涂后在200°C下 加熱30min，厚度為60nm ;旋涂第一活性層，第一活性層由濃度為16mg/ml的P3HT及PC61BM 的溶液旋涂而成，溶劑為氯苯，P3HT與PC61BM的質(zhì)量比為1: 1，旋涂的轉(zhuǎn)速為4500rpm，時間 為l〇s，旋涂后在100°C下退火15分鐘，厚度控制在llOnm。旋涂中間層，懸浮液包括ZnO、 FeCl3及溶劑，溶劑為乙醇，？冗13與211〇的重量比為1:0.6, ZnO與乙醇的質(zhì)量比為1:5,旋 涂的轉(zhuǎn)速為3000rpm，時間為20s，150°C烘干，厚度為100nm。然后旋涂第二活性層，第二 活性層由濃度為16mg/ml的P3HT及PC 61BM的溶液旋涂而成，溶劑為氯苯，P3HT與PC61BM 的質(zhì)量比為1:1，旋涂的轉(zhuǎn)速為4500rpm，時間為10s，旋涂后在100°C下退火15分鐘，厚度 控制在llOnm。然后蒸鍍制備電子緩沖層，材料為LiF，厚度為0. 7nm，蒸鍍在真空壓力為 5 X l(T4Pa下進行，蒸鍍速率為0. 2nm/s ;蒸鍍陰極，材料為A1，厚度為150nm，蒸鍍在真空壓 力為5Xl(T4Pa下進行，蒸鍍速率為4nm/s。最后得到所要的聚合物太陽能電池器件。
[0056] 請參閱圖3，所示為實施例1中制備的結(jié)構(gòu)為IT0/PED0T: PSS/P3HT: PC61BM/ FeCl3:Zn0/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太陽能電池器件（曲線1)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為ΙΤ0/ PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al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 為實施例 1 中制備的結(jié)構(gòu)為 IT0/PED0T:PSS/P3HT:PC61BM/FeCl3:Zn0/P3HT:PC 61BM/LiF/Al 的太陽能電池器件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太陽能電池器件的 電流密度、電壓、能量轉(zhuǎn)換效率（Π )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 與實施例1制備的太陽能電池器件中各層厚度相同。
[0057] 表 1
[0058]

【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、第一活性層、 中間層、第二活性層、電子緩沖層及陰極，所述第一活性層和第二活性層的材料為聚3-己 基噻吩與6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述中間層的材料包括金屬氧化物及分散在 金屬氧化物中的鐵鹽，所述金屬氧化物選自氧化鋅、二氧化鈦、氧化鎂或氧化鈣中的至少一 種，所述鐵鹽選自三氯化鐵、三溴化鐵及硫化鐵中的至少一種。
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：所述中間層的厚度為50nm? 200nm〇
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：所述中間層中所述金屬氧化 物與所述鐵鹽的質(zhì)量比0.5:1?1:0. 5。
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：所述第一活性層及第二活性 層中所述聚3-己基噻吩與所述6, 6-苯基-C61- 丁酸甲酯的質(zhì)量比為1:0. 5?1:4。
6. -種太陽能電池器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 在陽極表面上旋涂制備空穴緩沖層； 在所述空穴緩沖層上旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成 第一活性層； 將含有中間層材料的懸浮液旋涂在所述第一活性層表面制備中間層，所述中間層材料 包括金屬氧化物及分散在金屬氧化物中的鐵鹽，所述金屬氧化物選自氧化鋅、二氧化鈦、氧 化鎂或氧化鈣中的至少一種，所述鐵鹽選自三氯化鐵、三溴化鐵及硫化鐵中的至少一種； 在所述中間層表面旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成第 二活性層；及 在所述第二活性層的表面依次蒸鍍制備電子緩沖層及陰極。
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：所述中間層中所 述金屬氧化物與所述鐵鹽的質(zhì)量比〇. 5:1?1:0. 5。
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：所述中間層的厚 度為 50nm ?200nm。
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：旋涂制備中間層 時，轉(zhuǎn)速為2000rpm?4000rpm，時間為10秒?30秒，烘干溫度為100°C?200°C。
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：所述含有中間層 材料的懸浮液中，所述懸浮液中溶劑選自為水，乙醇，異丙醇或正丁醇中至少一種，所述中 間層材料的所述金屬氧化物與所述溶劑的質(zhì)量比為1:20?3:10。
【文檔編號】H01L51/46GK104253219SQ201310264313
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月27日
【發(fā)明者】周明杰, 黃輝, 馮小明, 王平 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