本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，特別涉及一種篦齒結(jié)光活性層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

自從太陽(yáng)能電池商業(yè)應(yīng)用以來(lái)，以無(wú)機(jī)半導(dǎo)體為主要材料制成的太陽(yáng)能電池，單晶硅、多晶硅和非晶硅系列應(yīng)用最為廣泛。經(jīng)過(guò)最近幾年的發(fā)展，硅基太陽(yáng)能電池相關(guān)的技術(shù)已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但提純硅的方法依然是氧化還原法，這種氧化還原過(guò)程必然導(dǎo)致晶體硅太陽(yáng)能電池制造能耗大、污染高、工藝復(fù)雜且生產(chǎn)設(shè)備昂貴。與此相比有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池由于其制作成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、輕便便攜、可以彎曲等特點(diǎn)，引起越來(lái)越多的關(guān)注。有機(jī)太陽(yáng)能電池的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)于有機(jī)半導(dǎo)體材料中的空穴和電子的遷移實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能，但是，目前的薄膜有機(jī)太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)化率低，結(jié)構(gòu)不夠合理，不能大規(guī)模生產(chǎn)，因此，導(dǎo)致有機(jī)薄膜太陽(yáng)能利用率成本比較高，制約著有機(jī)薄膜太陽(yáng)能行業(yè)的發(fā)展。

2014年，IBM研究院發(fā)明了一款微觀（microscopic）3D打印機(jī)，可以在柔軟的聚合物雕刻上納米級(jí)分辨率圖案，隨后擴(kuò)展在硅，III-V(砷化鎵)，或是石墨烯基板等材料進(jìn)行雕刻。它可以像納米級(jí)分辨率的銑床一樣運(yùn)作，在有機(jī)化合物上雕刻出納米級(jí)的溝槽。

目前有機(jī)薄膜太陽(yáng)能中常見(jiàn)的兩種光活性層的結(jié)構(gòu)形式為：平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)和體相異質(zhì)結(jié)構(gòu)。平面異質(zhì)結(jié)接觸面積很有限，光電轉(zhuǎn)化效率低，而體相異質(zhì)結(jié)構(gòu)，雖然接觸面積得到很大提高，但是，電子和空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中大量湮滅，光電轉(zhuǎn)化效率也較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種篦齒結(jié)光活性層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，通過(guò)優(yōu)化光活性層的結(jié)構(gòu)，能夠加大P型材料和N型材料的接觸面積，激發(fā)更多的空穴和電子；同時(shí)這樣的結(jié)構(gòu)可以降低電子和空穴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的湮滅，具有光電轉(zhuǎn)化效率高的特點(diǎn)。

一種篦齒結(jié)光活性層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，包括從上到下依次排列疊加的金屬陰極層1、陰極修飾層2、篦齒結(jié)光活性層3、陽(yáng)極緩沖層4、透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5和襯底層6；

所述的光活性層3包括N型材料基座7、N型材料篦齒8、P型材料篦齒9和P型材料基座10；

所述的N型材料篦齒8與P型材料篦齒9為篦齒結(jié)結(jié)構(gòu)；所述的篦齒結(jié)構(gòu)的光活性層中N型材料篦齒8與P型材料篦齒9間隔設(shè)置。

所述金屬陰極層1的厚度為1-5μm；

所述陰極修飾層2的厚度為1-5nm；

所述光活性層3的厚度為120-250nm；

所述陽(yáng)極緩沖層4的厚度為120-250nm；

所述襯底6和透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5的厚度為0.3-2.0mm。

所述光活性層3中電子受體為材料為富勒烯衍生物，電子受體基座7厚度為70-140nm；最為優(yōu)選的厚度為80nm。

所述光活性層3中電子給體材料為3-己基噻吩的聚合物，電子給體材料基座10厚度為45-120nm，最為優(yōu)選的厚度為50nm。

所述的“篦齒結(jié)”篦齒長(zhǎng)度50-150nm，寬度為40-60nm。

所述金屬陰極層1為厚度為2μm 的鍍鋁層，所述陰極修飾層2為2nm 的氟化鋰，所述光活性層3為包括3-己基噻吩和料富勒烯衍生物的“篦齒結(jié)”,厚度為230nm；所述陽(yáng)極緩沖層4為200nm 的3，4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物: 聚苯乙烯磺酸鹽，所述的“篦齒結(jié)”篦齒長(zhǎng)度100nm，寬度為50nm，所述襯底層6和透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5的總厚度為0.7mm。

鋁的元素符號(hào)為Al，氟化鋰符號(hào)為L(zhǎng)iF，3-己基噻吩的聚合物符號(hào)為P3HT，富勒烯衍生物符號(hào)為PC₆₀BM, 4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物符號(hào)為PEDOT，聚苯乙烯磺酸鹽符號(hào)為PSS，導(dǎo)電氧化銦錫薄膜符號(hào)為ITO。

本發(fā)明所提供的篦齒結(jié)活性層有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:

襯底6和透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5的處理:

襯底6材料選用ITO導(dǎo)電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過(guò)率85% ，厚度為0.3-2.0mm)，將其蝕刻電極圖案后，先清洗干凈，然后依次用去離子水、無(wú)水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮?dú)獯蹈?，紫?臭氧處理20min。

陽(yáng)極緩沖層4的制備:

在ITO表面旋涂PEDOT:PSS陽(yáng)極緩沖層，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm，旋涂30s，厚度為120-250nm。在150℃下，退火l0min。

光活性層3的制備:

（1）稱取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0.5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在陰極修飾層4表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，P3HT層厚度為100-200nm，在160℃下，熱處理10min，得到固化的P3HT層；

（2）在（1）中得到的P3HT層上表面用微觀3D打印機(jī)雕刻間距為80-120nm，寬度為40-60nm深為50-150nm的直槽，直槽與ITO玻璃的任意側(cè)邊平行。得到開(kāi)有直槽的P3HT層；

(3)稱取12mg PC₆₀BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，在(2)中得到的開(kāi)有直槽的P3HT層上旋涂PC₆₀BM，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，溶液填平直槽立即停止旋涂，在160℃下處理10min。得到直槽中填滿PC₆₀BM的的P3HT層；

（4）稱取12mg PC₆₀BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在（3）中得到的P3HT層表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，PC₆₀BM層厚度為50-100nm。在160℃下，熱處理10min，得到篦齒結(jié)光活性層。

陰極修飾層2的制備:

在1 X 10^-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為1-5nm的LiF薄膜，形成陰極修飾層。

金屬陰極1的制備:

在1X10^-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為1-5μm的Al膜，形成金屬陰極層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:

本發(fā)明提供的一種篦齒結(jié)光活性層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)“篦齒結(jié)”形式的光活性層，能夠有效的增加兩種材料的接觸面積，而且還能夠減少空穴和電子遷移過(guò)程中猝滅數(shù)量，有效提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為光活性層的“篦齒結(jié)”結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖并結(jié)合實(shí)施例詳述本發(fā)明。

如圖1所示：一種篦齒結(jié)光活性層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，包括從上到下依次排列疊加的金屬陰極層1、陰極修飾層2、篦齒結(jié)光活性層3、陽(yáng)極緩沖層4、透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5和襯底層6；所述的光活性層3包括N型材料基座7、N型材料篦齒8、P型材料篦齒9和P型材料基座10；所述的P型材料篦齒9與N型材料篦齒8為“篦齒結(jié)”結(jié)構(gòu)；所述的“篦齒結(jié)”結(jié)構(gòu)的P型材料篦齒9與N型材料篦齒8間隔設(shè)置。

一種篦齒結(jié)光活性層有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟：

(1)對(duì)由襯底及透明導(dǎo)電陽(yáng)極ITO所組成的基板進(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑?/p>

(2)在透明導(dǎo)電陽(yáng)極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂陽(yáng)極緩沖層PEDOT:PSS溶液，并進(jìn)行烘烤；

(3)在陽(yáng)極緩沖層上采用旋涂或噴涂或自組裝或噴墨打印或絲網(wǎng)印刷的方式制備P3HT層，并進(jìn)行烘烤；

(4)用微觀3D打印技術(shù)在P3HT層雕刻直槽；

(5)在P3HT層上采用旋涂或噴涂或自組裝或噴墨打印或絲網(wǎng)印刷的方式制備PCBM層，并進(jìn)行烘烤，從而制成篦齒結(jié)光活性層；

(6)在光活性層表面蒸發(fā)、旋轉(zhuǎn)涂覆或噴涂極性溶劑緩沖層；

(7)在極性溶劑緩沖層上蒸鍍LiF溶液，得到陰極修飾層；

(8)在陰極緩沖層上蒸鍍金屬陰極。

實(shí)施例1

襯底層6和透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5的處理:

襯底6材料選用ITO導(dǎo)電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過(guò)率85% ，厚度為0.3mm)，將其蝕刻電極圖案后，先清洗干凈，然后依次用去離子水、無(wú)水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮?dú)獯蹈桑贤?臭氧處理20min。

陽(yáng)極緩沖層4:

在ITO表面旋涂PEDOT:PSS陽(yáng)極緩沖層，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm，旋涂30s，厚度為120nm。在150℃下，退火l0min。

光活性層3的制備:

（1）稱取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0.5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在陰極修飾層4表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，P3HT層厚度為100nm，在160℃下，熱處理10min，得到固化的P3HT層；

（2）在（1）中得到已經(jīng)固化的P3HT層上表面用微觀3D打印機(jī)雕刻間距為80nm，寬度為40nm深為50nm的直槽，直槽與ITO玻璃的任意側(cè)邊平行，得到開(kāi)有直槽的P3HT層；

（3）稱取12mg PC₆₀BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在（2）中得到的開(kāi)有直槽的P3HT層表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，溶液填平直槽立即停止旋涂，在160℃下處理10min，得到直槽中填滿PC₆₀BM的P3HT層；

（4）稱取12mg PC₆₀BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在（3）中得到的P3HT層表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，PC₆₀BM層厚度為50nm。在160℃下，熱處理10min，得到厚度為150nm的篦齒結(jié)光活性層。

陰極修飾層2的制備:

在1 X 10^-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為1nm的LiF薄膜，形成陰極修飾層。

金屬陰極1的制備:

在1X10^-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為1μm的Al膜，形成金屬陰極層。

實(shí)施例2

襯底層6和透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5的處理:

襯底層材料選用ITO導(dǎo)電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過(guò)率85% ，厚度為2.0mm)，將其蝕刻電極圖案后，先清洗干凈，然后依次用去離子水、無(wú)水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮?dú)獯蹈?，紫?臭氧處理20min。

陽(yáng)極緩沖層4的制備：

在ITO表面旋涂PEDOT：PSS陽(yáng)極緩沖層，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm，旋涂30s，厚度為250nm，在150℃下，退火l0min。

光活性層3的制備：

（1）稱取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在陰極修飾層4表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，P3HT層厚度為200nm，在160℃下，熱處理10min，得到固化的P3HT層；

（2）在（1）中得到的已經(jīng)固化的P3HT層上表面用微觀3D打印機(jī)雕刻間距為120nm，寬度為60nm深為150nm的直槽，直槽與ITO玻璃的任意側(cè)邊平行，得到開(kāi)有直槽的P3HT層；

（3）稱取12mg PC₆₀BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在（2）中得到的開(kāi)有直槽的P3HT層表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，PC₆₀BM層厚度為100nm。在160℃，下熱處理10min，得到厚度為230nm的篦齒結(jié)光活性層。

陰極修飾層2的制備:

在1 X 10^-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為5nm的LiF薄膜形成陰極修飾層。

金屬陰極1的制備:

在1X10^-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為5μm的Al膜形成金屬陰極。

實(shí)施例3

襯底層6和透明導(dǎo)電陽(yáng)極層5的處理:

襯底層材料選用ITO導(dǎo)電玻璃(珠海凱為電子元器件有限公司，方阻14Ω/口，透過(guò)率85%，厚度為0.7mm)，將其蝕刻電極圖案后，先清洗干凈，然后依次用去離子水、無(wú)水乙醇、丙酮和異丙醇各超聲清洗l0min,氮?dú)獯蹈?，紫?臭氧處理20min。

陽(yáng)極緩沖層4的制備：

在ITO表面旋涂PEDOT:PSS陽(yáng)極緩沖層，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm，旋涂30s，厚度為235nm。在150℃下，退火l0min。

光活性層3的制備：

（1）稱取12mg P3HT溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在陽(yáng)極緩沖層4表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，P3HT層厚度為150nm，在160℃下，熱處理10min，得到固化的P3HT層；

（2）在（1）中得到的已經(jīng)固化的P3HT層上表面用微觀3D打印機(jī)雕刻間距為100nm，寬度為50nm深為100nm的直槽，直槽與ITO玻璃的對(duì)角線平行，得到開(kāi)有直槽的P3HT層；

（3）稱取12mg PC₆₀BM溶于1mL氯苯，然后加入lmg ZnTPP的溶液，超聲處理0. 5h，在70℃條件下磁力攪拌4h，然后混合液用勻膠機(jī)在（2）中得到的開(kāi)有直槽的P3HT層表面旋涂成膜。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm，旋涂40s，PC₆₀BM層厚度為100nm。在160℃，下熱處理10min，得到厚度為230nm的篦齒結(jié)光活性層。

陰極修飾層2的制備:

在1 X 10^-4Pa真空度下，在光活性層表面真空蒸鍍厚度為3nm的LiF薄膜，形成陰極修飾層。

金屬陰極1的制備:

在1X10^-4Pa真空度下，在陰極修飾層表面真空蒸鍍厚度為3μm的Al膜，形成金屬陰極層。

以上所述僅為本發(fā)明的具有代表性的實(shí)施例，不以任何方式限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。