本發(fā)明屬于光電材料與器件
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種可應(yīng)用于汽車及建筑物外墻中作為智能窗戶使用的半透明太陽電池器件。
背景技術(shù)：
：以有機(jī)太陽電池為代表的可溶液加工的新型太陽電池技術(shù)由于其柔性質(zhì)輕、可大面積印刷生產(chǎn)等優(yōu)勢，在近幾年備受關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的無機(jī)硅太陽電池，此類新型電池的光活性層的吸收光譜可調(diào)，可實現(xiàn)不同波段的吸收，進(jìn)而可作為半透明太陽電池器件應(yīng)用于智能窗戶中，市場潛力巨大。而在市場應(yīng)用方面，太陽隔熱膜已被廣泛應(yīng)用于汽車及建筑物外墻，其優(yōu)異的隔熱保溫性能可保持室內(nèi)一年四季溫度適宜，如在夏天減少熱量進(jìn)入室內(nèi)，降低空調(diào)運營成本；冬天減少熱量流失。同時大部分建筑或汽車太陽膜還可阻隔紫外線，延長室內(nèi)家具及衣物的使用壽命，減少眩光和眼睛不適，提供更加節(jié)能舒適的環(huán)境。但目前市場上的隔熱膜可使大部分的可見光透過、非可見光發(fā)射或散射，并不能真正實現(xiàn)能源地有效利用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的首要目的在于提供一種可應(yīng)用于汽車及建筑物外墻中的半透明太陽電池器件。所述的太陽電池光活性層的材料為可溶液加工的有機(jī)材料、染料敏化材料或具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化電池材料。所述的光活性層在可見光外的其他波段，尤其是紅外及近紅外波段有吸收。通過調(diào)節(jié)太陽電池光吸收層的吸收光譜及通過光學(xué)調(diào)控層調(diào)節(jié)器件內(nèi)的光場分布，使盡量多的可見光透過、非可見光反射或散射進(jìn)而被光活性層吸收利用。本發(fā)明的另一目的在于提供一種新型汽車及建筑隔熱膜。將半透明太陽電池與隔熱膜結(jié)合起來，使主要產(chǎn)生熱量的紅外部分光被光吸收層吸收利用，進(jìn)而賦予此類器件優(yōu)異的隔熱性能。充分利用不同波段光能，提高了光能利用率，對未來發(fā)展新型汽車或建筑智能窗材料提供了理論及技術(shù)指導(dǎo)。本發(fā)明的目的通過下述方案實現(xiàn)：一種半透明太陽電池器件，包括陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層及陰極；所述光活性層對波長范圍大于780nm的近紅外及紅外波段光有吸收。所述光活性層中的給體和受體材料為可溶液加工的具有共軛主鏈的有機(jī)聚合物或小分子材料及它們的共混材料。光活性層的溶液加工方法：把給體和受體材料按摩爾比1:10～10:1混合，溶于有機(jī)溶劑(如氯苯、鄰二氯苯等)后，通過涂覆或蒸鍍形成光活性層。所述涂覆的方法可為旋涂、刷涂、噴涂、浸涂、輥涂、絲網(wǎng)印刷、印刷或噴墨打印方式。所述給體和受體材料優(yōu)選為PBDTTT-E-T和IEICO。所述陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層及陰極的厚度分別為150±30nm，40±10nm，100±20nm，10±5nm，10-20nm。所述電子傳輸層優(yōu)選為含強(qiáng)極性基團(tuán)的有機(jī)共軛聚合物。電子傳輸層可以為添加納米顆粒改善光吸收后的復(fù)合界面層。所述電子傳輸層中的強(qiáng)極性基團(tuán)為胺基、季銨鹽基團(tuán)、磷酸根、磷酸酯基、磺酸根、羧基和羥基中的一種或兩種以上。所述電子傳輸層優(yōu)選為PNDIT-F3N-Br。所述空穴傳輸層為有機(jī)共軛聚合物(優(yōu)選聚3,4-乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽)或無機(jī)半導(dǎo)體。空穴傳輸層可以為添加納米顆粒改善光吸收后的復(fù)合界面層。所述陰極上還涂覆有光學(xué)調(diào)控層。所述光學(xué)調(diào)控層為光學(xué)材料組成的可調(diào)節(jié)的多層結(jié)構(gòu)。所述陰極為鋁、銀、金、鈣/鋁合金或鈣/銀合金。所述陽極為金屬、金屬氧化物，如氧化銦錫導(dǎo)電膜(ITO)，摻雜二氧化錫(FTO)，氧化鋅(ZnO)，銦鎵鋅氧化物(IGZO)和石墨烯及其衍生物中的至少一種。所述的半透明太陽電池器件具有隔熱性能，可作為隔熱膜使用。所述器件附著于汽車或建筑物外墻的玻璃上，作為一種智能窗戶。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)太陽電池光吸收層的吸收光譜及通過光學(xué)調(diào)控層調(diào)節(jié)器件內(nèi)的光場分布，使盡量多的可見光透過、非可見光反射或散射進(jìn)而被光活性層吸收利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：1、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)太陽電池光吸收層的吸收光譜，使盡量多的可見光透過、非可見光被反射進(jìn)而被光吸收層吸收利用，提高半透明太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率。2、本發(fā)明器件充分利用不同波段光能，提高了光能利用率，將半透明太陽電池與隔熱膜結(jié)合起來，不僅可作為光伏電池進(jìn)行發(fā)電應(yīng)用，還由于器件本身具備優(yōu)異的隔熱性能，可以附著于汽車或建筑物外墻的玻璃上作為隔熱膜使用。一次性解決了汽車及建筑物智能窗所要求的高可見光透過率、高光電轉(zhuǎn)換效率、隔熱保溫、防紫外線等問題。附圖說明圖1為實施例1采用的光活性層的薄膜吸收光譜圖。圖2為實施例1采用不同厚度的銀電極的半透明太陽電池器件的電流-電壓曲線圖。圖3為實施例1采用不同厚度的銀電極的半透明太陽電池器件的外量子效率曲線圖。圖4為實施例1采用不同厚度的銀電極的半透明太陽電池器件的透過率圖。圖5為本發(fā)明半透明太陽電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，具體包括材料表征、器件制備與性能測試。實施例1半透明太陽電池器件的制備：ITO導(dǎo)電玻璃若干，方塊電阻約20歐/方，規(guī)格為15毫米×15毫米方片。依次用丙酮、微米級半導(dǎo)體專用洗滌劑、去離子水、異丙醇超聲清洗半小時以上，置于恒溫烘箱備用。使用前，ITO玻璃片在氧等離子體處理4分鐘。將PEDOT:PSS(聚3,4-乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽)水分散液(購自Bayer公司，CleviosPVPAI4083)作為空穴傳輸層，采用勻膠機(jī)(KW-4A)高速旋涂于ITO上，膜厚40納米左右為佳，厚度由溶液濃度和轉(zhuǎn)速決定，用表面輪廓儀(Tritek公司Alpha-Tencor-500型)實測監(jiān)控。成膜后，于空氣中150℃加熱20分鐘，轉(zhuǎn)移至手套箱備用。將光活性層材料PBDTTT-E-T:IEICO(PBDTTT-E-T和IEICO摩爾比1:1，均可在solarmer公司購買)溶于氯苯溶劑中，濃度為12毫克/毫升，在1200rpm的轉(zhuǎn)速下將其旋涂到PEDOT:PSS層上，然后100℃加熱退火10分鐘。光活性層的厚度為80-100納米。電子傳輸層通過在光活性層表面旋涂一層PNDIT-F3N-Br溶液得到。將PNDIT-F3N-Br固體(根據(jù)專利CN104725613A報道方法制備)溶于甲醇溶劑中，濃度為1毫克/毫升，采用2000rpm的轉(zhuǎn)速旋凃成膜，即可得到膜厚約為10納米的電子傳輸層薄膜。最后采用真空蒸鍍的方法蒸鍍不同厚度的銀電極，分別得到不同透光率的半透明太陽電池器件。圖1為實施例1采用的光活性層的薄膜吸收光譜圖。這一光活性層材料的薄膜吸收邊可達(dá)900納米，已超出可見光區(qū)并在近紅外光區(qū)域有較強(qiáng)光吸收。圖2為實施例1采用不同厚度的銀電極的半透明太陽電池器件的電流-電壓曲線圖。所采用的器件結(jié)構(gòu)為正裝器件：ITO/PEDOT:PSS/光活性層/PNDIT-F3N-Br/銀電極。由圖2中可以看出，隨著銀電極厚度的增加，電極對光的反射效果不斷增強(qiáng)，器件的短路電流逐漸升高，而器件的開路電壓和填充因子基本保持不變，最終器件的光電轉(zhuǎn)換效率也依次升高。在此結(jié)構(gòu)下，當(dāng)銀電極的厚度為10納米、14納米、20納米時，器件效率最高分別可達(dá)6.8％、7.9％和9.0％。具體的太陽電池器件效率如表1所示。表中Voc、Jsc、FF、PCE、BestPCE分別指開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率、最高光電轉(zhuǎn)換效率。表1不同銀電極厚度的半透明太陽電池器件的效率分析銀電極厚度Voc(伏)Jsc(毫安/厘米2)FFPCE(％)BestPCE(％)10納米0.81±0.0112.6±0.50.65±0.016.4±0.46.814納米0.81±0.0114.4±0.40.66±0.017.7±0.37.920納米0.81±0.0116.6±0.30.67±0.018.7±0.39.0具體的不同銀厚度的平均可見光(380-780納米)透過率如表2所示。結(jié)合表1中的器件效率分析可得，采用此光吸收層材料制備的半透明太陽電池器件可在維持較高平均可見光透過率(～20％)的前提下達(dá)到較好的光電轉(zhuǎn)換效率(～7％)。其主要原因為光吸收層材料在近紅外區(qū)域有較強(qiáng)吸收，這一區(qū)域吸收的光子對器件短路電流的提升有貢獻(xiàn)，但并不影響整體器件的平均可見光透過率。由此可推知，其它類似的具備近紅外吸收的光活性層材料也可得到類似的器件效果。表2半透明太陽電池器件的平均可見光(380-780納米)透過率銀電極厚度平均可見光透過率(％)10納米27.814納米23.720納米17.0實施例2半透明太陽電池隔熱性能測試：將實施例1中所制得的半透明太陽電池器件放于太陽膜測試儀(林上LS182)中測試其隔熱性能，具體性能指標(biāo)如表3所示。由表3可知，此類不同銀電極厚度的半透明太陽電池均具有較高的紅外線阻隔率(大于70％)。且當(dāng)銀電極的厚度為20納米時，其紅外線阻隔率已達(dá)90％，說明其具有優(yōu)異的隔熱效果。此隔熱效果不僅來自于光活性層對紅外區(qū)域的光吸收，銀電極對紅外線的反射作用也具有明顯效果。此外，我們通過光學(xué)調(diào)控層對器件內(nèi)的光強(qiáng)分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，可進(jìn)一步增強(qiáng)整體器件對紅外區(qū)域光的利用。表3不同薄膜的透過率及隔熱性能指標(biāo)可見光透過率(％)紅外線阻隔率(％)玻璃90.410.310納米銀電極25.175.014納米銀電極23.881.020納米銀電極17.790.0由實施例1～2可見，我們通過調(diào)節(jié)材料的吸光性能，并采用近紅外區(qū)吸收較強(qiáng)的光吸收層材料，可實現(xiàn)半透明太陽電池器件在維持較高平均可見光透過率的前提下達(dá)到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。同時由于此半透明薄膜器件具有較高的紅外線阻隔率，可在汽車及建筑物外墻中作為隔熱膜使用。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3