CN102150293A - 叠层型太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种为了空穴阻隔或电子阻隔的目的而构成的叠层型太阳能电池，使得空穴不从前方的子电池注入或电子不从后方的子电池注入设置在子电池之间的中间层。该叠层型太阳能电池包含一对电极、至少两个子电池和各自配置在两个相邻的子电池之间的中间层，其中至少一层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。具体的，通过设定空穴阻隔层或电子阻隔层的膜厚度等于或大于在阻隔层形成之前即刻的子电池的表面凹凸的最大值，空穴阻隔或电子阻隔变得更完全，并且充分发挥作为叠层型元件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及叠层型(tandem)太阳能电池。特别地，本发明涉及包含至少两个子电池的叠层型太阳能电池。
背景技术
近年来，由于能源和CO2相关的各种问题变得严重，已经寻求经济的和全球环境负荷较小的新能源开发。在这种情况下，太阳能电池由于它们资源供应取之不尽，并且不伴有CO2排放，因此已经被期望为新的清洁能源。其中，硅基无机太阳能电池能量转换效率相对高，因此已经投入实际使用。然而，由于它的高生产成本，其还没有广泛使用。同时，有机薄膜太阳能电池的转换效率仍然较差，但是已经进行了这种太阳能电池的研究与开发，因为该电池可以以简单和廉价的方法大面积生产。
传统的有机薄膜太阳能电池显示出相对高的转换效率，如在以下报道中所述：其中将被称为PCBM的作为电子输送材料的富勒烯衍生物和被称为P3HT的作为空穴输送材料的聚(3-己基噻吩)在溶液中混合并且通过旋转涂膜法在基板上形成膜从而形成本体异质结的报道(参见以下非专利文献1)和其中将作为电子输送材料的芘衍生物(PTCBI)和作为空穴输送材料的酞菁共沉积使得形成本体异质结的报道(参见以下非专利文献2)。然而，这些太阳能电池的转换效率仍然低于硅基无机太阳能电池的转换效率。因此，目前为了有机薄膜太阳能电池的实用化，转换效率的显著改进是重要课题。
同时，通过串联电连接两个以上子电池(subcell)构造叠层型太阳能电池，使得来自各子电池的开路电压累加，因此可以期望改进开路电压。因此认为叠层型太阳能电池是改进转换效率的有效手段。此外，通过叠置子电池也可以期望光使用效率的改进。然而，短路电流受到最小子电池的短路电流限制，因此考虑到各子电池的吸收范围或效率需要优化子电池种类的选择、子电池的叠置次序和子电池上的膜厚度。此外，为了电连接子电池，子电池之间必需配置中间层中。为了得到更高的效率还必须优化用于中间层的化合物和其厚度。
先有技术文献
非专利文献
非专利文献1：″Science″，pp 1474-1476，vol.258，1992，by N.S.Sariciftci，L.Smilowitz，A.J.Heeger，F.Wudl
非专利文献2：″Appl.Phys.Lett″，pp 1062，vol.58，1991，byM.Hiramoto，H.Fujiwara，M.Yokoyama
发明内容
发明要解决的问题
当构造叠层型太阳能电池时，必须串联电连接两个以上的子电池，并在两个相邻的子电池之间配置中间层。该中间层是从前方的子电池注入的电子与从后方的子电池注入的空穴重新结合的地方。该中间层优选是透明的或半透明的或尽可能薄的，使得入射光可以到达后方的子电池。如果空穴是从前方的子电池注入或电子是从后方的子电池注入该中间层，该叠层型太阳能电池不能充分展示其性能。
用于解决问题的方案
空穴或电子必须是完全阻隔的，使得不允许空穴从前方的子电池注入或不允许电子从后方的子电池注入进中间层。
特别地，在其中包含于子电池中的电子输送材料和空穴输送材料形成本体异质结的情况下，这些材料在子电池的表面上混合，使得难以完全阻隔空穴或电子。
作为以下发现的结果完成本发明：通过在空穴阻隔层或电子阻隔层形成之前即刻观察子电池的表面凹凸，然后形成具有等于或大于子电池上表面凹凸高度的最大值的厚度的空穴阻隔层或电子阻隔层，能够实现完全地空穴或电子阻隔。
也就是说，本发明涉及一种叠层型太阳能电池，其包含一对电极、至少两个以上子电池、各自配置在相邻的两个子电池之间的中间层，至少一层所述中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中所述空穴阻隔层的厚度大于在该空穴阻隔层形成之前即刻的子电池表面凹凸高度的最大值。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中所述电子阻隔层的厚度大于在该电子阻隔层形成之前即刻的子电池表面凹凸高度的最大值。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中其具有至少一个以上具有由电子输送材料和空穴输送材料形成的本体异质结的子电池。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中存在于第x个子电池中的电子输送材料和空穴输送材料具有本体异质结，并且第x层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中至少一个子电池包含导电性高分子。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中第x个子电池包含导电性高分子，并且第x层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中所述x是整数1。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中所述空穴阻隔层包含电子输送材料。
本发明还涉及上述叠层型太阳能电池，其中所述电子阻隔层包含空穴输送材料。
发明的效果
在叠层型太阳能电池中配置在相邻子电池之间的中间层由空穴阻隔层或电子阻隔层形成，使得其厚度等于或大于在空穴或电子阻隔层形成之前即刻该子电池的表面凹凸高度的最大值。作为结果，可以实现完全的空穴阻隔或电子阻隔，从而生产高效率的叠层型太阳能电池。
附图说明
[图1]显示叠层型太阳能电池结构的示意性截面图；
[图2]通过原子力显微镜观察的膜表面的照片。
附图标记说明
1基板
2阴极电极
3空穴输送层
4第一子电池
5第一中间层
6第二子电池
7第n-1层中间层
8第n个子电池
9阳极电极
10入射光
具体实施方式
以下详细地描述本发明。
图1是显示根据本发明的叠层型太阳能电池的实例的截面图。在该实例中，叠层型太阳能电池通过经由中间层电串联叠置子电池来构造。
基板1是透明基板。可以根据目的适当选择基板的材料、厚度、尺寸和形状。例如，该基板可以选自无色或有色玻璃，嵌丝玻璃(wire glass)和玻璃块。可选择地，该基板可以是有色或无色透明树脂。这种树脂的具体实例包括聚酯如聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、三乙酸纤维素、和聚甲基戊烯。这里使用的术语“透明”是指10-100％的透射率、优选50％以上。这里使用的基板可以是在常温下具有平滑表面的那些基板，其表面可以是平面或曲面或随应力可形变的。在基板1的光入射侧上可以设置表面保护如紫外线屏蔽膜。
假设入射光10从基板1进入，对于阴极电极2没有特别的限定，只要其是透明的或半透明的并能实现本发明的目的即可。用于形成阴极电极2的材料的实例包括导电性金属氧化物如SnO2、ZnO、ITO(铟掺杂氧化锡)、FTO(氟掺杂氧化锡)、AZO(铝掺杂氧化锌)和IZO(铟掺杂氧化锌)，和金、银、铜或铝的金属膜。
各子电池具有光敏层。该光敏层包含一起形成的本体异质结或平面异质结的空穴输送材料和电子输送材料。该光敏层可以用常规方法如真空沉积法、电子束真空沉积法、溅射法或旋涂法形成。该光敏层的厚度越厚，光捕捉效率越好。该光敏层的厚度随要使用的空穴输送材料和电子输送材料而变化，但是优选为
空穴输送材料的实例包括导电性高分子如聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺(polyanyline)、聚呋喃(polyfurane)、聚吡啶和聚咔唑；有机染料分子如酞菁、卟啉和芘，以及其衍生物或过渡金属配合物；电荷转移剂如三苯胺化合物和肼化合物；和电荷转移配合物如四硫富瓦烯(TTF)，但不限于此。
电子输送材料的实例包括碳材料如富勒烯(C60，C70)、化学改性的富勒烯衍生物和碳纳米管，以及芘衍生物，但不限于此。
中间层是从该层前方的子电池注入的电子与从该层后方的子电池注入的空穴重新结合的地方，并且需要有效率的重新结合。该中间层优选透明或半透明的，或尽可能薄的，使得入射光10可以到达后方的子电池。
中间层优选包含上述空穴输送材料和电子输送材料两者或之一，并且还可以包含金属层。该金属层优选尽可能的薄和半透明的，使得入射光10可以到达在后方的子电池。此外，该中间层可以包含导电性金属氧化物如SnO2、ZnO、ITO(铟掺杂氧化锡)、FTO(氟掺杂氧化锡)、AZO(铝掺杂氧化锌)、IZO(铟掺杂氧化锌)和MoOX，但不限于此。
本发明中，配置至少一层在两个相邻的子电池之间的中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
中间层中包含的空穴阻隔层是为了抑制空穴从子电池注入中间层的层，而电子阻隔层是为了抑制电子从子电池注入中间层的层。因此，优选上述电子输送材料形成空穴阻隔层，同时上述空穴输送材料形成电子阻隔层，但不限于此。
空穴阻隔层和电子阻隔层可以用常规方法如真空沉积法、电子束真空沉积法、溅射法或旋涂法形成。通常，将这些层通过将它们使用任何上述的常规方法层压形成于子电池上。
空穴阻隔层或电子阻隔层优选具有尽可能薄的膜厚度，使得可以使光有效入射至后方的子电池中，但是必须具有足以显示空穴或电子阻隔功能的膜厚度。
空穴阻隔层或电子阻隔层的膜厚度必须等于或大于在空穴阻隔层或电子阻隔层形成之前即刻的子电池表面凹凸高度(等于或大于凹凸高度的最大值)。具体地，空穴阻隔层和电子阻隔层的膜厚度比表面凹凸高度的最大值大
更优选
更优选
本发明的叠层型太阳能电池优选具有至少一个的其中电子输送材料和空穴输送材料形成本体异质结的子电池。优选，存在于第x个(优选x＝1)子电池中的电子输送材料和空穴输送材料具有本体异质结，并且第x层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。也就是说，优选紧跟在其中电子输送材料和空穴输送材料具有本体异质结的子电池之后的中间层，具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
在本发明的叠层型太阳能电池中，优选至少一个以上子电池包含导电性高分子，并优选第x个子电池(优选x＝1)包含导电性高分子，同时第x层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。也就是说，紧跟在包含导电性高分子的子电池之后的中间层，优选包含空穴阻隔层或电子阻隔层。
对于阳极电极9没有特别的限制，只要能实现本发明的目的即可。阳极电极的实例包括金属电极如金、银和铝，以及碳电极。阳极电极9可以通过真空沉积法、电子束真空沉积法或溅射法，或其中将分散在溶剂中的金属细颗粒涂布、然后蒸发除去溶剂的常规方法来形成。在金属电极形成时，可以在子电池和金属电极之间形成各种有机和无机材料层，使得子电池与金属电极欧姆接触。对于这种材料没有特别的限制，只要其能实现本发明的目的即可。实例包括有机物如菲咯啉(phenanthrorine)和浴铜灵(bathocuproin)(BCP)和无机物如LiF和TiOx。
可以进行各种密封处理，使得改进本发明的太阳能电池的耐久性。对于密封的方法没有特别的限制，只要其满足本发明的目的即可。例如，该电池可以用各种具有低透气性的材料密封。使用这种具有低透气性的材料的方法可以通过将材料如上述基板材料用作阻气层来进行从而改进该电池的耐久性，所述材料用具有低透气性的粘合剂粘贴于电池。
实施例
将参考以下实施例更详细地说明本发明，但不限于此。
(实施例1)
基板1是玻璃基板，在其上通过溅射法将表面电阻为15Ω/sq的ITO形成膜作为阴极电极2。
具有膜形式的阴极电极2的基板1在中性洗涤剂中进行超声清洗10分钟，然后在水、丙酮和乙醇中各进行超声清洗3分钟两次。其后，将该基板进行紫外臭氧表面处理3分钟。
接着，将Baytron P(由H.C.Stark制造)以5000rpm(30s)旋涂在阴极电极2上，并在120℃的温度下干燥10分钟从而形成聚(乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸酯)，即，PEDOT/PSS层，其是空穴输送层。
然后，以下面的方式，在ITO电极/空穴输送层上形成第一子电池。
将苯基C61-丁酸甲酯：PCBM(由ADS，Inc，制造)和分子量为17500的聚(3-己基噻吩)(由Aldrich制造)分别地用作电子输送材料和空穴输送材料，并以1∶1的重量比在邻-二氯苯中混合使得PCBM的浓度为1.26重量％。将这样生产的混合溶液以800rpm(30s)旋涂在PEDOT/PSS层上，从而形成光敏层。其后，将具有光敏层的基板在氮气下干燥整夜，然后在110℃的温度下干燥10分钟，从而形成第一子电池。
通过原子力显微镜观测上述生产的第一子电池的表面(1μm×1μm)。用显微镜拍摄的照片示于图2。结果，观测到表面凹凸高度的最大值为级别，并且P3HT和PCBM两者都存在于表面上。
(实施例2)
根据实施例1，形成了第一子电池，在其表面上以下面的方式形成第一中间层。
在约10-5托(torr)的真空下，保持
的沉积速率，形成C60层，即空穴阻隔层。使该层的厚度为
该厚度比第一子电池的凹凸高度的最大值
厚。其后，分别保持和约
的沉积速率，沉积具有
厚度的3，4，9，10-芘四羧基二苯并咪唑(3，4，9，10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole)(PTCBI)层和厚的Au层。
然后，以下面的方式，在第一中间层的表面上形成第二子电池。
首先，保持
的沉积速率，形成铜酞菁(CuPc)，使得其具有
的厚度从而形成空穴输送层。其后，保持
的沉积速率，沉积C60，使得具有
的厚度从而形成电子输送层。
最后，保持
的沉积速率，在第二子电池表面上沉积浴铜灵(BCP)，使得具有
的厚度，然后保持
的沉积速率，沉积Ag，使得具有
的厚度，并形成阳极电极9从而生产叠层型太阳能电池(参见图1)。
将所得的叠层型太阳能电池用100mW/cm2的模拟日光照射以测量电流-电压特性。该结果列于表1。由电流-电压特性计算最高效率。
(实施例3)
除了使中间层的空穴阻隔层的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度
厚以外，重复实施例2的步骤，从而生产叠层型太阳能电池。评价该电池的电流-电压特性。该结果列于表1。
(实施例4)
除了中间层的空穴阻隔层的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度厚以外，重复实施例2的步骤，从而生产叠层型太阳能电池。评价该电池的电流-电压特性。该结果列于表1。
(实施例5)
根据实施例1，形成了第一子电池，在其表面上以下述方式形成第一中间层。
在约10-5托的真空下，保持
的沉积速率，形成C60层，即空穴阻隔层。使厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度
厚。其后，分别保持
和约
的沉积速率，沉积具有
厚度的3，4，9，10-芘四羧酸二苯并咪唑(PTCBI)层和
厚的Au层。然后保持
的沉积速率，形成铜酞菁(CuPc)，即电子阻隔层。使该层的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度
厚。
然后，保持
的沉积速率，在第一中间层的表面上共沉积作为空穴输送材料的铜酞菁(CuPc)和作为电子输送材料的C60，两者都具有
的厚度，使得将空穴输送材料和电子输送材料结合为本体异质结，从而形成第二子电池。
最后，保持
的沉积速率，在第二子电池表面上沉积浴铜灵(BCP)，使得具有的厚度，然后保持
的沉积速率，沉积Ag，使得具有
的厚度，并形成厚的阳极电极9从而生产叠层型太阳能电池(参见图1)。
将所得的叠层型太阳能电池用100mW/cm2的模拟日光照射以测量电流-电压特性。该结果列于表2。由电流-电压特性计算最高效率。
(比较例1)
除了使中间层的空穴阻隔层的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度薄以外，重复实施例2的步骤，从而生产叠层型太阳能电池。评价该电池的电流-电压特性。该结果列于表1。
(比较例2)
除了中间层的电子阻隔层的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度
薄以外，重复实施例5的步骤，从而生产叠层型太阳能电池。评价该电池的电流-电压特性。该结果列于表2。
表1
表2
当空穴阻隔层(C60层)的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度薄时，确认只有第二子电池工作，意味着空穴从第一子电池注入中间层。然而，当使用厚度为300、400和
的空穴阻隔层(C60层)，所述厚度比第一子电池的表面凹凸高度厚时，空穴从第一子电池注入中间层受到阻隔并且组件作为叠层型装置工作。通过优化要使用的材料或子电池结构，可以预期5％以上的效率改进。
当电子阻隔层(铜酞菁层)的厚度为
该厚度比第一子电池的表面凹凸高度薄时，确认只有第一子电池工作，意味着电子从第二子电池注入中间层。然而，当使用厚度为的电子阻隔层(铜酞菁层)，该厚度比第一子电池的表面凹凸高度厚时，电子从第二子电池注入中间层受到阻隔并且该组件作为叠层型装置工作。通过优化使用的材料或子电池结构，可以预期5％以上的效率改进。
产业上的可利用性
本发明提供一种叠层型太阳能电池，其可以获得完全的空穴阻隔或电子阻隔。
Claims (10)
1.一种叠层型太阳能电池，其包含一对电极、至少两个以上的子电池、各自配置在两个相邻的子电池之间的中间层，至少一层所述中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
2.根据权利要求1所述的叠层型太阳能电池，其中所述空穴阻隔层的厚度等于或大于在该空穴阻隔层形成之前即刻的子电池表面凹凸高度的最大值。
3.根据权利要求1所述的叠层型太阳能电池，其中所述电子阻隔层的厚度大于在该电子阻隔层形成之前即刻的子电池表面凹凸高度的最大值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的叠层型太阳能电池，其中其具有至少一个以上具有由电子输送材料和空穴输送材料形成的本体异质结的子电池。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的叠层型太阳能电池，其中存在于第x个子电池中的电子输送材料和空穴输送材料具有本体异质结，并且第x层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的叠层型太阳能电池，其中至少一个所述子电池包含导电性高分子。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的叠层型太阳能电池，其中所述第x个子电池包含导电性高分子，并且第x层中间层具有空穴阻隔层或电子阻隔层。
8.根据权利要求5或7所述的叠层型太阳能电池，其中所述x是整数1。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的叠层型太阳能电池，其中所述空穴阻隔层包含电子输送材料。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的叠层型太阳能电池，其中所述电子阻隔层包含空穴输送材料。
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