CN103824948A - 太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents

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王平
黄辉
陈吉星
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Abstract

一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述空穴缓冲层的材料包括铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料，所述铼的氧化物选自二氧化铼、七氧化二铼、三氧化二铼及氧化二铼中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。该太阳能电池器件的能量转换效率较高。此外，还提供了一种太阳能电池器件的制备方法。

Description

太阳能电池器件及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种太阳能电池器件及其制备方法。
【背景技术】
太阳能电池器件由于具有廉价、清洁、可再生等优点而得到了广泛的应用。目前常用的太阳能电池器件结构包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极。活性层的激子分离产生空穴和电子后，空穴到达阳极，电子到达阴极，从而被电极收集，形成有效的能量转换。目前，传统的太阳能电池的能量转换效率较低。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种能量转换效率较高的太阳能电池器件及其制备方法。
一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述空穴缓冲层的材料包括铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料，所述铼的氧化物选自二氧化铼、七氧化二铼、三氧化二铼及氧化二铼中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的厚度为20nm~80nm。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层中所述铼的氧化物与所述电子缓冲材料的质量比为20:1~1:5，所述空穴缓冲材料与所述电子缓冲材料的质量比为10:1~1:5。
在优选的实施例中，所述电子缓冲层的材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
在优选的实施例中，所述阴极的材料选自铝、银、金及铂中的至少一种。
一种太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
将含有铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料的悬浮液旋涂在阳极表面制备空穴缓冲层，所述铼的氧化物选自二氧化铼、七氧化二铼、三氧化二铼及氧化二铼中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物；
在所述空穴缓冲层的表面旋涂制备活性层，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物；及
在所述活性层表面依次蒸镀制备电子缓冲层及阴极。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的厚度为20nm~80nm。
在优选的实施例中，所述空穴缓冲层中所述铼的氧化物与所述电子缓冲材料的质量比为20:1~1:5，所述空穴缓冲材料与所述电子缓冲材料的质量比为10:1~1:5。
在优选的实施例中，旋涂制备空穴缓冲层时，转速为500rpm~6000rpm，时间为5秒~60秒。
在优选的实施例中，所述含有铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料的悬浮液中所述铼的氧化物的质量百分含量为1%~10%，电子缓冲材料的质量分数为0.5~5%。
上述太阳能电池器件及其制造方法，通过制备掺杂的空穴缓冲层，将铼的氧化物加入到常用的空穴缓冲材料聚3,4-二氧乙烯噻吩（PEDOT）与聚苯磺酸盐（PSS）的混合物中，PEDOT有很强的导电性，并具有粘度，而加入了铼氧化物后，由于铼的氧化物功函数都较低（约-5.8eV以下），可使混合的空穴缓冲层的HOMO能级得到降低，使其与活性层的能级更匹配，有利于空穴的注入，而铼的氧化物为晶体结构，对光有散射作用，而且晶体的有序排列，也有利于空穴的传输，同时加入少量的电子缓冲材料，提高空穴缓冲层的LUMO能级，阻挡活性层分离的电子穿越到阳极中，从而太阳能电池器件的能量转换效率较高。
【附图说明】
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为一实施例的太阳能电池器件的结构示意图；
图2为一实施例的太阳能电池器件的制备方法的流程图；
图3为实施例1的太阳能电池器件及传统的太阳能电池器件的电流密度与电压关系图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1，一实施例的太阳能电池器件100包括依次层叠的阳极10、空穴缓冲层20、活性层30、电子缓冲层40及阴极50。
阳极10为铟锡氧化物玻璃（ITO）、掺氟的氧化锡玻璃（FTO），掺铝的氧化锌玻璃（AZO）或掺铟的氧化锌玻璃（IZO）。
空穴缓冲层20形成于阳极10表面。空穴缓冲层20的材料包括铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料。铼的氧化物选自二氧化铼（ReO2）、七氧化二铼（Re2O7）、三氧化二铼（Re2O3）及氧化二铼（Re2O）中的至少一种。电子缓冲材料选自叠氮化铯（CsN3）、氟化锂（LiF）、碳酸锂（Li2CO3）及碳酸铯（Cs2CO3）中的至少一种。空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩（PEDOT）与聚苯磺酸钠（PSS）的混合物。其中PEDOT与PSS的质量比为2:1~6:1，优选为6:1。
优选的，空穴缓冲层中所述铼的氧化物与电子缓冲材料的质量比为20:1~1:5，空穴缓冲材料与电子缓冲材料的质量比为10:1~1:5。
空穴缓冲层20的厚度为20nm~80nm。
活性层30形成于空穴缓冲层20表面。活性层30的材料为聚3-己基噻吩(P3HT)与富勒烯的丁酸甲酯衍生物（PCBM）的混合物。其中P3HT:PCBM的质量为1:0.5~1:4优选为1:0.8。活性层30的厚度为80nm~300nm，优选为140nm。
电子缓冲层40形成于活性层30表面。电子缓冲层40的材料选自叠氮化铯（CsN3）、氟化锂（LiF）、碳酸锂（Li2CO3）及碳酸铯（Cs2CO3）中的至少一种，优选为LiF。电子缓冲层40的厚度为0.5nm～10nm，优选为0.7nm。
阴极50形成于电子缓冲层40表面。阴极50的材料选自铝（Al）、银（Ag）、金（Au）及铂（Pt）中的至少一种，优选为Al。阴极50的厚度为80nm~300nm，优选为150nm。
该太阳能电池器件100，通过制备掺杂的空穴缓冲层20，将铼的氧化物加入到常用的空穴缓冲材料聚3,4-二氧乙烯噻吩（PEDOT）与聚苯磺酸盐（PSS）的混合物中，PEDOT有很强的导电性，并具有粘度，而加入了铼氧化物后，由于铼的氧化物功函数都较低（约-5.8eV以下），可使混合的空穴缓冲层的HOMO能级得到降低，使其与活性层30的能级更匹配，有利于空穴的注入，而铼的氧化物为晶体结构，对光有散射作用，而且晶体的有序排列，也有利于空穴的传输，同时加入少量的电子缓冲材料，提高空穴缓冲层的LUMO能级，阻挡活性层30分离的电子穿越到阳极10中，从而太阳能电池器件100的能量转换效率较高。
需要说明的是，上述太阳能电池器件100还可以根据需要设置其他功能层。
请同时参阅图2，一实施例的太阳能电池器件100的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S110、将含有铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料的悬浮液旋涂在阳极10表面制备空穴缓冲层20。
阳极10为铟锡氧化物玻璃（ITO）、掺氟的氧化锡玻璃（FTO），掺铝的氧化锌玻璃（AZO）或掺铟的氧化锌玻璃（IZO）。
本实施方式中，对阳极10前处理包括去除阳极10表面的有机污染物及对阳极10进行等氧离子处理。将阳极10采用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙酮各超声波清洗15min，以去除基底10表面的有机污染物；对阳极10进行等氧离子处理时间为5min~15min，功率为10~50W。
铼的氧化物选自二氧化铼（ReO2）、七氧化二铼（Re2O7）、三氧化二铼（Re2O3）及氧化二铼（Re2O）中的至少一种。电子缓冲材料选自叠氮化铯（CsN3）、氟化锂（LiF）、碳酸锂（Li2CO3）及碳酸铯（Cs2CO3）中的至少一种。空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩（PEDOT）与聚苯磺酸钠（PSS）的混合物。其中PEDOT与PSS的质量比为2:1~6:1，优选为6:1。
优选的，含有铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料的悬浮液中，溶剂为水，铼的氧化物的质量百分含量为1%~10%，电子缓冲材料的质量分数为0.5~5%。
优选的，空穴缓冲层中所述铼的氧化物与电子缓冲材料的质量比为20:1~1:5，空穴缓冲材料与电子缓冲材料的质量比为10:1~1:5。
优选的，旋涂时，转速为500rpm~6000rpm，时间为5秒~60秒，旋涂后烘干得到空穴缓冲层20。空穴缓冲层20的厚度为20nm~80nm。
步骤S120、在空穴缓冲层20的表面旋涂制备活性层30。
活性层30由活性层溶液旋涂在空穴缓冲层20表面制成。旋涂的转速为4000rpm~6000rpm，时间为10s~30s。活性层溶液中活性层材料的浓度为8mg/ml~30mg/ml，优选为12mg/ml。活性层溶液的溶剂选自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一种，优选为氯苯。活性层材料为聚3-己基噻吩(P3HT)与富勒烯的丁酸甲酯衍生物（PCBM）的混合物。其中P3HT:PCBM的质量为1:0.5~1:4优选为1:0.8。旋涂活性层30在充满惰性气体的手套箱中进行，之后在50℃~200℃下退火5分钟~100分钟，或在室温下放置24~48小时，优选在200℃下退火5分钟。活性层30的厚度为80nm~300nm，优选为140nm。
步骤S130、在活性层30表面依次蒸镀制备电子缓冲层40及阴极50。
电子缓冲层40形成于活性层30表面。电子缓冲层40的材料选自叠氮化铯（CsN3）、氟化锂（LiF）、碳酸锂（Li2CO3）及碳酸铯（Cs2CO3）中的至少一种，优选为LiF。电子缓冲层40的厚度为0.5nm～10nm，优选为0.7nm。蒸镀在真空压力为3×10-3~2×10-4Pa下进行，蒸镀速率为0.1nm/s～1nm/s。
阴极50形成于电子缓冲层40表面。阴极50的材料选自铝（Al）、银（Ag）、金（Au）及铂（Pt）中的至少一种，优选为Al。阴极50的厚度为80nm~300nm，优选为150nm。蒸镀在真空压力为3×10-3~2×10-4Pa下进行，蒸镀速率为1nm/s~10nm/s。
上述太阳能电池器件制备方法，空穴缓冲层由旋涂制备，一方面，旋涂工艺简单可控，同时，活性层也采用的是旋涂，因此，可使两层的相容性得到加强。
以下结合具体实施例对本发明提供的太阳能电池器件的制备方法进行详细说明。
本发明实施例及对比例所用到的制备与测试仪器为：高真空镀膜设备（沈阳科学仪器研制中心有限公司，压强<1×10-3Pa）、电流-电压测试仪（美国Keithly公司，型号：2602）、用500W氙灯（Osram）与AM 1.5的滤光片组合作为模拟太阳光的白光光源。
实施例1
本实施例制备的结构为ITO/PEDOT:PSS:Re2O7:LiF/P3HT:PCBM/LiF/Al的太阳能电池器件。
先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W；在上述基底上旋涂含有PEDOT:PSS、Re2O7及LiF的悬浮液制备空穴缓冲层，悬浮液中PEDOT:PSS的质量分数为4.5％，Re2O7的质量分数为2％，LiF的质量分数为1.5%，其中，PEDOT与PSS的质量比为5:1，旋涂的转速为4000rpm，时间为10s，旋涂烘干，空穴缓冲层厚度为30nm；接着旋涂活性层，活性层由浓度为12mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为氯苯，其中P3HT与PCBM的质量为1:0.8，旋涂的转速为5000rpm，时间为15s，旋涂后在200℃下退火5分钟，活性层厚度为140nm；蒸镀电子缓冲层，材料为LiF，厚度为0.7nm，蒸镀在真空压力为5×10-4Pa下进行，蒸镀速率为0.2nm/s；蒸镀阴极，材料为Al，厚度为150nm，蒸镀在真空压力为5×10-4Pa下进行，蒸镀速率为5nm/s，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
请参阅图3，所示为实施例1中制备的结构为ITO/PEDOT:PS S:Re2O7:LiF/P3HT:PCBM/LiF/Al的太阳能电池器件（曲线1）与传统的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太阳能电池器件（曲线2）的电流密度与电压关系，表1所示为实施例1中制备的结构为ITO/PEDOT:PSS:Re2O7:LiF/P3HT:PCBM/LiF/Al的太阳能电池器件与传统的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太阳能电池器件的电流密度、电压、能量转换效率（η）及填充因子数据。传统的太阳能电池器件中各层厚度与实施例1制备的太阳能电池器件中各层厚度相同。
表1
电流密度（mA/cm2） 电压（V） η（%） 填充因子
曲线1 9.43 0.67 2.35 0.38
曲线2 7.81 0.69 2.05 0.37
从表1和图3可以看到，常用的太阳能电池器件电流密度为7.81mA/cm2，而实施例1制备的太阳能电池器件电流密度提高到了9.431mA/cm2，这说明，本发明通过制备空穴缓冲层，将铼的氧化物加入到常用的空穴缓冲材料PEDOT与PSS的水溶液。提高空穴缓冲层的LUMO能级，阻挡活性层分离的电子穿越到阳极中。传统的太阳能电池器件的能量转换效率为2.05%，而实施例1制备的太阳能电池器件的能量转换效率为2.35%。
以下各个实施例的电流密度与电压关系曲线、电流密度、电压、能量转换效率及填充因子都与实施例1相类似，各太阳能电池器件也具有类似的能量转换效率，在下面不再赘述。
实施例2
本实施例制备的结构为IZO/PEDOT:PSS:ReO2:CsN3/P3HT:PCBM/Cs2CO3/Au的太阳能电池器件。
先将IZO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W；在上述基底上旋涂含有PEDOT:PSS、ReO2及CsN3的悬浮液制备空穴缓冲层，悬浮液中PEDOT:PSS的质量分数为1％，ReO2的质量分数为1％，CsN3的质量分数为0.5％，溶剂为水，其中，PEDOT与PSS的质量比为6:1，旋涂的转速为500rpm，时间为5s，旋涂烘干，空穴缓冲层厚度为80nm；接着旋涂活性层，活性层由浓度为24mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为氯仿，其中P3HT与PCBM的质量为1:4，旋涂的转速为6000rpm，时间为10s，旋涂后在100℃下退火20min，厚度为160nm；蒸镀电子缓冲层，材料为Cs2CO3，厚度为5nm，蒸镀在真空压力为2×10-4Pa下进行，蒸镀速率为0.1nm/s；然后蒸镀阴极，材料为Au，厚度为300nm，蒸镀在真空压力为2×10-4Pa下进行，蒸镀速率为1nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
实施例3
本实施例制备的结构为FTO/PEDOT:PSS:Re2O3:Li2CO3/P3HT:PCBM/CsN3/Ag的太阳能电池器件。
先将FTO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W；在上述基底上旋涂含有PEDOT:PSS、Re2O3及Li2CO3的悬浮液制备空穴缓冲层，悬浮液中PEDOT:PSS的质量分数为5％，Re2O3的质量分数为10%，Li2CO3的质量分数为5％，溶剂为水，其中，PEDOT与PSS的质量比为2：1，旋涂的转速为6000rpm，时间为20s，旋涂烘干，空穴缓冲层厚度为20nm；接着旋涂活性层，活性层由浓度为16mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为二甲苯，其中P3HT与PCBM的质量为1:0.5，旋涂的转速为4000rpm，时间为30s，旋涂后在100℃下退火100min，厚度为200nm；蒸镀电子缓冲层，材料为CsN3，厚度为10nm，蒸镀在真空压力为3×10-3Pa下进行，蒸镀速率为1nm/s；接着蒸镀阴极，材料为Ag，厚度为80nm，蒸镀在真空压力为3×10-3Pa下进行，蒸镀速率为10nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
实施例4
本实施例制备的结构为ITO/PEDOT:PSS:Re2O:Cs2CO3/P3HT:PCBM/Li2CO3/Pt的太阳能电池器件。
先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W；在上述基底上旋涂含有PEDOT:PSS、Re2O及Cs2CO3的悬浮液制备空穴缓冲层，悬浮液中PEDOT:PSS的质量分数为2％，Re2O的质量分数为3％，Cs2CO3的质量分数为3%，溶剂为水，其中，PEDOT与PSS的质量比为3：1，旋涂的转速为1000rpm，时间为60s，旋涂烘干，空穴缓冲层厚度为70nm；旋涂活性层，活性层由浓度为8mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为甲苯，其中P3HT与PCBM的质量为1:2，旋涂的转速为4000rpm，时间为10s，旋涂后在70℃下退火100min，厚度为300nm；蒸镀电子缓冲层，材料为Li2CO3，厚度为1nm，蒸镀在真空压力为8×10-4Pa下进行，蒸镀速率为0.3nm/s；接着蒸镀阴极，材料为Pt，厚度为100nm，蒸镀在真空压力为8×10-4Pa下进行，蒸镀速率为2nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太阳能电池器件，其特征在于，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述空穴缓冲层的材料包括铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料，所述铼的氧化物选自二氧化铼、七氧化二铼、三氧化二铼及氧化二铼中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述空穴缓冲层的厚度为20nm~80nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述空穴缓冲层中所述铼的氧化物与所述电子缓冲材料的质量比为20:1~1:5，所述空穴缓冲材料与所述电子缓冲材料的质量比为10:1~1:5。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述电子缓冲层的材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述阴极的材料选自铝、银、金及铂中的至少一种。
6.一种太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含有铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料的悬浮液旋涂在阳极表面制备空穴缓冲层，所述铼的氧化物选自二氧化铼、七氧化二铼、三氧化二铼及氧化二铼中的至少一种，所述电子缓冲材料选自叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物；
在所述空穴缓冲层的表面旋涂制备活性层，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物；及
在所述活性层表面依次蒸镀制备电子缓冲层及阴极。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述空穴缓冲层的厚度为20nm~80nm。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述空穴缓冲层中所述铼的氧化物与所述电子缓冲材料的质量比为20:1~1:5，所述空穴缓冲材料与所述电子缓冲材料的质量比为10:1~1:5。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：旋涂制备空穴缓冲层时，转速为500rpm~6000rpm，时间为5秒~60秒。
10.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述含有铼的氧化物、电子缓冲材料及空穴缓冲材料的悬浮液中所述铼的氧化物的质量百分含量为1%~10%，电子缓冲材料的质量分数为0.5~5%。
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