CN206834208U - 一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池 - Google Patents
一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池 Download PDFInfo
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Abstract
一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层、阳极修饰层、三元板式光活性层、阴极缓冲层、透明导电阴极层和衬底层。通过优化电池的光活性层结构,将电子给体,第一电子受体和第二电子受体做成垂直于衬底层的三元板式结构。本实用新型提出的三元板式光活性层,一方面增加了材料的接触面层,能够产生更多的载流子,另一方面能减少载流子在迁徙中的湮灭,最终提高了太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能电池领域,特别涉及一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池。
背景技术
因为日益严重的环境污染问题,传统能源面临逐步枯竭的困境,光伏发电作为替代能源已经人们关注的重点,特别是有机太阳能电池。这种太阳能电池具有环境友好,质量轻、可弯曲等诸多优点,因而成为过去十年间人们研究的重点。有机太阳能电池是典型的三明治结构:透明导电材料作为阳极,低功函数的金属作为阴极,中间则是共轨聚合物给体和受体的混合层。近年来,有机三元太阳能电池引起人们越来越浓厚的兴趣,相比于二元电池,三元电池在光吸收能力上的增强使得它们的能量转换效率较高。
2014年,IBM研究院发明了一款微观(microscopic)3D打印机,可以在柔软的聚合物雕刻上纳米级分辨率图案,随后扩展在硅,III-V(砷化镓),或是石墨烯基板等材料进行雕刻。它可以像纳米级分辨率的铣床一样运作,在有机化合物上雕刻出纳米级的沟槽。
常见的有机三元光活性层主要有结构形式,是将一种电子给体材料和两种电子受体材料混合后制成薄膜,这种体相异质光活性层,虽然接触面积较大,但是空穴和电子在向电极迁徙中容易湮灭,影响电池的光电转换效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本实用新型提供一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,该电池与传统三元有机薄膜电池的区别是,将电子给体,第一电子受体和第二电子受体做成垂直于衬底层的分层结构,降低空穴和电子在向电极迁徙中相互湮灭的比例,能够提高提高光电转换效率。
一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层1、阳极修饰层2、三元板式光活性层3、阴极缓冲层4、透明导电阴极层5和衬底层6。
所述金属阳极层1的材料是:金属银,其薄膜厚度为1-5μm。
所述阳极修饰层2的材料是:氧化钨,其薄膜厚度为80-150nm。
所述的光活性层3的材料是:聚苯并二噻吩:富勒烯衍生物:Bis(1-3-[(甲氧羰基)丙基]-1-苯基)-[6,6]-C70,其薄膜厚度为200-250nm。
所述阴极缓冲层4的材料是:氧化锌,其薄膜厚度为80-150nm。
所述透明导电阴极层5的材料是:导电氧化铟锡薄膜,其薄膜厚度为120-250nm。
所述衬底层6的材料是:聚对苯二甲酸乙二脂,其薄膜厚度为0.1-1.0mm。
银的元素符号为Ag,氧化钨符号为WO3,聚苯并二噻吩符号为PTB7,富勒烯衍生物符号为PC70BM,Bis(1-3-[(甲氧羰基)丙基]-1-苯基)-[6,6]-C70符号为Bis-PC70BM,氧化锌符号为ZnO,导电氧化铟锡薄膜符号为ITO,聚对苯二甲酸乙二脂符号为PET。
所述金属阳极层1为厚度为3μm 的Ag,所述阳极修饰层2为100nm 的WO3,所述光活性层3为包括电子给体8,第一电子受体7和第二电子受体9组成的三元板式光活性层结构,厚度为200nm;所述阴极缓冲层4为140nm的ZnO,所述透明导电阴极层5和衬底层6总厚度为0.125mm的PET-ITO。
所述的三元板式结构光活性层,电子给体8和第一电子受体7的分界面与衬底层6垂直,电子给体8和第二电子受体9的分界面与衬底层6垂直。
所述的三元板式结构光活性层,电子给体8的材料为PTB7,第一电子受体7的材料为PC70BM,第二电子受体9的材料为Bis-PC70BM。
本实用新型所提出的三元板式有机太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:
(1)在100mmX100mm,厚度为0.125mm的PET-ITO基板上(珠海凯为光电科技有限公司,PET双面加硬处理,透光率85%,45ohm/sq)刻蚀成具有一定宽度的细条状,清洗干净并烘干待用;
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中,浓度为50mg/mL,然后旋涂在ITO透明导电薄膜上,匀胶机转速为4500rpm(转/分),匀胶时间为30s,形成一层厚度为80-150nm的ZnO,并在200°C下加热30min固化,冷却;
(3) 三种材料PTB7,PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种,在阴极缓冲层上制备薄膜层,控制厚度为80-250nm,120 °C下加热15min固化,冷却,得到固化的薄膜;
(4)从电池任意侧边开始,从距离侧边5-15nm处开始,按照15-45nm的间隔,在(3)中得到的薄膜上用微观3D打印机雕刻宽度为5-15nm,深度为80-250nm的直槽;
(5) 在(3)中除制成薄膜的材料,三种材料PTB7,PC70BM和Bis-PC70BM中剩下的两种材料任意选用一种材料配成溶液,用匀胶机将直槽填平,120 °C下加热15min固化,冷却得到固化的薄膜;
(6)与(4)中的一致的电池侧边开始,从距离侧边10-30nm处开始,按照15-45nm的间隔,在(5)中得到的薄膜上用微观3D打印机雕刻宽度为5-15nm,深度为80-250nm的直槽,直槽与(4)中直槽方向平行;
(7) 除去(3)和(5)使用的两种材料 ,三种材料中PTB7,PC70BM和Bis-PC70BM未使用材料配成溶液,用匀胶机将直槽填平,120 °C下加热15min固化,冷却,得到三元板式光活性层;
(8)从与(4)中直槽垂直的电池任意侧边开始,从距侧边10nm开始,按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm,深度为50nm的直槽;
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层,控制匀胶机转速为1500rpm,匀胶时间20s,使膜厚80-150nm,在150 °C下加热 30min固化,冷却;
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料,其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%,形成厚度为1-5μm的膜,并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化;
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火,得到有机太阳能电池。
本实用新型的有益效果:
本实用新型提供的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,通过优化电池的光活性层结构,将电子给体,第一电子受体和第二电子受体构建垂直于衬底层的三元板式结构,这种结构可以有效增加电子给体材料和电子受体材料的接触面积,减少空穴和电子在迁徙过程中的相互湮灭比例,提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为三元板式光活性层结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例详述本实用新型。
如图1所示:一种三元板式光活性层的有机薄膜太阳能电池,包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层1、阳极修饰层2、三元板式光活性层3、阴极缓冲层4、透明导电阴极层5和衬底层6。
本实用新型所提供的三元板式光活性层有机太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:
(1)在PET-ITO基板上刻蚀成具有一定宽度的细条状,清洗干净并烘干待用;
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO的溶液旋涂在ITO透明导电薄膜上,形成阴极缓冲层;
(3) 三种材料PTB7,PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种,在阴极缓冲层上制备薄膜层,120 °C下加热15min固化,冷却;
(4)从电池任意侧边开始,用微观 3D打印机雕刻宽度直槽;
(5) 在(3)中除制成薄膜的材料,三种材料PTB7,PC70BM和Bis-PC70BM中剩下的两种材料任意选用一种材料配成溶液,用匀胶机将直槽填平,120 °C下加热15min固化,冷却;
(6)与(4)中电池侧边一致,用微观3D打印机雕刻宽度为直槽,直槽与(4)中直槽方向平行;
(7) 除去(3)和(5)使用的两种材料 ,三种材料PTB7,PC70BM和Bis-PC70BM中未使用材料配成溶液,用匀胶机将直槽填平,120 °C下加热15min固化,冷却;
(8)从与(4)中直槽垂直的电池任意侧边开始,用微观3D打印机雕刻宽度直槽;
(9)在光活性层上面旋涂一层PEDOT:PSS层,制备薄膜在150 °C下加热 30min固化,冷却;
(10)在PEDOT:PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料,制备金属阳极,并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化;
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火,得到有机太阳能电池。
实施例1:
(1)在100mmX100mm,厚度为0.125mm的PET-ITO基板上(珠海凯为光电科技有限公司,PET双面加硬处理,透光率85%,45ohm/sq)刻蚀成具有一定宽度的细条状,清洗干净并烘干待用;
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中,浓度为50mg/mL,然后旋涂在ITO透明导电薄膜上,匀胶机转速为4500rpm(转/分),匀胶时间为30s,形成一层厚度为80nm的ZnO,并在200°C下加热30min固化,冷却;
(3)在ZnO层上滴加含PTB7,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,匀胶时间为30s,控制厚度为80nm,120 °C下加热15min固化,冷却;
(4)从电池任意侧边开始,从离侧边距离为5nm的位置开始,按照15nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为5nm,深度为80nm的直槽;
(5)在PTB7层上滴加含PC70BM,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,直到直槽填平后停止,120 °C下加热15min固化,冷却;
(6)与(4)中的开始电池侧边一致,从离侧边距离为10nm的位置开始,按照15nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为5nm,深度为80nm的直槽,直槽与(4)中直槽方向平行;
(7)在PTB7层上滴加含Bis-PC70BM,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,直到直槽填平后停止,120 °C下加热15min固化,冷却,得到三元板式光活性层;
(8)从与(4)中直槽垂直的电池任意侧边开始,从离侧边距离为10nm的位置开始,按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm,深度为50nm的直槽;
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层,控制匀胶机转速为1500rpm,匀胶时间20s,使膜厚80nm,在150 °C下加热 30min固化,冷却;
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料,其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%,形成厚度为1μm的膜,并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化;
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火,得到有机太阳能电池。
实施例2:
(1)在100mmX100mm,厚度为0.125mm的PET-ITO基板上(珠海凯为光电科技有限公司,PET双面加硬处理,透光率85%,45ohm/sq)刻蚀成具有一定宽度的细条状,清洗干净并烘干待用;
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中,浓度为50mg/mL,然后旋涂在ITO透明导电薄膜上,匀胶机转速为4500rpm(转/分),匀胶时间为30s,形成一层厚度为250nm的ZnO,并在180 °C下加热35min固化,冷却;
(3)在ZnO层上滴加含PC70BM,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为3500rpm,匀胶时间为35s,控制厚度为250nm,120 °C下加热15min固化,冷却;
(4)从电池任意侧边开始,从离侧边距离为15nm的位置开始,按照45nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为15nm,深度为250nm的直槽;
(5)在PC70BM层上滴加含PTB7,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,直到直槽填平后停止,120 °C下加热15min固化,冷却;
(6)与(4)中的开始位置一致,从离侧边距离为30nm的位置开始,按照45nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为15nm,深度为250nm的直槽,直槽与(4)中直槽方向平行;
(7)在PC70BM层上滴加含Bis-PC70BM,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,直到直槽填平后停止,120 °C下加热15min固化,冷却,得到三元板式光活性层;
(8)从与(4)中直槽垂直的电池任意侧边开始,从离侧边距离为10nm的位置开始,按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm,深度为50nm的直槽;
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层,控制匀胶机转速为1500rpm,匀胶时间20s,使膜厚150nm,在150 °C下加热 30min固化,冷却;
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料,其中浆料的组成以质量比计为:粒径为1μm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%,形成厚度为5μm的膜,并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化;
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火,得到有机太阳能电池。
实施例3:
(1)在100mmX100mm,厚度为0.125mm的PET-ITO基板上(珠海凯为光电科技有限公司,PET双面加硬处理,透光率85%,45ohm/sq)刻蚀成具有一定宽度的细条状,清洗干净并烘干待用;
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中,浓度为50mg/mL,然后旋涂在ITO透明导电薄膜上,匀胶机转速为4500rpm(转/分),匀胶时间为30s,形成一层厚度为140nm的ZnO,并在180 °C下加热35min固化,冷却;
(3)在ZnO层上滴加含Bis-PC70BM,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4500rpm,匀胶时间为35s,控制厚度为200nm,120 °C下加热15min固化,冷却;
(4)从电池任意侧边开始,从离侧边距离为10nm的位置开始,按照30nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm,深度为200nm的直槽;
(5)在Bis-PC70BM层上滴加含PTB7,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,直到直槽填平后停止,120 °C下加热15min固化,冷却;
(6)与(4)中的开始位置一致,从离侧边距离为20nm的位置开始,按照30nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm,深度为200nm的直槽,直槽与(4)中直槽方向平行;
(7)在Bis-PC70BM层上滴加含PC70BM,总浓度为15mg/mL的氯苯溶液,控制匀胶机的转速为4000rpm,直到直槽填平后停止,120 °C下加热15min固化,冷却,得到三元板式光活性层;
(8)从与(4)中直槽垂直的电池任意侧边开始,从离侧边距离为10nm的位置开始,按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm,深度为50nm的直槽;
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层,控制匀胶机转速为1500rpm,匀胶时间20s,使膜厚100nm左右,在150 °C下加热 30min固化,冷却;
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料,其中浆料的组成以质量比计为:粒径为1μm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%,形成厚度为3μm的膜,并置于手套箱中在100 °C下加热50min固化;
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火,得到有机太阳能电池。
以上所述仅为本实用新型的具有代表性的实施例,不以任何方式限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于,包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层(1)、阳极修饰层(2)、三元板式光活性层(3)、阴极缓冲层(4)、透明导电阴极层(5)和衬底层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于,所述金属阳极层(1)为厚度为3μm的Ag层,所述阳极修饰层(2)为l00nm的W03,所述光活性层(3)为包括电子给体材料PTB7,第一电子受体材料PC70BM和第二电子受体材料 BisPC70BM三元板式结构的光活性层,厚度为200nm,所述阴极缓冲层(4)为200nm的 ZnO,所述透明导电阴极层(5)和衬底层(6)总厚度为0.125mm的PET-ITO。
3.根据权利要求2所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于,所述三元板式结构的光活性层,由相互平行的电子给体层(8),第一电子受体层(7)和第二电子受体层(9)构成。
4.根据权利要求3所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于第一电子受体层(7)与电子给体层(8)的分界面与衬底层垂直。
5.根据权利要求3所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于第二电子受体层(9)与电子给体层(8)的分界面与衬底层垂直。
6.根据权利要求3所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于,所述的电子给体层(8),宽度为5-15nm,高度为80-250nm。
7.根据权利要求3所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于,所述的第一电子受体层(7),宽度为5-15nm,高度为80-250nm。
8.根据权利要求3所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池,其特征在于,所述的第二电子受体层(9),宽度为5-15nm,高度为80-250nm。
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CN106449995A (zh) * | 2016-12-19 | 2017-02-22 | 李瑞锋 | 一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法 |
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