有机太阳能电池的新型器件结构.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910189976.0 (22)申请日 2019.03.13 (71)申请人 中国科学院化学研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北一街2 号 (72)发明人 侯剑辉张赟 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所(普通合伙) 11201 代理人 赵天月 (51)Int.Cl. H01L 51/44(2006.01) H01L 51/42(2006.01) (54)发明名称 有机太阳能电池的新型器件结构 (57)摘要 本发明提出了太阳能电池及其制备方法， 。

2、所 述太阳能电池包括： 依次层叠设置的导电层、 活 性层、 透明电极层和金属栅格电极层。 本发明的 太阳能电池兼顾高透光性和高导电性， 性能优 异， 具有广泛的应用前景。 权利要求书1页 说明书7页 附图3页 CN 111697139 A 2020.09.22 CN 111697139 A 1.一种太阳能电池， 其特征在于， 包括： 依次层叠设置的导电层、 活性层、 透明电极层和 金属栅格电极层。 2.根据权利要求1所述的太阳能电池， 其特征在于， 形成所述透明电极层的材料选自下 列的至少之一： 金、 银、 铜、 铝、 ZnO和MoO3， 优选金或银。 3.根据权利要求1所述的太阳能电池， 其。

3、特征在于， 形成所述导电层的材料选自下列的 至少之一： 金、 银、 铜和铝， 优选银或铝。 4.根据权利要求1所述的太阳能电池， 其特征在于， 形成所述金属栅格电极层的材料选 自下列的至少之一： 金、 银和铝。 5.根据权利要求1所述的太阳能电池， 其特征在于， 所述金属栅格电极层是由多个金属 栅格间隔排列形成的， 其中， 每个所述金属栅格之间的间距为36毫米， 每个所述金属栅格的宽度为300 600微米、 厚度为15微米。 6.根据权利要求1所述的太阳能电池， 其特征在于， 所述导电层的厚度为50150纳米， 所述透明电极层的厚度为1020纳米。 7.根据权利要求1所述的太阳能电池， 其特征。

4、在于， 进一步包括： 依次层叠设置的衬底、 导电层、 P型界面修饰层、 活性层、 N型界面修饰层、 透明电极层和金属栅格电极层。 8.根据权利要求7所述的太阳能电池， 其特征在于， 形成所述衬底的材料选自下列的至 少之一： 金属薄板、 金属薄膜、 玻璃、 聚对苯二甲酸乙二酯、 聚萘二甲酸乙二醇酯、 聚酰亚胺、 聚碳酸酯、 聚醚砜和聚乳酸衍生物； 任选地， 形成所述P型界面修饰层的材料包括下列的至少之一： 氧化锌或者PEDOT： PSS； 任选地， 形成所述N型界面修饰层的材料包括下列的至少之一： 三氧化钼、 聚芴类阴极 缓冲层材料或者碱金属氟化物。 9.一种制备权利要求18任一项所述太阳能电池。

5、的方法， 其特征在于， 包括： 依次层叠形成导电层、 活性层、 透明电极层和金属栅格电极层。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111697139 A 2 有机太阳能电池的新型器件结构 技术领域 0001 本发明涉及材料领域。 具体地， 本发明涉及有机太阳能电池的新型器件结构。 背景技术 0002 早在上世纪50年代末， Kallmann和Pope等利用蒽单晶制备了第一个单层的有机光 电转换器件， 因输出功率极低(310-12W)1， 在此后的多年间， 有机光伏领域并未引动广 泛的关注。 直至， 1986年柯达公司的邓青云等首次引入了电子给体和电子受体两种材料， 制 备出双层异质结结构的有机太。

6、阳电池， 电池的光电转换效率约为12， 在有机光伏领域实 现了突破性的进展。 此后， 1995年加州大学圣巴巴拉分校Heeger研究组俞刚等人发明了本 体异质结结构的有机太阳电池3， 本体异质结结构中电子给/受体材料共混并均匀分布于 整个活性层中， 给/受体间的界面面积明显增大， 这一创新型的器件结构为有机太阳电池的 效率提升开辟了一条重要的途径。 自此以后， 以有机材料作为主体材料的有机光伏领域得 到了长足的发展， 尤其是进入21世纪以后， 有机太阳电池的效率不断得到提升， 目前实验室 领域的电池效率已经高达144。 0003 传统的有机太阳电池结构为 “三明治” 结构， 即自下而上， 电池。

7、分为三个部分： 底层 为透明导电电极、 中间层为电子给/受体共混的活性层、 顶层为不透光的金属电极， 一般来 说底层的透明导电电极是覆盖于透明的衬底基材上。 但一般意义上的有机太阳电池仍然采 用透明导电电极一侧即底层来收集太阳光以实现光电转换的目的。 0004 目前的有机太阳能电池领域中底部的透明电极来源可分为以下几种： 0005 1、 在透明电极材料方面， 占据主导地位的是ITO(氧化铟锡， In2O3:SnO2)电极， 为了 保证一定的透光率(大于80)， ITO层的厚度大致在100300纳米左右， 在这种情况下， 电 导率在103Scm-1量级。 一方面， ITO透明电极在作为导电电极制。

8、备小面积电池时， 因电池面 积较小， 电阻带来的损失基本是可以忽略不计； 而当电池面积增加时， 因电阻随之增加而导 致的效率损失比较大。 其二， ITO作为透明导电电极使用时一般是通过溅射工艺将其覆盖于 硬质的玻璃或柔性的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、 PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯) 或PI(聚酰亚 胺)等基底上， 相对而言， 制备工艺较为复杂， 加工成本也略高。 另一方面， ITO因含有元素 铟， 材料本身的成本也较为昂贵。 0006 2、 采用碳材料作为透明导电电极， 包括高分散的碳纳米管、 石墨烯等。 在这方面， 无论是碳纳米管还是石墨烯， 材料本身的低成本、 规模化生产的问题仍然存在诸多。

9、问题， 目 前并不是透明导电电极材料的首选项。 0007 3、 使用高分散的金属纳米线作为透明导电电极， 比如银纳米线。 采用金属纳米线 作为透明导电电极目前的劣势与碳材料类似， 同样存在制备工艺不成熟， 难以规模化生产、 面积增加会导致电阻变大等缺点。 0008 4、 其他材料制备的透明导电电极， 如导电聚合物(PEDOT： PSS)、 掺杂的金属氧化物 (铝掺杂的ZnO， AZO)等。 0009 综上所述， 在兼顾透光率和高导电性的情况下， 上述的透明导电电极材料均存在 说明书 1/7 页 3 CN 111697139 A 3 一些材料本身或是加工工艺方面的固有缺陷。 发明内容 0010 。

10、本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题至少之一。 0011 为此， 在本发明的一个方面， 本发明提出了一种太阳能电池。 根据本发明的实施 例， 所述太阳能电池包括： 依次层叠设置的导电层、 活性层、 透明电极层和金属栅格电极层。 根据本发明实施例的太阳能电池顶层的透明电极层承担太阳光入射和电荷收集功能， 中间 的活性层负责收集光子并将其转换为电荷， 底层的导电层同样起到收集电荷的作用。 由于 为了提高透光性， 透明电极层的厚度较低， 进而导致其导电性差。 通过在透明电极层表面添 加金属栅格， 以便提高导电性， 从而兼顾高透光性和高导电性， 赋予太阳能电池优异性能。 0012 根。

11、据本发明的实施例， 所述太阳能电池还可以具有下列附加技术特征： 0013 根据本发明的实施例， 形成所述透明电极层的材料选自下列的至少之一： 金、 银、 铜、 铝、 ZnO和MoO3， 优选金或银。 上述材料具有透光性和导电性， 从而赋予太阳能电池优异 性能。 并且， 容易获得、 价格低廉。 0014 根据本发明的实施例， 形成所述导电层的材料选自下列的至少之一： 金、 银、 铜和 铝， 优选银或铝。 上述材料具有较好的导电性， 从而赋予太阳能电池优异性能。 0015 根据本发明的实施例， 形成所述金属栅格电极层的材料选自下列的至少之一： 金、 银和铝。 由此， 能够进一步提高透明电极层的导电。

12、性。 0016 根据本发明的实施例， 所述金属栅格电极层是由多个金属栅格间隔排列形成的， 其中， 每个所述金属栅格之间的间距为36毫米， 每个所述金属栅格的宽度为300600微 米、 厚度为15微米。 0017 为了方便理解， 图1显示了根据本发明一个实施例的太阳能电池， 其中， 金属栅格 电极层400是由多个金属栅格410间隔排列形成的， 每个金属栅格之间的间距为a， 每个金属 栅格的宽度为b， 厚度为c。 采用上述形成透明电极层的材料制成的透明电极层为了达到较 好的透光性， 需要将厚度设置得较薄些， 但是， 过薄的电极层会造成导电性差。 因此， 发明人 在透明电极层表面形成金属栅格层， 以。

13、便提高导电性。 通过对金属栅格的尺寸以及间隔位 置进行设置， 以便在提高导电性的同时不影响透光性以及电池的性能， 从而赋予太阳能电 池以优异性能。 0018 需要说明的是， 本申请所使用的术语 “间距” 是指每个金属栅格的中心之间的距 离。 0019 根据本发明的实施例， 形成所述活性层的材料选自共轭聚合物给体和富勒烯受 体。 由此， 以便更好地吸收的光子并转换为电荷。 0020 根据本发明的实施例， 所述导电层的厚度为50150纳米， 所述透明电极层的厚度 为 1020纳米。 由此， 根据本发明实施例的太阳能电池兼具透光率高和导电性强， 性能优 异。 0021 根据本发明的实施例， 根据本发。

14、明实施例的太阳能电池进一步包括： 依次层叠设 置的衬底、 导电层、 P型界面修饰层、 活性层、 N型界面修饰层、 透明电极层和金属栅格电极 层。 由此， 可以进一步提高太阳能电池的性能。 0022 根据本发明的实施例， 形成所述衬底的材料选自下列的至少之一： 金属薄板、 金属 说明书 2/7 页 4 CN 111697139 A 4 薄膜、 玻璃、 聚对苯二甲酸乙二酯、 聚萘二甲酸乙二醇酯、 聚酰亚胺、 聚碳酸酯、 聚醚砜和聚 乳酸衍生物。 由此， 以便起到支撑作用， 且不影响导电层的导电性。 0023 根据本发明的实施例， 形成所述P型界面修饰层的材料包括下列的至少之一： 氧化 锌或者PED。

15、OT： PSS。 由此， 以便进一步提高太阳能电池的性能。 0024 根据本发明的实施例， 形成所述N型界面修饰层的材料包括下列的至少之一： 三氧 化钼、 聚芴类阴极缓冲层材料(例如PFN、 PFNBr)或者碱金属氟化物(例如LiF)。 由此， 以便进 一步提高太阳能电池的性能。 0025 在本发明的另一方面， 本发明提出了一种制备前面所述太阳能电池的方法。 根据 本发明的实施例， 所述方法包括： 依次层叠形成导电层、 活性层、 透明电极层和金属栅格电 极层。 由此， 根据本发明实施例的方法所得到的太阳能电池兼具透光率高以及导电性强， 从 而赋予太阳能电池以优异性能。 0026 本发明的附加方。

16、面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0027 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解， 其中： 0028 图1显示了根据本发明一个实施例的太阳能电池的结构示意图； 0029 图2显示了根据本发明实施例1制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特 性曲线； 0030 图3显示了根据本发明实施例2制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特 性曲线； 0031 图4显示了根据本发明实施例3制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特 性曲线。 0032 附图标记： 。

17、0033 100： 导电层； 200： 活性层； 300： 透明电极层； 400： 金属栅格电极层； 410： 金属栅格； a： 每个金属栅格之间的间距； b： 每个金属栅格的宽度； c： 每个金属栅格的厚度。 具体实施方式 0034 下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。 本领域技术人员将会理解， 下面的 实施例仅用于说明本发明， 而不应视为限定本发明的范围。 实施例中未注明具体技术或条 件的， 按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。 所用试剂或仪 器未注明生产厂商者， 均为可以通过市购获得的常规产品。 0035 实施例1 0036 以PTB7-Th为聚合物给体和PC。

18、BM71为富勒烯衍生物受体制备新型结构的有机太阳 能电池。 0037 制备流程如下： 0038 1、 将玻璃基片或柔性PET基片切成合适的大小并清洗干净。 清洗流程为清水中加 入适量表面活性剂超声清洗1015分钟， 重复1次； 清水冲洗干净后， 以去离子水超声清洗 说明书 3/7 页 5 CN 111697139 A 5 1015分钟， 重复1次； 分析纯丙酮超声清洗1015分钟， 重复1次； 分析纯异丙醇超声清洗 1015分钟， 重复1次， 待用。 0039 2、 基片以高纯氮气吹干或烘箱烘干后移入真空镀膜机中， 蒸镀厚度为100纳米的 金属银薄膜作为导电电极层。 0040 3、 在玻璃基片。

19、上采用匀胶甩膜的方式制备氧化锌薄膜层， 并在200条件下热退 火1 小时， 之后将基片移入高纯氮气保护的手套箱中备用。 0041 4、 有机太阳能电池活性层共混溶液的配制： 聚合物给体(PTB7-Th)和富勒烯受体 (PC71BM)二者重量比(D/A)1:1.5， 溶剂为超干氯苯， 以PTB7-Th计算， 其浓度为10 毫克/毫 升(mg/ml)， 整个溶液在60加热条件下磁力搅拌约5小时后， 待给/受体材料完全溶解后备 用。 0042 PTB7-Th为聚(4,8-双-(5-(2-乙基己基噻吩)-2-基)苯并1,2-b； 4,5-b 二噻 吩-2,6-二基)-alt-(4-(2-乙基己基)-3。

20、-氟噻吩并3,4-b噻吩-)-2-甲酸酯-2-6-二基， PC71BM为6,6苯基 C71丁酸甲酯， 具体结构式如下： 0043 0044 5、 在共混溶液中加入体积比为3的1,8-二碘辛烷作为添加剂， 继续在60加热 条件下磁力搅拌30分钟， 转速为1700转/分钟， 然后甩膜50秒， 制备活性层薄膜。 0045 6、 制备完活性层薄膜的基片转移入真空镀膜机的真空腔室中抽真空， 蒸镀N型界 面修饰层。 本实施例中选择三氧化钼作为N型界面层材料， 蒸镀条件为： 真空度约4e-4Pa， 蒸 镀速度约1埃/10秒； 界面层厚度控制在58纳米。 0046 7、 取出蒸镀完三氧化钼的基片， 以乙醇擦出。

21、电池阳极， 之后再转移入真空镀膜机 的真空腔室中抽真空， 蒸镀透明导电电极层。 本实施例中选择金作为透明导电电极层材料， 蒸镀条件为： 真空度约4e-4Pa， 蒸镀速度约0.2纳米/10秒； 透明导电电极层厚度控制在10 20纳米。 0047 8、 蒸镀栅格电极， 本实施例中栅格的间距a为5毫米， 栅格宽度b为500微米， 厚度 c 为2微米， 栅格材料为金属铝。 0048 实施例2 0049 以PBDB-T为聚合物给体和ITIC为非富勒烯受体制备新型结构的有机太阳能电池。 0050 制备流程如下： 说明书 4/7 页 6 CN 111697139 A 6 0051 1、 将玻璃基片或柔性PE。

22、T基片切成合适的大小并清洗干净。 清洗流程为清水中加 入适量表面活性剂超声清洗1015分钟， 重复1次； 清水冲洗干净后， 以去离子水超声清洗 1015分钟， 重复1次； 分析纯丙酮超声清洗1015分钟， 重复1次； 分析纯异丙醇超声清洗 1015分钟， 重复1次， 待用。 0052 2、 基片以高纯氮气吹干或烘箱烘干后移入真空镀膜机中， 蒸镀厚度为100纳米的 银薄膜作为导电电极层。 0053 3、 以紫外臭氧清洁机(UVO)处理附着银薄膜层的基片15分钟。 0054 4、 在基片上采用匀胶甩膜的方式制备氧化锌薄膜层， 并在200条件下热退火1小 时， 之后将基片移入高纯氮气保护的手套箱中备。

23、用。 0055 5、 有机太阳能电池活性层共混溶液的配制： 聚合物给体(PBDB-T)和富勒烯受体 (ITIC) 二者重量比(D/A)1:1， 溶剂为超干氯苯， 以聚合物PBDB-T计算， 其浓度为10毫克/ 毫升(mg/ml)， 整个溶液在40加热条件下磁力搅拌约5小时后， 待给/受体材料完全溶解后 备用。 0056 PBDB-T为聚(2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2基)苯并1,2-b:4,5-b -二 噻吩)-(1,3-二 (5-噻吩-2基)-5,7-双(2-乙基己基)苯并1,2-c:4,5-c 二噻吩-4,8-二 酮)， ITIC为双-(2-甲烯基-(3-1,1-甲烯丙。

24、二腈茚酮)-5,5,11,11-四-(4-己基苯)-噻吩 3,2-b并噻吩吲哒省二噻吩， 具体结构式如下： 0057 0058 6、 在共混溶液中加入体积比为0.5的1,8-二碘辛烷作为添加剂， 继续在40加 热条件下磁力搅拌30分钟， 转速为2500转/分钟， 然后甩膜50秒， 之后基片在160条件下热 退火10分钟， 制备活性层薄膜。 0059 7、 退火完成后的活性层薄膜的基片转移入真空镀膜机的真空腔室中抽真空， 蒸镀 N 型界面修饰层。 本实施例中选择三氧化钼作为N型界面层材料， 蒸镀条件为： 真空度约 4e-4Pa， 蒸镀速度约1埃/10秒； 界面层厚度控制在58纳米。 0060 8。

25、、 取出蒸镀完三氧化钼的基片， 以乙醇擦出电池阳极， 之后再转移入真空镀膜机 的真空腔室中抽真空， 蒸镀透明导电电极层。 本实施例中金作为透明导电电极层材料， 蒸镀 条件为： 真空度约4e-4Pa， 蒸镀速度约0.2纳米/10秒； 透明导电电极层厚度控制在1020纳 米。 0061 9、 蒸镀栅格电极， 本实施例中栅格的间距为5毫米， 栅格宽度为500微米， 厚度为2 微米， 栅格材料为金属铝。 0062 实施例3 说明书 5/7 页 7 CN 111697139 A 7 0063 按照实施例2的方法制备有机太阳能电池， 区别在于， 步骤2中， 将蒸镀100纳米厚 度的金属银薄膜更换为蒸镀10。

26、0纳米厚度的金属铝薄膜。 0064 实施例4有机太阳能电池测试 0065 在填充N2的手套箱中使用氙灯太阳模拟器的AM1.5G强度(100mW/cm2)下对实施例 13所制备的太阳能电池器件的开路电压、 短路电流以及填充因子这三个参数进行测试， 氙灯太阳能模拟器在国家可再生能源实验室(NREL)中使用硅二极管(具有KG5可见滤光器) 校正。 根据实施例13的条件制备的具备新型结构的有机太阳能电池的测试结果参见表1 3。 可以看出， 本发明的有机太阳能电池可以采用对于基质材质的要求不高， 柔性或刚性 材质均适用， 对于未来有机太阳能电池的批量化生产具备巨大的潜力优势， 另一方面采用 本发明制备的。

27、有机太阳能电池转换效率较高， 性能优异。 0066 表1实施例1所制备的太阳能电池 0067 0068 表2实施例2所制备的太阳能电池 0069 0070 表3实施例3所制备的太阳能电池 0071 0072 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的。

28、方式结合。 此外， 在不相互矛盾的情况下， 本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。 0073 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 0074 参考文献 0075 1Kallmann,H.,Pope,M.Journal of Chemical Physics.1959,30,585. 0076 2Tang ,C .W .,Two-layer organic photovolt。

29、aic cellJ 说明书 6/7 页 8 CN 111697139 A 8 .Appl.Phys.Lett.1986,48,183-185. 0077 3Yu ,G .； Gao ,J .； Hummelen ,J .C .； Wudl ,F .； Heeger ,A .J .,Polymer photovoltaic cells-enhanced efficiencies via a network of internal donor- acceptor heterojunctionsJ.Science.1995,270, 1789-1791. 0078 4Shaoqing Zhang,Yunpeng Qin,Jie Zhu,Jianhui Hou.A chlorinated polymer donor ena bles over 14efficiency in polymer solar cells.Adv.Mater.DOI:10.1002/adma.201800868。 说明书 7/7 页 9 CN 111697139 A 9 图1 说明书附图 1/3 页 10 CN 111697139 A 10 图2 图3 说明书附图 2/3 页 11 CN 111697139 A 11 图4 说明书附图 3/3 页 12 CN 111697139 A 12 。