太陽能電池器件及其制備方法

太陽能電池器件及其制備方法
【專利摘要】一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述電子緩沖層的材料包括電子緩沖材料及富勒烯衍生物，所述電子緩沖材料選自氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種，所述富勒烯衍生物選自C60、[6，6]-苯基-C61-丁基酸甲酯、C70及[6，6]-苯基-C71-丁基酸甲酯中的至少一種。該太陽能電池器件的能量轉換效率較高。此外，還提供了一種太陽能電池器件的制備方法。
【專利說明】太陽能電池器件及其制備方法
【【技術領域】】
[0001 ] 本發明涉及一種太陽能電池器件及其制備方法。
【【背景技術】】
[0002]太陽能電池器件由于具有廉價、清潔、可再生等優點而得到了廣泛的應用。目前常用的太陽能電池器件結構包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極。活性層的激子分離產生空穴和電子后，空穴到達陽極，電子到達陰極，從而被電極收集，形成有效的能量轉換。目前常用的太陽能電池中空穴的傳輸速度比電子的傳輸速度高很多，使得空穴與電子的傳輸速度不平衡，從而導致太陽能電池的能量轉換效率較低。
【
【發明內容】
】
[0003]基于此，有必要提供一種能量轉換效率較高的太陽能電池器件及其制備方法。
[0004]一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述電子緩沖層的材料包括電子緩沖材料及富勒烯衍生物，所述電子緩沖材料選自氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種，所述富勒烯衍生物選自C6(l、[6,6]-苯基-C6「丁基酸甲酯、C7tl及[6,6]-苯基-C71- 丁基酸甲酯中的至少一種。
[0005]在優選的實施例中，所述電子緩沖層的厚度為20nnTl00nm。
[0006]在優選的實施例中，所述電子緩沖層中所述電子緩沖材料與所述富勒烯衍生物的質量比為I: I~1:60。
`[0007]在優選的實施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
[0008]在優選的實施例中，所述陰極的材料選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種。
[0009]一種太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟:
[0010]在陽極表面依次旋涂制備空穴緩沖層及活性層，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物；
[0011]在所述活性層表面旋涂含有電子緩沖材料及富勒烯衍生物的懸浮液制備電子緩沖層，所述電子緩沖材料選自氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種，所述富勒烯衍生物選自C6Q、[6，6]_苯基-C61-丁基酸甲酯、C7tl及[6，6]_苯基-C71-丁基酸甲酯中的至少一種；及
[0012]在所述電子緩沖層的表面蒸鍍制備陰極。
[0013]在優選的實施例中，所述電子緩沖層的厚度為20nnTl00nm。
[0014]在優選的實施例中，所述電子緩沖層中所述電子緩沖材料與所述富勒烯衍生物的質量比為I: I~1:60。
[0015]在優選的實施例中，所述含有電子緩沖材料及富勒烯衍生物的懸浮液中所述富勒烯衍生物的質量百分含量為5%~30%。[0016]在優選的實施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3，4-二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
[0017]上述太陽能電池器件及其制造方法，通過設置由電子緩沖材料和富勒烯衍生物摻雜形成的電子緩沖層，富勒烯衍生物的電子傳輸速率較高，與活性層的材料是同系物，性質接近，兩層之間的能級差相差較小，幾乎不存在能量勢壘，同時，富勒烯衍生物的電子傳輸速率較高，可提高電子傳輸速率，使空穴與電子的傳輸速率達到平衡，最終提高太陽能電池器件的能量轉換效率；電子緩沖層由旋涂制備，一方面，旋涂工藝簡單可控，同時，活性層也采用的是旋涂，因此，可使兩層的相容性得到加強，摻雜工藝比單獨蒸鍍電子緩沖層更簡單，對厚度要求較低，制備工藝簡單。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0018]通過附圖中所示的本發明的優選實施例的更具體說明，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。
[0019]圖1為一實施例的太陽能電池器件的結構示意圖；
[0020]圖2為一實施例的太陽能電池器件的制備方法的流程圖；
[0021]圖3為實施例1的太陽能電池器件的電流密度與電壓關系圖。
【【具體實施方式】】
[0022]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
`[0023]請參閱圖1，一實施例的太陽能電池器件100包括依次層疊的陽極10、空穴緩沖層20、活性層30、電子緩沖層40及陰極50。
[0024]陽極10為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃(FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0025]空穴緩沖層20形成于陽極10表面。空穴緩沖層20的材料為聚3，4_ 二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物。其中PEDOT與PSS的質量比為2:1~6:1，優選為6:1。空穴緩沖層20的厚度為20nnT80nm，優選為40nm。
[0026]活性層30形成于空穴緩沖層20表面。活性層30的材料為聚3_己基噻吩(P3HT)與富勒烯的丁酸甲酯衍生物(PCBM)的混合物。其中P3HT:PCBM的質量為1:0.5~1:4優選為1:0.8。活性層30的厚度為80nnT300nm，優選為200nm。
[0027]電子緩沖層40形成于活性層30表面。電子緩沖層40的材料為電子緩沖材料與富勒烯衍生物的混合物。其中電子緩沖材料與富勒烯衍生物的質量比為1:廣1:60。電子緩沖材料選自氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)或碳酸銫(Cs2CO3)中的至少一種。富勒烯衍生物選自C6Q、[6，6]-苯基-C61-丁基酸甲酯(PC61BM)、C7Q或[6，6]-苯基-C71-丁基酸甲酯(PC71BM)中的至少一種。電子緩沖層40的厚度為20nm~lOOnm。C7tl為富勒烯的一種衍生物。[0028]陰極50形成于電子緩沖層40表面。陰極50的材料選自鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少一種，優選為Al。陰極50的厚度為80nnT200nm，優選為150nm。
[0029]該太陽能電池器件100，通過設置由電子緩沖材料和富勒烯衍生物摻雜形成的電子緩沖層40，富勒烯衍生物的電子傳輸速率較高，與活性層30的材料是同系物，性質接近，兩層之間的能級差相差較小，幾乎不存在能量勢壘，同時，富勒烯衍生物的電子傳輸速率較高，可提高電子傳輸速率，使空穴與電子的傳輸速率達到平衡，最終提高太陽能電池器件100的能量轉換效率。
[0030]請同時參閱圖2，一實施例的太陽能電池器件100的制備方法，其包括以下步驟:
[0031]步驟S110、在陽極10表面依次旋涂制備空穴緩沖層20及活性層30。
[0032]陽極10為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃(FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0033]本實施方式中，對陽極10前處理包括去除陽極10表面的有機污染物及對陽極10進行等氧離子處理。將陽極10采用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇、異丙酮各超聲波清洗15min，以去除基底10表面的有機污染物；對陽極10進行等氧離子處理時間為5mirTl5min，功率為 10~50W。
[0034]空穴緩沖層20由PED0T:PSS的水溶液旋涂在陽極10表面制成。旋涂的轉速為2000rpm~6000rpm，時間為IOs~30s。其中PEDOT與PSS的質量比為2:1~6:1，優選為6:1。PEDOT:PSS的質量濃度為1%~5%，優選為1.3%。旋涂后，在100°C~200°C下加熱15~60min，優選的，旋涂后在200°C下加熱30min。空穴緩沖層20的厚度為20nnT80nm，優選為40nm。
[0035]活性層30由活性層溶液旋涂在空穴緩沖層20表面制成。旋涂的轉速為4000rpnT6000rpm,時間為 IOs~30s。活性層溶液中活性層材料的濃度為8mg/ml~30mg/ml,優選為18mg/ml。活性層溶液的溶劑選自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一種，活性層材料為聚3-己基噻吩(P3HT)與富勒烯的丁酸甲酯衍生物(PCBM)的混合物。其中P3HT:PCBM的質量為1:0.5~1:4優選為1:0.8。旋涂活性層30在充滿惰性氣體的手套箱中進行，之后在50°C~200°C下退火5分鐘~100分鐘，或在室溫下放置24~48小時，優選在200°C下退火5分鐘。活性層30的厚度為80nnT300nm，優選為200nm。
[0036]步驟S120、在活性層30表面旋涂含有電子緩沖材料及富勒烯衍生物的懸浮液制備電子緩沖層40，電子緩沖材料選自氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)或碳酸銫(Cs2CO3)中的至少一種，富勒烯衍生物選自C6Q、[6,6]-苯基-C61- 丁基酸甲酯(PC61BM)、C7Q或[6，6]-苯基-C71-丁基酸甲酯(PC71BM)中的至少一種。
[0037]優選的，電子緩沖材料與富勒烯衍生物的質量比為1:廣1:60。
[0038]優選的，含有電子緩沖材料及富勒烯衍生物的懸浮液中富勒烯衍生物的質量百分含量為5%~30%。溶劑選自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一種。
[0039]優選的，旋涂的轉速為500rpnT6000rpm，時間為5s飛Os。旋涂后烘干得到的電子緩沖層40的厚度為20nnT80nm。
[0040]步驟S130、在電子緩沖層40表面蒸鍍制備陰極50。
[0041]陰極50形成于電子緩沖層40表面。陰極50的材料選自鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少一種，優選為Al。陰極50的厚度為80nnT200nm，優選為150nm。蒸鍍在真空壓力為5 X 10_3~2 X KT4Pa下進行，蒸鍍速率為lnm/s~10nm/s。[0042]上述太陽能電池器件制備方法，電子緩沖層由旋涂制備，一方面，旋涂工藝簡單可控，同時，活性層也采用的是旋涂，因此，可使兩層的相容性得到加強，摻雜工藝比單獨蒸鍍電子緩沖層更簡單，對厚度要求較低，制備工藝簡單。
[0043]以下結合具體實施例對本發明提供的太陽能電池器件的制備方法進行詳細說明。
[0044]本發明實施例及對比例所用到的制備與測試儀器為:高真空鍍膜設備(沈陽科學儀器研制中心有限公司，壓強〈IX 10_3Pa)、電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號:2602)、用500W氙燈(Osram)與AM 1.5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。
[0045]實施例1
[0046]本實施例制備的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/PC7IBM:LiF/Al的太陽能電池器件。
[0047]先將ITO進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對導電基底進行氧等離子處理，處理時間為5-15min，功率為10-50W ;在上述基底上旋涂空穴緩沖層，采用濃度為
1.3%的PED0T:PSS的水溶液，其中，PEDOT與PSS的質量比為6:1，旋涂的轉速為4000rpm，時間為20s，旋涂后在200°C下加熱30min，空穴緩沖層厚度為40nm ;接著旋涂活性層，活性層由濃度為18mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶劑為氯苯，其中P3HT與PCBM的質量為1:0.8，旋涂的轉速為3000rpm，時間為15s，旋涂后在200°C下退火5分鐘，活性層厚度為200nm ;旋涂電子緩沖層，電子緩沖層由含有PC71BM及LiF的懸浮液旋涂而成，懸浮液中，PC71BM的質量分數為20%，LiF的質量分數為1.5%，溶劑為氯苯，旋涂的轉速為4000rpm，時間為15s,烘干后得到的電子緩沖層的厚度為80nm ;蒸鍍陰極,材料為Al,厚度為150nm,蒸鍍在真空壓力為5X KT4Pa下進行，蒸鍍速率為2nm/s，最后得到所需要的聚合物太陽能電池。
`[0048]請參閱圖3，所示為實施例1中制備的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/PC7IBM:LiF/Al的太陽能電池器件(曲線I)與傳統的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太陽能電池器件(曲線2)的電流密度與電壓關系，表1所示為實施例1中制備的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/PC7IBM:LiF/Al的太陽能電池器件與傳統的結構為ITO/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM/LiF/Al太陽能電池器件的電流密度、電壓、能量轉換效率(Π )及填充因子數據。傳統的太陽能電池器件中各層厚度與實施例1制備的太陽能電池器件中各層厚度相同。
[0049]表1
[0050]
I電流密度(mA/cm2)I電壓(V) η (%)~|填充因子
曲線 I 16.000.64 ?2Λ 0732
曲線 2 13.290.65 2730 0.27
[0051]從表1和圖3可以看到，常用的太陽能電池器件電流密度為13.29mA/cm2，而實施例I制備的太陽能電池器件電流密度提高到了 16.0OmA/cm2，這說明，本發明通過在電子緩沖層中加入富勒烯衍生物，可提高電子傳輸速率，使空穴與電子的傳輸速率達到平衡，最終提高能量轉換效率。傳統的太陽能電池器件的能量轉換效率為2.30%,而本實施例制備的太陽能電池器件的能量轉換效率為3.24%。
[0052]以下各個實施例的電流密度與電壓關系曲線、電流密度、電壓、能量轉換效率及填充因子都與實施例1相類似，各太陽能電池器件也具有類似的能量轉換效率，在下面不再贅述。
[0053]實施例2
[0054]本實施例制備的結構為IZ0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/PC6IBM:Cs2C03/Ag 的太陽能電池器件。
[0055]先將IZO進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對導電基底進行氧等離子處理，處理時間為5-15min，功率為10-50W ;在上述基底上旋涂空穴緩沖層，采用濃度為5%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT與PSS的質量比為2:1，旋涂的轉速為2000rpm，時間為10s，旋涂后在200°C下加熱15min，厚度80nm ;接著旋涂活性層，活性層由濃度為24mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶劑為氯仿，其中P3HT與PCBM的質量為1:0.5，旋涂的轉速為4000rpm，時間為10s，旋涂后在100°C下退火20min，厚度為160nm ;旋涂電子緩沖層，電子緩沖層由含有PC61BM及Cs2CO3的懸浮液旋涂而成，懸浮液中，PC61BM的質量分數為5%，Cs2CO3的質量分數為5%，溶劑為甲苯，旋涂轉速為500rpm，時間為25s，旋涂后烘干，厚度為IOOnm ;然后蒸鍍陰極，材料為Ag，厚度為80nm，蒸鍍在真空壓力為2 X 10_4Pa下進行，蒸鍍速率為lOnm/s，最后得到所要的聚合物太陽能電池器件。
[0056]實施例3
[0057]本實施例制備的結構為FT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/C6Q:Li2CO3Au的太陽能電池器件。
[0058]先將FTO進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對導電基底進行氧等離子處理，處理時間為5-15min，功率為10-50W ;在上述基底上旋涂空穴緩沖層，采用濃度為1%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT與PSS的質量比為5:1，旋涂的轉速為6000rpm，時間為30s，旋涂后在100°C下加熱60min，厚度20nm ;接著旋涂活性層，活性層由濃度為16mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶劑為二甲苯，其中P3HT與PCBM的質量為1:3，旋涂的轉速為2000rpm，時間為30s，旋涂后在100°C下退火lOOmin，厚度為200nm ;旋涂電子緩沖層，電子緩沖層由含有C6tl及Li2CO3的懸浮液旋涂而成，懸浮液中，C60的質量分數為30%，Li2CO3的質量分數為0.5%，溶劑為氯仿，旋涂轉速為6000rpm，時間為60s，旋涂后烘干，厚度為20nm ;接著蒸鍍陰極,材料為Au,厚度為180nm,蒸鍍在真空壓力為5X 10_3Pa下進行,蒸鍍速率為lnm/s，最后得到所要的聚合物太陽能電池器件。
[0059]實施例4
[0060]本實施例制備的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/C7Q:Li2C03/Pt的太陽能電池器件。
[0061]先將ITO進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對導電基底進行氧等離子處理，處理時間為5-15min，功率為10-50W ;在上述基底上旋涂空穴緩沖層，采用濃度為2%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT與PSS的質量比為3:1，旋涂的轉速為4500rpm，時間為20s，旋涂后在150°C下加熱40min，厚度70nm ;旋涂活性層，活性層由濃度為8mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶劑為甲苯，其中P3HT與PCBM的質量為1: 1，旋涂的轉速為5500rpm,時間為20s，旋涂后在70°C下退火lOOmin，厚度為300nm ;旋涂電子緩沖層，電子緩沖層由含有C7tl及Li2CO3的懸浮液旋涂而成，懸浮液中C7tl的質量分數為10%，Li2CO3的質量分數為2%，溶劑為二甲苯，旋涂的轉速為3000rpm，時間為30s，旋涂后烘干，厚度為80nm ；接著蒸鍍陰極，材料為Pt，厚度為250nm，蒸鍍在真空壓力為8X10_4Pa下進行，蒸鍍速率為3nm/s，最后得到所要的聚合物太陽能電池器件。
[0062]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種太陽能電池器件，其特征在于，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述電子緩沖層的材料包括電子緩沖材料及富勒烯衍生物，所述電子緩沖材料選自氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種，所述富勒烯衍生物選自C6(l、[6，6]-苯基-C61-丁基酸甲酯、C7tl及[6,6]-苯基-C71- 丁基酸甲酯中的至少一種。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述電子緩沖層的厚度為20nm~lOOnm。
3.根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述電子緩沖層中所述電子緩沖材料與所述富勒烯衍生物的質量比為1:廣1:60。
4.根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
5.根據權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述陰極的材料選自鋁、銀、金及鉬中的至少一種。
6.一種太陽能電池器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 在陽極表面依次旋涂制備空穴緩沖層及活性層，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物； 在所述活性層表面旋涂含有電子緩沖材料及富勒烯衍生物的懸浮液制備電子緩沖層，所述電子緩沖材料選自氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種，所述富勒烯衍生物選自C6Q、[6，6]-苯基-C6 1- 丁基酸甲酯、C70及[6，6]-苯基-C71- 丁基酸甲酯中的至少一種；及 在所述電子緩沖層的表面蒸鍍制備陰極。
7.根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述電子緩沖層的厚度為20nm~lOOnm。
8.根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述電子緩沖層中所述電子緩沖材料與所述富勒烯衍生物的質量比為1: f 1:60。
9.根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述含有電子緩沖材料及富勒烯衍生物的懸浮液中所述富勒烯衍生物的質量百分含量為5%~30%。
10.根據權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
【文檔編號】H01L51/48GK103824942SQ201210468624
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月19日 優先權日:2012年11月19日
【發明者】周明杰, 王平, 黃輝, 陳吉星 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司