專利名稱：一種基于一維光子晶體背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發明屬于聚合物太陽能電池技術領域，具體涉及一種基于高低折射率材料WO3及LiF構成的一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池及其制備方法。
背景技術：
隨著社會的進步和經濟的迅猛發展，能源的需求急劇增長。以化石燃料為主的常規能源資源的日益枯竭及由此所引發的環境污染、生態問題，是現代社會人們面臨的嚴峻形勢。太陽能作為一種可再生能源，以其安全無污染、資源永不枯竭的優勢，成為了未來最
有希望的能源之一。太陽能的主要利用方式就是太陽能電池，傳統的太陽能電池主要以硅電池為主，但是由于其生產工藝復雜、生產設備昂貴等缺點，限制了其大規模民用商業化的應用。近年來，聚合物太陽能電池由于其制作工藝簡單、價格低廉、柔性、可大面積生產等優點，已成為可再生能源研究領域的一個熱點，其中半透明聚合物太陽能電池由于其既可透光又可發電的優勢，可以應用到在建筑物外立面和車窗的制造上，具有很強大的商業潛能。但是半透明聚合物太陽能電池的高透過率是以犧牲光電轉換效率為代價而得到的，因此研究即具有高透過率、同時光電轉換效率損失很小的半透明聚合物太陽能電池具有重要意義。
發明內容
本發明的目的是采用簡單的工藝提供一種基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池及其制備方法。該太陽能電池依次由FTO導電玻璃(或者ITO導電玻璃)陰極、N型寬禁帶半導體Ti02(nc-Ti02)陰極緩沖層(厚度為15 40nm)、聚合物有源層(厚度為80 100nm)、W03陽極緩沖層(厚度為5 10nm)、Ag半透明陽極(厚度為10 20nm)和[W03/LiF]N —維光子晶體組成，N為2 8的整數，表示一維光子晶體的對數周期，每一對數周期為WO3 (厚度為50 80nm)和LiF (厚度為80 IOOnm)的復合層結構。聚合物為給體材料P3HT (Poly (3-hexylthiophene_2, 5-diyl),聚 3 己基噻吩)與受體材料 PCBM ( [6，6]-phenyl-C61_butyric acid methyl ester,富勒烯衍生物)按照質量比1:0. 8 I的混合。聚合物有源層的吸收波長范圍為450 600nm。一維光子晶體[W03/LiF]4# 450 600nm范圍內的光實現高反射，對450 600nm范圍以外的光實現高透射。半透明聚合物太陽能電池在工作中為了實現半透明，聚合物有源層必須很薄，這就直接導致有源層對光吸收不充分而影響效率。因此，我們在半透明聚合物電池上面引入一維光子晶體，光照下對未被有源層吸收的450 600nm范圍內的光實現高反射，該波長范圍的光被有源層二次吸收，從而提高光的利用率，提高能量轉化效率；同時，一維光子晶體[W03/LiF]N對于450 600nm范圍以外的光實現高透射。
本發明所述的一種一維光子晶體的半透明聚合物太陽能電池的其制備方法，其步驟如下I) FTO導電玻璃或者ITO導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲30 50分鐘，然后擦洗烘干；2)在室溫下，將20 40mL乙醇、5 15mL去離子水和I 3mL濃度為O. 2 O. 3mol/L的鹽酸配成的混合溶液逐滴滴入到含有5 20ml鈦酸四丁酯、40 80mL乙醇、
3 IOmL乙酰丙酮的溶液中，劇烈攪拌I 5小時，陳化后制得TiO2溶膠；將TiO2溶膠以1000 5000rpm的轉速旋涂在步驟I)處理過的導電玻璃上，然后放入馬弗爐中，在440 460°C條件下燒結1. 5 3小時，燒結后在導電玻璃上得到N型TiO2Oic-TiO2)陰極緩沖層，厚度為15 40nm ；3)有源層是聚合物太陽能電池的吸光層，平整的有源層是獲得高效率電池的基礎，我們使用聚合物材料制備體異質結太陽能電池的有源層將給體材料P3HT (Poly (3-he xylthiophene-2, 5-diyl),聚 3 己基噻吩)與受體材料 PCBM ([6, 6] -phenyl-C61-butyricacid methyl ester,富勒烯衍生物)按照1:0. 8 I的質量比進行混合,然后加入有機溶劑(二氯苯、氯苯或甲苯等)中，配置成均勻的濃度為10 20mg/mL的混合溶液；然后將混合溶液旋涂在N型TiO2陰極緩沖層上，旋涂速度為1000 1500rpm，得到80 IOOnm厚的有源層；最后對有源層進行退火，退火溫度為140°C 160°C，退火時間為O. 3 O. 5小時；4)通過真空蒸發的方法在有源層上制備陽極緩沖層在多源有機氣相分子沉積系統中，在有源層上蒸鍍厚度為5 IOnm的WO3，形成導電性良好的陽極緩沖層，有效的傳輸空穴；5)通過真空蒸發的方法在陽極緩沖層上制備半透明陽極在多源有機氣相分子沉積系統中，在陽極緩沖層WO3上蒸鍍厚度為10 20nm的Ag半透明陽極；6)通過真空蒸發的方法在Ag半透明陽極上制備光子晶體在多源有機氣相分子沉積系統中，在半透明陽極上蒸發[W03/LiF]N—維光子晶體，N的取值為2 8;從而完成基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池的制備。本發明所制備得到Ag半透明陽極非常均勻致密，導電性能良好，透過率較高，可以有效的收集電子。使用真空蒸發的方式制備的一維光子晶體，對有源層吸收范圍內即450 600nm內光的反射率高達99%，對有源層吸收范圍外即450 600nm外光的透射率達99%以上，能夠將電池吸收較強的光大部分反射，將電池吸收較弱的光大部分透過，從而得到了同時具有高效率和高平均透過率的半透明聚合物太陽能電池。本發明制備的無光子晶體和有光子晶體結構的半透明聚合物電池的短路電流、開路電壓、填充因子和能量轉換效率的比較詳見表I。表1:半透明聚合物太陽能電池無光子晶體、有光子晶體的器件在lOOmW/cm2和AM(大氣質量)為1. 5G的環境下的特征參數比較
權利要求
1.一種基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池，其特征在于依次由FTO導電玻璃或者ITO導電玻璃陰極(I)、N型寬禁帶半導體TiO2陰極緩沖層(2)、聚合物有源層(3)、W03陽極緩沖層(4)、Ag半透明陽極(5)和[W03/LiF]N—維光子晶體(6)組成，N為2 8的整數，表示一維光子晶體的對數周期，每一對數周期為WO3 (61)和 LiF (62)的復合層結構。
2.如權利要求1所述的一種基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池，其特征在于陰極緩沖層(I)的厚度為15 40nm、聚合物有源層(2)的厚度為80 100nm、W03陽極緩沖層(3)的厚度為5 10nm、Ag半透明陽極(4)的厚度為10 20nm、W03的厚度為50 80nm、LiF的厚度為80 IOOnm0
3.權利要求2所述的一種基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池的制備方法，其步驟如下1)FTO導電玻璃或者ITO導電玻璃依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲30 50分鐘，然后擦洗烘干；2)在室溫下，將20 40mL乙醇、5 15mL去離子水和I 3mL濃度為O.2 O. 3mol/L 鹽酸配成的混合溶液逐滴滴入到含有5 20mL鈦酸四丁酯、40 80mL乙醇、3 IOmL乙酰丙酮的溶液中，劇烈攪拌I 5小時，陳化后制得TiO2溶膠；將TiO2溶膠以1000 5000rpm 的轉速旋涂在步驟I)處理過的導電玻璃上，在440 460°C條件下燒結1. 5 3小時，燒結后在導電玻璃上得到N型TiO2陰極緩沖層，厚度為15 40nm ；3)將給體材料P3HT與受體材料PCBM按照1:0. 8 I的質量比進行混合，然后加入有機溶劑中，配置成均勻的濃度為10 20mg/mL的混合溶液；然后將混合溶液旋涂在N型 TiO2陰極緩沖層上，旋涂速度為1000 1500rpm，得到80 IOOnm厚的有源層；最后對有源層進行退火，退火溫度為140°C 160°C，退火時間為O. 3 O. 5小時；4)在有源層上蒸鍍厚度為5 IOnm的WO3，形成導電性良好的陽極緩沖層；5)在陽極緩沖層上蒸鍍厚度為10 20nm的Ag半透明陽極；6)在半透明陽極上蒸發[W03/LiF]N—維光子晶體，N的取值為2 8;從而完成基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池的制備。
4.如權利要求3所述的一種基于一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于步驟3)中的有機溶劑為二氯苯、氯苯或甲苯。
全文摘要
本發明屬于聚合物太陽能電池技術領域，具體涉及一種基于高低折射率材料WO3及LiF構成的一維光子晶體作為背反射鏡的倒置型半透明聚合物太陽能電池及其制備方法。首先，在導電玻璃襯底上生長一層均勻致密的N型TiO2薄膜，然后旋涂上一層二氯苯溶解的P3HT:PCBM溶液，退火，再依次生長WO3和Ag；最后，在半透明銀電極上，再生長[WO3/LiF]N一維光子晶體。本發明制備的半透明聚合物太陽能電池，解決了傳統半透明太陽能電池透過率高、效率低的問題。[WO3/LiF]N一維光子晶體的高反射膜結構有利于提高特定波長光的反射和吸收，解決了半透明電池效率與透過率之間的矛盾，有效地提高了能量轉換效率。
文檔編號H01L51/48GK103000811SQ201210544338
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者沈亮, 于文娟, 阮圣平, 劉彩霞, 郭文濱, 董瑋, 張歆東, 陳維友, 陸斌武 申請人:吉林大學, 無錫海達安全玻璃有限公司